固體氧化物燃料電池(Solid Oxide fuel cell，SOFC)作為一種清潔高效的新型能源，越來越受到人們的重視，其全固態的結構性質穩定、加工方便，且能量轉化率高，適用于大型發電站及其它工業應用，如交通、軍事、空間開發等。

一般固體氧化物燃料電池主要有三部分組成，分別是陽極，陰極和電解質。其中，陽極和陰極是多孔材料，電解質則為致密的固體陶瓷。其中陽極提供燃料氣氧化的場所，陰極提供氧化氣還原的場所，電解質則傳導氧離子并隔絕電子傳導。

 SOFC工作原理示意圖

目前研究者們主要的方向為中低溫固體燃料電池的開發，大多集中在新型電解質材料的研究上。但作為吸附傳輸反應氣體、提供反應場所的電極，隨著固體燃料電池的發展，也同樣提出了更高的要求。

以陽極為例，通常SOFC陽極材料需要滿足以下要求：

（1）提供燃料電化學氧化反應的場所，具有良好的催化活性和高的電子導電率，使電子能夠順利傳到外電路而產生電流；

（2）具有良好的化學和熱穩定性，與其接觸的材料具有良好的化學兼容性及熱膨脹的匹配性；

（3）具有合適的孔隙率，使燃料氣能擴散到陽極參與電化學反應，并同時將反應產生的氣體和副產物帶走。

陽極多孔結構

在SOFC陽極材料的研究中，Ni、Pt、Co、Ti等金屬材料都曾被用來作為固體氧化物燃料電池的陽極使用，而鎳基陽極是研究最多和應用最廣泛的陽極，相對于其他陽極材料來說，鎳基陽極具有價格相對便宜，來源廣泛，技術相對成熟等顯著的優點。

但實際應用中，純金屬陽極往往會有一定的缺陷。

其一是熱膨脹系數不匹配。純金屬材料往往與電解質的熱膨脹系數相差甚遠，而SOFC往往需要在較高的溫度下運行，長時間在高溫下運行更容易造成陽極材料與電解質材料之間產生較大的熱應力。

其二是陽極與電解質之間電阻大。固體氧化物燃料電池為全固體結構，不同材料間的潤滑變得相對困難，而經過長期使用的冷熱循環之后，金屬材料與電解質之間更容易由于熱應力而產生脫離和破裂，使陽極與電解質之間的電阻急速增大，會嚴重的影響固體氧化物燃料電池的性能。

其三是反應氣體擴散有限。陽極的反應位置僅僅局限于陽極和電解質的接觸面的話會使氣體的擴散受到限制，產生過高的電位，這種效應在低溫或者大的電流密度下會更加明顯。

為了彌補純金屬材料的這種缺點，往往需要把金屬以某種氧化物陶瓷做為基體彌散開來，考慮到綜合成本等問題，目前應用最多的材料即為Ni/YSZ（釔穩定氧化鋯）復合陽極基體。Ni相提供電子電導，同時催化碳氫類燃料的直接氧化和重整反應；YSZ相提供離子電導，其三維網狀結構作為整個陽極或電池的結構支撐單元。

不同陽極微觀形貌示意圖

A、微米Ni/YSZ陽極     B、納米Ni/YSZ 陽極

這種金屬陶瓷陽極由于YSZ的引入提升了陽極的離子導電性，從而拓寬了陽極的三相邊界(TPB)，即電子、氧離子導體與氣體的接觸點，提高了陽極性能。同時，YSZ作為陽極骨架很大程度抑制Ni燒結，因為NiO和YSZ在高溫下也不會發生反應形成固溶體，二者可以燒結形成NiO-YSZ復合材料，并被還原成具有一定孔隙的Ni-YSZ金屬陶瓷，從而確保陽極有足夠孔隙率。另外由于加入了YSZ，與常用的YSZ電解質之間的接觸界面得到改善，通過調控Ni和 YSZ比例可以使陽極與電解質熱匹配性差的問題得到解決。

Ni-YSZ支撐的SOFC單電池制備工藝流程圖

因此氧化鋯粉體不光可燒結為陶瓷制成固體氧化物燃料電池的電解質，在電極材料的制備中也有著相當關鍵的作用。對于SOFC的產業化，高性能氧化鋯粉體的制備工藝無疑決定著Ni-YSZ復合電極及固體電解質的性能，從而影響電池的性能表現。

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參考來源：

1. 鎳基陽極固體氧化物燃料電池的研究，肖杰，華南理工大學；

2. 管式陽極支撐固體氧化物燃料電池的制備和性能研究，王涵多，華南理工大學；

3. 浸漬法制備納米Ni/YSZ陽極穩定性的研究，張斌權，哈爾濱工業大學。

粉體圈 小吉