1.3 固体氧化物燃料电池的电解质材料

SOFC中最主要的部分的是固体电解质，通常情况下采用氧化物来制作的固体陶瓷电解质，SOFC电池的工作温度和性能由电解质的性能直接决定。通常它的电阻率、热稳定性、热膨胀系数、材料的致密化温度等参数都影响着电解质的性能。它的性能不仅可以直接影响电池工作时的电转换效率及电池的工作温度，而且还可以决定在制备电池时需要的与之相匹配的电极材料，及制备工艺技术的挑选。大体上来讲，具备良好性能的电解质材料要包含以下条件：(1)当电池环境处在氧化性和还原性情况下，电解质要具备足够高的离子电导率并能将电解质中的电子电导率忽略不计(电子在传导时会发生两极短路情况而产生能量的损失，导致电池的电流输出效率降低)；(2)在相同的情况下，它的外形尺寸不易变形，稳定性能良好，且化学晶型结构也非常完美；(3)在制备和运行过程中，电解质的化学性质要被很好的控制，不能与其他化学元件相反应；(4)从低温到高温的制备过程中，电解质的热膨胀系数要与其他元件的热膨胀系数相匹配，为了避免开裂、变形和脱落；(5)为了避免氧气和电池染料气的泄露，电解质的相对密度要相对较高：(6)制备材料要有良好的强度和韧性、工艺制作简单、价格低廉等。

1.3.1 LaGaO3 基电解质

目前，研究人员正在开展将LaGaO3作为电解质材料应用在固体染料电池上。LaGaO3是钙钛矿型电解质结构的一种，此电解质可以表示为ABO3。A位可以用Sr2+、Ba2+、Ca2+、La3+ 离子取代，B位可以用Mg2+、Fe2+、Ga3+等离子取代。会形成氧空位维持电中性。此时氧的原子计量比小于3。由于氧空位作为电极载流子，所以大幅度加强了电池离子的导电效果。实验结果表明，掺杂LaGaO3的离子导电性在很低的氧分压环境中依然适用［8］。Ishihara等人研究表明，对与A位的替位离子，Sr2+ 导电效果可以比Ba2+、Ca2+的更加优越。当电解质中含有10%Sr时导电最好，超过此含量时，硅酸盐会形成诸如SrGa2O4 、La4 SrO7的第二相物质。对于B位替位离子，Mg2+的导电效果比较优越，原因可能是Mg2+作为B位受主，加大了电解质中氧空位浓度 ［9］。Baker等人研究了掺杂Fe、Cr的La0.9Sr0.1Ga -x Mex O2.85 (Me为Fe、Cr)组分，发现掺杂Fe、Cr可以有效增加p-型电导率。在空气环境下，掺Fe、Cr的电解质样品的离子迁移数比未掺杂的电解质样品小［10］。Goodenough等测量发现，La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85 在571℃和800℃电导率分别为0.011S /cm-1 和0.104S /cm-1 ，而此温度下YSZ的电导率分别为0.003S/cm-1 和0.036S/cm-1 ，前者在650℃的实验条件下，经140小时电导率没有发生变化［11］。Huang和Petric等人也报道了一种相似的组分La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.15O2.85 化合物，在800℃时此物质的电导率为0.14S/cm-1［12］。Stevenson等人对碱土掺杂LaGaO3 的电解质性能进行了研究［13］，发现在1400℃烧结时，此电解质可达到99% 的烧结密度。掺杂Sr、Mg不仅可以提高电解质的电导率，而且能提高电解质的离子迁移数。而掺杂Ca、Mg的电解质样品，电导率要比YSZ略低。LaGaO3 基材料的热膨胀系数要比YSZ略高，约为11.3-12.1×10 -6 K-1 。Huang 等人用500μm 厚La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85 电解质薄膜组装成单体的SOFC并对其测试了相关性能，发现CeO2 /N i和LaSrCoO3分别是较好的阳极、阴极材料。在高温工作状态下阳极区的Ni与电解质材料依然可以进行化学反应，生成的LaN iO3 使电池的性能减弱。因此La0.9Sr0.1Ga 0.8Mg0.2O2.85 电解质的SOFC适用的温度范围在600～800℃［14］。

1.3.2 BaCeO3 基电解质

BaCeO3 基电解质材料在600～800℃的中温工作环境下也具有一定的离子导电效率，可用于中温SOFC。并且在此类材料中BaCe0.8Ga0.2O3 的电导性最高，在800℃时，此材料的电导率约为0.015 S/cm-1［15］。Agarwal等人测试了以BaCe0.8Ga0.2O3为电解质的SOFC的性能，在实验研究中发现Ni有向电解质中扩散的现象，导致燃料电池的内阻明显增大［15］ 。到目前为止，以BaCeO3 基作为SOFC的电解质还有待探讨。