纳米氧化锆支撑--固体氧化物燃料电池（SOFC）发展

一、SOFC 概述

定义与特点：

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称 SOFC），又被称为全固态燃料电池或陶瓷燃料电池，是一种通过电化学反应将燃料化学能直接转化为电能的装置。与其他类型的燃料电池不同，SOFC 不依赖贵金属催化剂来促进电化学反应的进行，这在一定程度上降低了对稀有金属的依赖，也减少了成本。

SOFC 具有多方面的核心优势，使其在能源领域备受关注：

燃料适应广：SOFC 能够使用多种燃料，包括氢气、天然气、生物质气，甚至一些碳氢化合物。这种广泛的燃料适应性使得 SOFC 可以根据不同地区的资源情况和能源需求，灵活选择合适的燃料，提高了能源利用的多样性和灵活性。例如，在天然气资源丰富的地区，可以直接使用天然气作为燃料；在生物质能丰富的农村或偏远地区，生物质气也能为 SOFC 提供动力。

余热温度高：由于 SOFC 的运行温度较高，在发电过程中产生的余热温度也相对较高，通常适合用于热电联产。通过合理利用这些余热，可以同时满足用户的电力和热能需求，大大提高了能源的综合利用效率。比如，在一些工业生产中，SOFC 产生的余热可以用于加热工艺设备或提供生活热水，实现能源的梯级利用，减少能源浪费。

运行温度高：SOFC 的运行温度一般在 700℃至 1000℃之间。高温运行使得电池内部的电化学反应速率加快，有助于提高发电效率。同时，高温环境也有利于一些燃料的直接利用，无需复杂的燃料预处理过程。但高运行温度也带来了一些挑战，如对材料的耐高温性能要求较高，以及在高温下材料的稳定性和耐久性需要进一步优化。

从工作原理来看，SOFC 是水电解的 “逆过程”。在水电解过程中，水被分解为氢气和氧气；而在 SOFC 中，阳极发生燃料氧化反应，阴极发生氧化剂还原反应，通过电解质传导离子，从而产生电能和热能。具体来说，燃料（如氢气）在阳极被氧化，释放出电子和质子（或离子）；氧气在阴极被还原为氧离子，氧离子通过固体氧化物电解质迁移到阳极，与燃料反应生成水或其他产物，同时电子通过外部电路流动，形成电流，实现电能的输出。

单电池结构

SOFC 的单电池主要由三部分组成：

阳极（燃料氧化场所）：阳极是燃料发生氧化反应的地方，它需要具备良好的催化活性，能够有效地促进燃料的氧化过程。同时，阳极材料还需要具有高电子 / 离子导电性，以便电子和离子能够顺利地传输。此外，抗积碳性也是阳极材料的重要特性，特别是在使用碳氢燃料时，要能够防止碳在阳极表面沉积，影响电池性能。常见的阳极材料有 Ni/YSZ 金属陶瓷和钙钛矿材料等。

阴极（氧化剂还原场所）：阴极的主要作用是催化氧气的还原反应，将氧气还原为氧离子。为了实现高效的氧还原反应，阴极材料需要具有高氧还原活性。常用的阴极材料包括钙钛矿结构（如 LSCF，即 La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₂Fe₀.₈O₃）和双钙钛矿等。这些材料具有特殊的晶体结构和电子性质，能够有效地促进氧气的吸附、解离和还原过程。

固体氧化物电解质（离子传导）：固体氧化物电解质是 SOFC 的核心部件之一，它的主要功能是传导离子，同时隔绝电子。电解质需要具备高离子电导率，以确保离子能够快速通过，降低电池内阻；同时，要具有低电子电导率，防止电子泄漏，保证电化学反应的正常进行。此外，电解质还需要具有良好的耐高温氧化性能，能够在高温环境下长期稳定运行。常见的电解质材料有氧化钇稳定氧化锆（YSZ）和 CeO₂基材料等。

一个完整的 SOFC 系统除了单电池外，还包括多个辅助系统，如燃料供应系统，用于将燃料输送到阳极；供气系统，为阴极提供氧气或空气；控制系统，包括电压调节和逆变器等，用于调节电池的输出电压和将直流电转换为交流电；以及换热器等，用于回收和利用电池产生的余热。

二、SOFC 材料体系

SOFC 的性能在很大程度上取决于各个组件所使用的材料，以下是各组件的材料类型及其关键特性：

阳极：

Ni/YSZ 金属陶瓷：镍（Ni）提供电子导电性，氧化钇稳定氧化锆（YSZ）作为离子导体。这种材料组合能够有效地催化氢气的氧化反应，同时具备一定的抗积碳性。但在使用碳氢燃料时，仍需要进一步优化以提高其抗积碳性能。

钙钛矿材料：如 La₀.₇Sr₀.₃CrO₃（LSC）等钙钛矿材料，具有较强的抗硫中毒能力，适用于含杂质燃料的情况。其独特的晶体结构和电子性质使得它在阳极反应中表现出良好的催化活性和稳定性。

阴极：

钙钛矿结构（如 LSCF）：LSCF 具有高氧表面交换系数，能够快速地催化氧气的还原反应，使氧气有效地转化为氧离子。其晶体结构中的金属离子能够参与氧的吸附、解离和传输过程，从而提高阴极的反应活性。

双钙钛矿：双钙钛矿材料也具有优异的氧还原活性，通过合理设计其化学组成和晶体结构，可以进一步优化阴极的性能，提高电池的整体效率。

电解质：

氧化钇稳定氧化锆（YSZ）：在 800℃以上，YSZ 具有优异的离子电导率，是目前应用较为广泛的电解质材料之一。然而，在低温下，其离子电导率会显著降低，限制了其在一些低温应用场景中的使用。

CeO₂基材料：如钆掺杂氧化铈（GDC）等 CeO₂基材料，在中温（600℃至 800℃）下具有较好的离子电导率，且与 YSZ 相比，在低温性能上有一定的优势。但 CeO₂基材料在高温下容易被还原，导致电子泄漏，需要采取相应的措施来提高其稳定性。

连接体：

铬酸镧（LaCrO₃）：LaCrO₃在高温下具有优异的电子导电性和抗氧化、抗腐蚀性能，能够有效地连接各个单电池，同时防止电池之间的气体泄漏和相互干扰。

高温合金：一些高温合金也可作为连接体材料，它们具有良好的机械性能和耐高温性能，能够在高温环境下保持稳定的结构和性能。

封接材料：玻璃陶瓷混熔材料是常用的封接材料，它需要具备耐高温（700℃至 1000℃）和气密性好的特点，以确保电池在运行过程中不会出现气体泄漏，保证电池的性能和安全性。

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