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钇稳定氧化锆在SOFC电解质中的应用
时间：2024-06-20 18:42
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燃料电池的历史可以追溯到1839年，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）的开发始于20 世纪40年代，但是由于受技术复杂性、材料加工手段的限制，未能发展。在20世纪80年代以后，为了开辟新的能源，缓解石油紧缺而带来的能源危机，SOFC的研究得到蓬勃发展。SOFC也称作陶瓷燃料电池，采用了陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，全固态结构，是一种非常有前景的清洁高效的能源系统。
表 各种燃料电池的组成特点和操作性能
一、钇稳定氧化锆在SOFC电解质中的应用
从SOFC的结构来看，它由电解质（陶瓷材料）、阳/阴极、连接体（陶瓷或合金）构成单电池，再由多个单电池构成电堆。
1、SOFC电解质材料要求
高温下要有足够机械强度和相稳定性、完整性。
目前 ，用作 SOFC 电解质材料的主要有稳定的氧化锆和有待进一步发展 、中温环境下使用的电解质材料，如CeO2基电解质、Bi2O3基电解质等。
2、YSZ是SOFC电解质常用材料
SOFC中电解质一般采用氧化物陶瓷制作，即烧结固熔体电解质——完全稳定化的氧化锆（ZrO2）。电解质的性能直接决定着电池的工作温度和性能。氧化锆ZrO2是一种多晶型化合物，有三种变体：单斜相（monoclinic，M），稳定温度为<1100℃；四方相（tetragonal，T），稳定温度为1100～2300℃；立方相（cubic，C）是高温稳定相，熔点是2715℃。纯的ZrO2在1000℃的电阻率为107Ω/cm，接近于绝缘物质，是很差的电解质。
表 ZrO2和 Y2O3稳定ZrO2材料的性能
目前大量应用于SOFC的以ZrO2为基的固体电解质，利用在ZrO2中掺入某些二价或三价氧化物，例如当其中掺入 Y2O3（或其他如CaO、MgO或Yb2O3等多种掺杂物)后，使Zr4+的位置被低价的金属离子置换，ZrO2点阵中的Zr4+ 被Y3+替代后，结果不仅使ZrO2（萤石结构）从室温到高温（1000℃）都有稳定的相结构，而且由于电荷补偿作用使其中产生了更多的O2-空位，从而增加了ZrO2的离子电导率，使其电导率达到10-2S/cm，同时扩展了离子导电的氧分压范围。在这种稳定化ZrO2中，以O2-空位作为媒介，即利用空位机理，表现出O2-导电性。随着氧空位的浓度提高，离子电导率也就增加了。
目前用作电解质较为常见的材料为 Y2O3稳定ZrO2（简称 YSZ），它的离子电导率在氧分压变化十几个数量级时，都不发生明显的变化。为了减少离子扩散过程中欧姆极化损耗，希望电解质部分尽量薄，厚度在微米甚至毫米的范围内。目前，如何制备性能合适的 YSZ 薄膜是人们研究的热点和难点。
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