單體燃料電池的主要組成部分有電解質（electrolyte）、陽極（anode）、陰極（cathode）和連接體（interconnect）或電極分離器 （bipolar separator），如下圖所示。

 

組成燃料電池的各組元材料在氧化和（或）還原氣氛中要有較好的穩定性，包括化學穩定、晶型穩定和外形尺寸的穩定等；彼此間的化學相容性；合適的電 導性和相近的熱膨脹系數。同時要求電解質和連接體是完全致密的，以防止燃料氣和氧氣的滲透混合；陽極和陰極應是多孔的 ，以利于氣體滲透到反應位置 。燃料電池各組成材料的具體要求見下表 。

 

一 、電解質材料

SOFC 中電解質是電池的核心 ，一般采用氧化物陶瓷制作 ，即燒結固熔體電解質—完全穩定化的ZrO２ 。電解質的性能直接決定著電池的工作溫度和性能 。

純的 ZrO2 在1000 ℃ 的電阻率為 107 Ω／cm，接近于絕緣物質 。目前大量應用于 SOFC 的以 ZrO２ 為基的固體電解質 ，利用在 ZrO２ 中摻入某些二價或三價氧化物 ， 使 Zr^(4+)的位置被低價的金屬離子置換 ，結果不僅使 ZrO２ （螢石結構）從室溫到高溫（1000℃）都有穩定的相結構 ，而且由于電荷補償作用使其中產生了更多的O^(2-) 空位，從而增加了ZrO２的離子電導率 ，使其電導率達到 10^(-2）S／cm ，同時擴展了離子導電的氧分壓范圍 。在這種穩定化 ZrO２ 中 ，以 O^(2-) 空位作為媒介 ，即利用空位機 理 ，表現出 O ^(2-) 導電性 。

目前用作電解質較為常見的材料為Y2O3穩定 ZrO2 （簡稱 YSZ） ，它的離子電導率在氧分壓變化十幾個數量級時 ，不發生明顯的變化 。目 前 ，如何制備性能合適的 YSZ 薄膜是人們研究的熱點和難點 。

二 、陽極材料

SOFC 的電極材料首先是一種催化劑 ，對陽極材料要求電子電導率高 ，在還原氣氛中穩定并保持良好的透氣性 ，因而通常采用鉑，但鉑價格昂貴 。用鎳 、鈷等金屬材料會存在熱膨脹不匹配和附著問題，長期的高溫工作還會降低其空隙率 。

目前研究的方向是以金屬陶瓷作為陽極材料 ，比較理想的是Ni復合的 YSZ 。研究合理的工藝 ，制備性能適合的 Ni-YSZ 復合材料是主要任務 。

三 、陰極材料

SOFC 的陰極與陽極相似 ，也應是多孔的電子導電薄膜 。由于電池的陰極在高溫氧化氣氛環境工作 ，起傳遞電子和透過氧的作用 ，因此對陰極材料的要求比較苛刻 。

陰極材料應具有高的電導率 、高溫抗氧化性以及高溫熱穩定性 ，并且不與電解質起化學反應等特點。傳統的材料為金屬鉑 ，近期發展的是摻雜氧化物陶瓷—LaMnO３ 。作為 SOFC的陰極材料，大量的實驗證明，La１-xSr xMnO３是首選的陰極材料。

四 、連接體材料

電解質和電極材料一起組成三合一形式的單體電池單元，單體電池的功率是有限的，只能產生１V左右的電壓 ，為了獲取大功率的電池組，必須將若干個單電池以各種方式（串聯 、并聯 、混聯）連接在一起 ，這就需要連接體材料和封接材料。

在 SOFC中，要求連接體組元在高溫下具有良好的電子導電性和穩定性 。目前只有很少幾種氧化物能夠滿足用作 SOFC 連接體材料 ，如鈣鈦礦結構的鉻酸鑭 （LaCrO３ ） 。高溫合金材料用作 SOFC 連接體材料也是研究熱點。

五 、封接材料及其他

封接材料用于將電解質材料和連接體材料連接在一起 ，要求能耐高溫 ，電池反應溫度（700~1000 ℃ ）下 ，一般多用玻璃陶瓷混熔制備。

此外 ，還需要其他附屬材料 ，如用剛玉管作為氧氣體室 ；用石英管作為燃料氣體室 ，它們都帶有進氣口和出氣口 ，均需密封連接 。

六 、單體電池組裝

大規模的 SOFC 是由單體電池通過各種結構堆疊而成的電池組 ，目前主要發 展了管式、串接式、基塊式、平板式等四種結構的電池組。在實際應用中 ，根據要求 ，把單個燃料電池串聯和（或）并聯在一起 ，形成電池組 ，以滿足特定的應用 。

圖 1.５ 所示的單體燃料電池中 ，其陽極 、電解質 、陰極組成了三合一復合結構 ， 在實際研究和加工制作中 ，形成了四種不同的結構類型：管式設計（seal less tubular design） 、串接式設計（segmented-cell-in-series design） 、基塊式設計（monolithic design） 、平板式設計（flat-plate design） ，其結構示意圖見圖 1.６ 。

 

本文來源于：《固體氧化物燃料電池材料及制備》韓敏芳 彭蘇萍著，艾邦氫科技網，轉載請注明出處

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