固体氧化物燃料电池用CeO2基电解质的研究进展

摘要

作为一种高效的能源转换装置,固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有高效率、环境友好和燃料灵活等优点受到广泛关注。电解质作为SOFC的核心部分,其性能的好坏直接决定SOFC的性能。SOFC使用的传统电解质材料是部分氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）,但因其工作温度高（约1 000℃）,由此带来电极材料的选择、密封等诸多困难。因此,开发适用于中低温下的电解质对推进SOFC的商业化进程至关重要。单元素掺杂的氧化铈基电解质在中低温下的电导率高于同温度下YSZ的电导率。然而,CeO2基电解质也存在以下不足:在低氧分压下,部分Ce4+被还原为Ce3+而产生电子电导;在中低温度下,晶界电阻较大而使总电导率降低。影响CeO2基电解质电导率的因素较多,如粉体的制备方法、烧结体的微观形貌、掺杂剂的种类和浓度。其中,较为重要的影响因素是掺杂剂的种类及其浓度、粉体的制备方法。针对以上问题,研究人员普遍认为,相比于单掺杂CeO2,元素共掺或多掺（尤其掺杂稀土元素）更有利于改善电解质的离子电导率,并降低电子电导率。掺杂元素的种类通常包括:稀土元素和部分碱土金属元素。除元素掺杂外,不同碳酸盐复合的CeO2基电解质也引起了研究人员的兴趣。在制备方法上,采用微波烧结、多元醇法、静电纺丝等不同粉体制备方法可得到高离子电导率的电解质,此外,将电解质薄膜化或采用脉冲激光沉积（PLD）在CeO2电解质基底上沉积一层隔膜都可以降低电子电导,提高电导率。本文结合最近几年学者们对CeO2基电解质的研究状况,简述了元素掺杂、粉体的制备方法以及电解质薄膜对CeO2基电解质电性能的影响,并对其发展进行了展望。