文 献 综 述

一、研究的背景、意义及价值

随着社会的发展，这些日新月异变化的新技术在为人类带来便利的同时，也不可避免的为环境带来了巨大的负担，天然能源的匮乏让人们去寻找新的技术点。环境污染使得人们重新定义了科技。在环境和能源的双重压力下，人们致力于寻求一种高效、清洁的新材料、新技术。固体燃料电池是一种新型的将化学能直接转化为电能的电化学装置。它不仅利用效率高，环保清洁，污染小，同时它相比于传统的燃料电池更加安全，因此是目前寻找新型材料的热点。

二、国内外的研究状况

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是在中高温运行条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效率、环境友好地转化成电能的全固态发电装置。其它燃料电池的组成相同，SOFC也是由阴极，电解质及阳极三部分组成。阴极是多孔的氧化物材料，氧气在此吸附解离得电子还原成氧离子，致密的陶瓷电解质层位于阴极与阳极之间，它负责隔绝两电极的气氛同时传递离子，阻碍电子的迁移防止电池内短路。阳极即燃料极，是氢气或者其他化石燃料催化解离的地方，最终被氧化失去电子生成氢离子。三者之间通过高温烧结紧密连接在一起^[1]。从可持续发展角度来看，SOFC 极具发展前景，被普遍认为是在未来会得到广泛应用的一种燃料电池。

目前最成熟的阳极材料为金属陶瓷复合物如Ni－YSZ和Ni－DCO。但Ni陶瓷阳极使用碳氢化合物为燃料时会催化断裂碳氢键，造成阳极上碳沉积，会破坏阳极结构；同时Ni的活性位会被碳覆盖，从而电池的活化极化被大幅增加导致电池性能降低^[2]。防止碳淀积的阳极新材料的探索已经成为SOFC最活跃的研究领域之一。同时还有钙钛矿型化合物^[3]、铬酸镧( LaCrO₃) 材料、SrTiO₃ 基材料等都可作为电极材料极具潜力^［4］。但是它们的具体应用还取决于这些材料性能的进一步提高。

SOFC的阴极的作用是为氧化剂的电化学还原提供场所，贵金属是一类人们较早进行深入研究的阴极材料，钙钛矿结构的ABO₃型氧化物和类钙钛矿结构的A₂B0₄型氧化物是目前研究较热的阴极材料。Ag、Pt、Pb等贵金属作为阴极材料，对氧分压变化敏感，具备良好的吸附和催化性能及抗中毒能力。但由于成本昂贵和高温稳定性能差等原因，目前已经很少单独采用。贵金属修饰的陶瓷阴极近年来得到广泛的研究。Sahibzada等^[5]报道了在La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₃中加入少量Pd后，在400～750℃范围内，可使阴极阻抗降低３～４倍；在550℃可使电池的内阻降低40％；周等^[6]研究发现Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O₃－δ与少量Ag复合后，650℃的极化阻抗降低了约一半。Haanappel等^[7]分别将Pt、Pd及Ag掺入到LSM／YSZ后，只有Pd的加入对电极性能起到促进作用。钙钛矿结构氧化物阴极材料主要包括掺杂LaMnO₃、La_xSr_1-XFeO₃(LSF)、LSC和LSCF等。尽管材料种类很多，但各有其缺点，不尽人意。类钙钛矿结构A₂BO₄型氧化物同传统的钙钛矿型氧化物相比较，这类材料的氧透过性、电导率、热膨胀系数、高温化学稳定性及氧扩散系数与表面交换系数等都具有明显的优势，有可能成为一种潜在的新型SOFC阴极材料^［8］。

三、本课题的基本内容、研究重点

3.1、质子导体^[9]

质子导体材料可分为无机质子导体^[10]和有机聚合物质子导体两大类. 无机质子导体大部分是水合氧化物,在不同温度范围内它们各自具备作为固体电解质的特点.在低温或中温条件下,质子导体主要是固体酸和经过质子交换的β-Al₂0₃体系,在高温下主要具有钙钛矿结构的氧化物材料(如掺杂型的SrCeO₃、BaCeO₃等).依据是否含有氢键,可分为(a)具有氮健的质子导体,如一些具有隔离的氢键（H₃B0₃、KHF₂等),断裂的氢键(NH₄Cl、(NH₄)SO₄等);(b)没有氢键的质子导体,如一些氧化物:Y₂O₃、Cu₂O、CuO、ThO₂等和SrCeO₃、BaCeO₃等钙钛矿型材料。不过，目前还在研究一些新型质子导体。如，褐钇铌矿型质子导体铌酸镧（LaNbO₄）、烧绿石结构质子导体锆酸镧（La₂Zr₂O₇）、萤石型结构质子导体铈酸镧（CeO₂）等^[11]。有机聚合物质子导体是目前聚合物电解质的主要材料之一, 作为新的能量转换设施,PEMFC因其在汽车、便携式能源上的潜在用途利用前景而受到了广泛关注。如应用广泛的质子交换膜燃料电池的Nafion膜^[12]。