高純納米氧化鋯（二氧化鋯）在新能源固態(tài)燃料電池的正極材料添加劑的應用

高純納米氧化鋯（二氧化鋯）在新能源固態(tài)燃料電池的正極材料添加劑的應用。

固體氧化物燃料電池（SOLIDOXIDE FUELCELL SOFC）作為一種高效清潔的新型能源，越來越收到人們的青睞和重視，固態(tài)氧化物燃料電池具有結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、加工方面，能量轉(zhuǎn)換率高，適用于汽車工業(yè)、大型發(fā)電站和其他工而已應用，如航空、軍事、交通等。

固態(tài)燃料電池主要由三部分組成，分別是陽極、陰極和電解質(zhì)。陽極和陰極是多孔材料，電解質(zhì)為致密的固體結(jié)構(gòu)陶瓷，其中陽極提供燃料氧化的場所，陰極是還原氧化的場所，電解質(zhì)是傳到氧離子并隔離電子誤導。

在中低溫固體燃料電池的開發(fā)中，大多集中在新型電解質(zhì)材料的研究上，但作為吸附傳說反應氣體，提供反應場所的點擊，隨著固體燃料電池技術(shù)的更迭發(fā)展，也同樣提出了更高的要求。

通常SOFC陽極材料需要滿足以下要求：

（1）提供燃料電化學氧化反應的場所，具有良好的催化活性和高的電子導電率，使電子能夠順利傳到外電路而產(chǎn)生電流；

（2）具有良好的化學和熱穩(wěn)定性，與其接觸的材料具有良好的化學兼容性及熱膨脹的匹配性；

（3）具有合適的孔隙率，使燃料氣能擴散到陽極參與電化學反應，并同時將反應產(chǎn)生的氣體和副產(chǎn)物帶走。

在SOFC陽極材料的研究中，Ni、Pt、Co、Ti等金屬材料都曾被用來作為固體氧化物燃料電池的陽極使用，而鎳基陽極是研究最多和應用最廣泛的陽極，相對于其他陽極材料來說，鎳基陽極具有價格相對便宜，來源廣泛，技術(shù)相對成熟等顯著的優(yōu)點。

但實際應用中，純金屬陽極往往會有一定的缺陷。

其一是熱膨脹系數(shù)不匹配。純金屬材料往往與電解質(zhì)的熱膨脹系數(shù)相差甚遠，而SOFC往往需要在較高的溫度下運行，長時間在高溫下運行更容易造成陽極材料與電解質(zhì)材料之間產(chǎn)生較大的熱應力。

其二是陽極與電解質(zhì)之間電阻大。固體氧化物燃料電池為全固體結(jié)構(gòu)，不同材料間的潤滑變得相對困難，而經(jīng)過長期使用的冷熱循環(huán)之后，金屬材料與電解質(zhì)之間更容易由于熱應力而產(chǎn)生脫離和破裂，使陽極與電解質(zhì)之間的電阻急速增大，會嚴重的影響固體氧化物燃料電池的性能。

其三是反應氣體擴散有限。陽極的反應位置僅僅局限于陽極和電解質(zhì)的接觸面的話會使氣體的擴散受到限制，產(chǎn)生過高的電位，這種效應在低溫或者大的電流密度下會更加明顯。

為了彌補純金屬材料的這種缺點，往往需要把金屬以某種氧化物陶瓷做為基體彌散開來，考慮到綜合成本等問題，目前應用最多的材料即為Ni/YSZ（釔穩(wěn)定氧化鋯）復合陽極基體。Ni相提供電子電導，同時催化碳氫類燃料的直接氧化和重整反應；YSZ相提供離子電導，其三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為整個陽極或電池的結(jié)構(gòu)支撐單。

在SOFC陽極材料的研究中，Ni、Pt、Co、Ti等金屬材料都曾被用來作為固體氧化物燃料電池的陽極使用，而鎳基陽極是研究最多和應用最廣泛的陽極，相對于其他陽極材料來說，鎳基陽極具有價格相對便宜，來源廣泛，技術(shù)相對成熟等顯著的優(yōu)點。

但實際應用中，純金屬陽極往往會有一定的缺陷。

其一是熱膨脹系數(shù)不匹配。純金屬材料往往與電解質(zhì)的熱膨脹系數(shù)相差甚遠，而SOFC往往需要在較高的溫度下運行，長時間在高溫下運行更容易造成陽極材料與電解質(zhì)材料之間產(chǎn)生較大的熱應力。

其二是陽極與電解質(zhì)之間電阻大。固體氧化物燃料電池為全固體結(jié)構(gòu)，不同材料間的潤滑變得相對困難，而經(jīng)過長期使用的冷熱循環(huán)之后，金屬材料與電解質(zhì)之間更容易由于熱應力而產(chǎn)生脫離和破裂，使陽極與電解質(zhì)之間的電阻急速增大，會嚴重的影響固體氧化物燃料電池的性能。

其三是反應氣體擴散有限。陽極的反應位置僅僅局限于陽極和電解質(zhì)的接觸面的話會使氣體的擴散受到限制，產(chǎn)生過高的電位，這種效應在低溫或者大的電流密度下會更加明顯。

為了彌補純金屬材料的這種缺點，往往需要把金屬以某種氧化物陶瓷做為基體彌散開來，考慮到綜合成本等問題，目前應用最多的材料即為Ni/YSZ（釔穩(wěn)定氧化鋯）復合陽極基體。Ni相提供電子電導，同時催化碳氫類燃料的直接氧化和重整反應；YSZ相提供離子電導，其三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為整個陽極或電池的結(jié)構(gòu)支撐單元。

不同陽極微觀形貌示意圖

A、微米Ni/YSZ陽極     B、納米Ni/YSZ 陽極

這種金屬陶瓷陽極由于YSZ的引入提升了陽極的離子導電性，從而拓寬了陽極的三相邊界(TPB)，即電子、氧離子導體與氣體的接觸點，提高了陽極性能。同時，YSZ作為陽極骨架很大程度抑制Ni燒結(jié)，因為NiO和YSZ在高溫下也不會發(fā)生反應形成固溶體，二者可以燒結(jié)形成NiO-YSZ復合材料，并被還原成具有一定孔隙的Ni-YSZ金屬陶瓷，從而確保陽極有足夠孔隙率。另外由于加入了YSZ，與常用的YSZ電解質(zhì)之間的接觸界面得到改善，通過調(diào)控Ni和 YSZ比例可以使陽極與電解質(zhì)熱匹配性差的問題得到解決。

Ni-YSZ支撐的SOFC單電池制備工藝流程圖

因此氧化鋯粉體不光可燒結(jié)為陶瓷制成固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)，在電極材料的制備中也有著相當關(guān)鍵的作用。對于SOFC的產(chǎn)業(yè)化，高性能氧化鋯粉體的制備工藝無疑決定著Ni-YSZ復合電極及固體電解質(zhì)的性能，從而影響電池的性能表現(xiàn)。