燃料电池－原理·技术·应用/衣宝廉 著. 化学工业出版社,2003,7 电流密度i=I/A,即单位电极面积上的电化学反应速度。 电池的电压V=Es-ηa-ηc-ηΩ；式中ηa为阳极极化，ηc为阴极极化，ηΩ为欧姆极化，主要由将阴极与阳极分开的电解质离子导电电阻引起。
在高电流密度下，浓差极化不能忽略。
电极立体化：向电催化层内加入离子导体的技术既稳定了反应区（三相界面），又确保了在电极催化层内均可实现电化学反应。即实现电极的立体化。
钙钛矿型（perovskites）氧化物：通式为RMO3，R代表碱土金属，M代表过渡金属。RMO3既有电子导电性，又具有离子导电性。它的离子传导性源于晶格中的氧空位，氧空位浓度与掺杂浓度和氧分压有关。SOFC电池传导离子为O2-，又由于RMO3具有较好的电子导电性和一定的催化氧电化学还原能力，所以它成为研制SOFC电池氧的还原电催化剂的重点并取得成功。至今锶掺杂的亚锰酸镧（LSM）La1-xSrxMnO3(一般x＝0.1－0.3)是首选的SOFC电池氧还原电催化剂（阴极电催化剂）。
电解质越薄，电池内阻越小，欧姆极化越小，提高电池性能。而且可以降低SOFC工作温度，缓解平板型SOFC密封与双极板材料选择等技术难题。但越薄对电池的支撑强度不够。SOFC电解质分为两类：一类为萤石结构的固体氧化物电解质，如氧化钇（Y2O3）和氧化钙（CaO）等掺杂的氧化锆（ZrO2）、氧化钍（ThO2）、氧化铈（CeO2）、
三氧化二铋（Bi2O3）等。另一类就是近年来研究取得突破的钙钛矿结构（ABO3）的固体氧化物电解质，如锶镁掺杂的镓酸镧（LaGaO3）。
目前大多数SOFC均以摩尔分数为6%~10%的氧化钇（Y2O3）掺杂的氧化锆（ZrO2）为固体电解质。氧化钇（Y2O3）等异价氧化物的引入可以使立方萤石结构在室温到熔点的整个温度范围内保持结构的稳定，同时能在氧化锆晶格内形成大量的氧离子空位，以保持材料整体的电中性。每加入两个3价离子，就可以产生一个氧离子空位。掺入能够使氧化锆稳定于萤石结构的最少数量杂原子，可获得最大的离子电导。摩尔分数为6%~10%的Y2O3掺杂的氧化锆（YSZ）是目前在固体氧化物燃料电池中广泛应用的电解质材料，它在950℃时的电导率约为0.1S/cm。
平板型SOFC的空气电极/YSZ固体电解质/燃料电极烧结成一体，组成“三合一”结构（positive electrolyte negative plate，PEN）。PEN间用开设导气沟槽的双极板连接，使之相互串联构成电池组，空气和燃料气体在PEN的两侧交替流过。平板型SOFC的优点是PEN制备工艺简单，造价低。由于电流收集均匀，流经路径短，致使平板型电池的输出功率密度也较管式高。平板型SOFC的主要缺点是密封困难、抗热循环性能差及难以组装成大功率电池组。但是，当SOFC的操作温度降低到600～800℃后，可以在很大程度上扩展电池材料的选择范围、提高电池运行的稳定性和可靠性，降低电池系统的制造和运行成本。所以，今年来研究与开发的中温SOFC大都采用平板型结构
SOFC对电解质材料的具体要求如下：
（1）稳定性 在SOFC操作温度下，氧化性气氛和还原性气氛中电解质必须具有足够的化学稳定性、形貌稳定性和尺寸稳定性。 （2）电导率 电解质必须在氧化性气氛和还原气氛中均具有足够高的离子电导率，且氧离子传递系数接近于1。此外，电解质材料的电导率还必须能够在足够长的时间内保持稳定。
（3）相容性 电解质材料必须与其他电池组件（如电极等）具有良好的化学相容性。与各种电池材料间不仅要在操作温度下相容，同时也要在电池组件烧制温度下保持化学相容性。
（4）热膨胀系数 电解质的热膨胀系数必须与其他电池材料在室温至操作温度的范围内相匹配。
（5）致密性 电解质材料必须易于制备致命的薄膜，以有效地隔离燃料与氧化剂（空气或氧气）。
此外，SOFC电解质材料还应具有高强度、高韧性、易加工、低成本等特点。
目前，研究最深入、使用最广泛的电解质材料是具有立方萤石结构的Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）。由于YSZ的电导率较低，要获得有商业意义的输出功率密度，以YSZ为电解质的SOFC要在很高的温度（900～1000℃）下工作。过高的操作温度会引起电极/电解质、电极/双极板、双极板/电解质间的相互作用，降低电池的稳定性。要降低SOFC的操作温度，通常采用两种途径：制备厚度为10μm左右的阳极或阴极负载型YSZ薄膜，以降低电池的内阻；研制在中温下
具有更高氧离子电导率的新型电解质材料，替代传统的电解质材料YSZ。采用阳极或阴极负载的厚度为5～10μm的YSZ隔膜作电解质，SOFC在600～800℃的温度范围内可以获得很高的输出功率密度。到那时，随着温度的近一步降低，YSZ隔膜产生的IR降会迅速增大，使电池的输出性能降低。
钙钛矿结构新型电解质材料Sr、Mg掺杂的LaGaO3（LSGM）是日本学者石原达己于1993年发现的一种新型快离子导体。由于高材料在中温下具有高离子电导率、高离子传递系数及在还原气氛中不易被还原等特点，因而日益收到SOFC研究与开发者的重视。以LSGM为电解质的SOFC的燃料利用率可以和以YSZ作电解质的SOFC相比拟，且其产生最高效率的温度低于以YSZ作电解质的SOFC。
高粒度（大比表面积）、窄粒度分布（即粒径绝大部分相等）的球形颗粒有很高的烧结活性，并能获得很高的压实度，因此可以提高在较低温度下YSZ薄膜的烧结致密度。用纳米粒度粉末制成生坯密度达到50％的理论密度，并在1125℃烧结后可以达到95％的理论密度。微波烧结被证明同样可以降低YSZ的致密化烧结温度和缩短烧结时间。在SOFC研究与开发中，普遍采用的从粉体制备致密YSZ薄膜的方法有流延法和轧膜法。
在SOFC的操作温度范围内，YSZ不与其他电池材料[如Sr搀杂的LaMnO3（LSM）阴极、Ni－YSZ金属陶瓷阳极及LaCrO3连接材料]
发生化学反应。在高温（>1100℃）下，YSZ与LSM发生反应，在界面处生成不导电相La2Zr2O7。必须将这种反应降低至最低，以免由此造成电池性能的下降。
未搀杂的ZrO2在20℃～1180℃温度范围内的热膨胀系数为8.12×10－6cm/(cm·K)。搀杂的ZrO2通常具有较高的热膨胀系数。通过改变搀杂元素种类及搀杂比例或在阴极材料中搀入一定量的YSZ可以调变电极材料的热膨胀系数，使之与电解质相匹配。对Ni-YSZ金属陶瓷阳极，其热膨胀系数可以通过改变电解质的搀入量或加入添加剂来调整。
YSZ机械性能随制膜前驱体粉性质及制备方法、制备条件的不同而有较大的差异。特别是YSZ粉料的颗粒度、粒度分布、团聚程度等对制备的YSZ薄膜的机械强度等有较大的影响。用团聚程度大、团聚强度高的YSZ粉制备的电解质膜缺陷较多，机械强度较低。用轧膜法制备的YSZ薄膜机械性能较高，其平均强度较流延法制备的电解质高约15％。
在SOFC的研究与开发过程中，迫切需要提高电解质材料的强度和韧性，以利于电池组的组装和提高电池组运行的可靠性。YSZ增强增韧的方法其中采用最多的方法实在YSZ中搀入一种或几种其他氧化物。搀入部分稳定的ZrO2超细粉、Al2O3和MgO等均可提高YSZ的强度和韧性，且不使材料的电导率下降过大。如在YSZ中搀入30％
的部分稳定的ZrO2形成的复合材料断裂韧性达到2.95MPa·m1/2，比在相同条件下制备的YSZ高200％。
除了Y2O3外，ZrO2还可以和多种稀土氧化物形成固溶体。这些电解质材料中，Sc2O3稳定的ZrO2具有最高的氧离子电导率，其在1000℃的电导率达到0.25Ω－1·cm－1；Yb2O3稳定的ZrO2的电导率也较YSZ高。但Sc2O3稳定的ZrO2存在烧结致密化温度高、原材料价格过高等问题，
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