薄膜燃料电池系统

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将化学能直接转化成电能的全固态电化学发电装置，具有环境友好、能量转换效率高和燃料适应广泛等优点，是21世纪各国竞相发展的一种新型绿色能源。SOFC工作时阳极和阴极的损失较小，极化损失主要集中在电解质的内阻上。为提高燃料电池的电流密度和输出功率密度，应尽量降低电解质材料的厚度。减少电池内阻的最有效途径之一就是在结构上将电解质制成薄膜。因此人们相继开发一些制备电解质薄膜的方法，如电化学气相沉积法、等离子体喷涂法、喷雾热解法和溶胶一凝胶法等，这些方法或者由于制备成本高、或者由于设备复杂，不适于大规模制各电解质薄膜而在应用上受到限制。因此简化电解质薄膜的制备工艺、降低SOFC的制作成本是国际上一种发展趋势。

燃料电池概念燃料电池是由阴极、阳极和夹在二者之间的电解质构成的电化学发电装置。当氧化性气体（如氧气）输送到阴极、还原性的燃料气体输送到阳极且外电路连通时，燃料会在阳极发生电化学氧化，释放的电子经由外电路到达阴极，在阴极使氧化性气体还原，电化学反应释放的化学能会直接转变成电能。

燃料电池与其它类型的电池有明显的不同，它是能量的直接转化装置，不是一般意义的电池。由于燃料电池发电时能量是直接从化学能向电能转化的，省却了以往化学能一热能一机械功一电能的过程，从根本上摆脱了卡诺循环的效率限制，因此具有更高的效率。另外，燃料电池的燃料是气体，工作时无粉尘排放，有害气体的排放也相当低，完全可以满足环保要求。发电过程中无机械噪声污染，总之，燃料电池是一种高效、无污染、环境友好的清洁绿色发电装置。

根据所使用电解质性质的不同，燃料电池通常分为五大类，即碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。1

固体电解质成膜技术尽管高温燃料电池技术已取得了很大的进步，但是，在各组件的性能、制造费用、使用寿命等方面还存在许多问题。这些问题及缺点在相当大的程度上制约了SOFC的发展。目前存在的问题主要有：

（1）传统的SOFC工作温度太高，材料昂贵，电池密封难；

（2）传统的固体电解质YSZ的离子导电率在中温范围内较低；

（3）高温下电极与电解质反应而使电池性能下降；

（4）对电池各部件的热稳定性、高温强度、电子导电率、热膨胀匹配、化学稳定性等要求较高，材料选用受到限制。

当SOFC的工作温度降至600~800度，不仅能提高电极的稳定性，选用较廉价的材料，降低电池对材料的依赖及成本，减小热应力，提高电池稳定性，延长电池寿命，真正使燃料电池走向商业化。

实现SOFC中温化有以下三个途径：①电池元件的薄膜化：②选用适于在中低温条件下工作的电解质：③降低电极过电位。目前，在现有材料体系基础上降低SOFC工作温度的主要途径是使电池元件薄膜化，其中的关键是使YSZ电解质的薄膜化，如何制各性能合适的YSZ薄膜是人们研究的热点和难点。。

对于电解质的厚度，理论上讲是厚度越小，电解质电阻越小，电池功率密度越大。但实际上，考虑到电解质致密度、热匹配和化学稳定性，电解质薄膜应具有一定的厚度。

制各YSZ薄膜的方法很多，主要有化学方法、物理方法和陶瓷成型方法三大类。

1、化学方法

化学方法主要包括化学气相沉积，电化学气相沉积，溶胶一凝胶法，喷雾热解法等。

化学气相沉积是利用气态物质在固体表面发生化学反应生成固态沉积物的方法。其过程如下：反应气体输运到基底表面，被基底表面吸收，发生化学反应形成固态产物。

CVD方法被广泛用于微电子器件的制作，其优点是便于制备各种单质或化合物材料及各种复合材料的薄膜，制得的薄膜纯度较高、致密性较好。CVD方法特别适于在其他方法难以沉积的位置上沉积薄膜。

CVD方法的缺点是反应温度较高，反应过程中存在腐蚀性气体（如卤素化合物），沉积率相对较低。EVD方法是CVD方法的一种改进形式，它以电化学势能梯度作为生长的驱动力，在多孔衬底上生长离子电导或电子电导的致密性薄膜。其优点是所得的膜厚薄均匀，适用于制作SOFC中各种厚度的膜：缺点是反应温度较高，有腐蚀性气体存在，沉积率较低，并且设备成本高。

2、物理方法

物理方法主要包括物理气相沉积技术、喷涂技术等。

物理气相沉积是多种溅射技术的通称。该法是利用高能粒子撞击固体表面，在与固体表面的原子或分子进行能量交换后，从固体表面飞出沉积到基片表面形成薄膜的方法。它包括射频溅射、直流反应磁控溅射、粒子束增强沉积等。溅射沉积具有工艺温度较低，沉积速度快，与基底附着性好，薄膜组织致密，易控制等优点，但是由于使用真空系统，造价较高。

喷涂技术是将涂覆材料加热到气态，并以较高的速率喷射到样品表面形成薄膜。依据材料和所需的涂层性质的不同，喷涂技术可分为火焰喷涂，空气等离子体喷涂，低压等离子体喷涂，爆炸火焰喷涂，电弧喷涂，以及高速氧燃料喷涂等。1

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学