固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種將化學能直接轉化成電能的全固態電化學發電裝置，具有環境友好、能量轉換效率高和燃料適應廣泛等優點，是21世紀各國競相發展的一種新型綠色能源。SOFC工作時陽極和陰極的損失較小，極化損失主要集中在電解質的內阻上。為提高燃料電池的電流密度和輸出功率密度，應儘量降低電解質材料的厚度。減少電池內阻的最有效途徑之一就是在結構上將電解質製成薄膜。因此人們相繼開發一些製備電解質薄膜的方法，如電化學氣相沉積法、電漿噴塗法、噴霧熱解法和溶膠一凝膠法等，這些方法或者由於製備成本高、或者由於設備複雜，不適於大規模製各電解質薄膜而在套用上受到限制。因此簡化電解質薄膜的製備工藝、降低SOFC的製作成本是國際上一種發展趨勢。
基本介紹
- 中文名：薄膜燃料電池系統
- 基礎：固體氧化物燃料電池
- 新方向：在結構上將電解質製成薄膜
- 方法：電化學氣相沉積法等
- 領域：電池能源
燃料電池概念,固體電解質成膜技術,
燃料電池概念
燃料電池是由陰極、陽極和夾在二者之間的電解質構成的電化學發電裝置。當氧化性氣體（如氧氣）輸送到陰極、還原性的燃料氣體輸送到陽極且外電路連通時，燃料會在陽極發生電化學氧化，釋放的電子經由外電路到達陰極，在陰極使氧化性氣體還原，電化學反應釋放的化學能會直接轉變成電能。
燃料電池與其它類型的電池有明顯的不同，它是能量的直接轉化裝置，不是一般意義的電池。由於燃料電池發電時能量是直接從化學能向電能轉化的，省卻了以往化學能一熱能一機械功一電能的過程，從根本上擺脫了卡諾循環的效率限制，因此具有更高的效率。另外，燃料電池的燃料是氣體，工作時無粉塵排放，有害氣體的排放也相當低，完全可以滿足環保要求。發電過程中無機械噪聲污染，總之，燃料電池是一種高效、無污染、環境友好的清潔綠色發電裝置。
根據所使用電解質性質的不同，燃料電池通常分為五大類，即鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池。
固體電解質成膜技術
儘管高溫燃料電池技術已取得了很大的進步，但是，在各組件的性能、製造費用、使用壽命等方面還存在許多問題。這些問題及缺點在相當大的程度上制約了SOFC的發展。存在的問題主要有：
（1）傳統的SOFC工作溫度太高，材料昂貴，電池密封難；
（2）傳統的固體電解質YSZ的離子導電率在中溫範圍內較低；
（3）高溫下電極與電解質反應而使電池性能下降；
（4）對電池各部件的熱穩定性、高溫強度、電子導電率、熱膨脹匹配、化學穩定性等要求較高，材料選用受到限制。
當SOFC的工作溫度降至600~800度，不僅能提高電極的穩定性，選用較廉價的材料，降低電池對材料的依賴及成本，減小熱應力，提高電池穩定性，延長電池壽命，真正使燃料電池走向商業化。
實現SOFC中溫化有以下三個途徑：①電池元件的薄膜化：②選用適於在中低溫條件下工作的電解質：③降低電極過電位。在現有材料體系基礎上降低SOFC工作溫度的主要途徑是使電池元件薄膜化，其中的關鍵是使YSZ電解質的薄膜化，如何制各性能合適的YSZ薄膜是人們研究的熱點和難點。。
對於電解質的厚度，理論上講是厚度越小，電解質電阻越小，電池功率密度越大。但實際上，考慮到電解質緻密度、熱匹配和化學穩定性，電解質薄膜應具有一定的厚度。
制各YSZ薄膜的方法很多，主要有化學方法、物理方法和陶瓷成型方法三大類。
1、化學方法
化學方法主要包括化學氣相沉積，電化學氣相沉積，溶膠一凝膠法，噴霧熱解法等。
化學氣相沉積是利用氣態物質在固體表面發生化學反應生成固態沉積物的方法。其過程如下：反應氣體輸運到基底表面，被基底表面吸收，發生化學反應形成固態產物。
CVD方法被廣泛用於微電子器件的製作，其優點是便於製備各種單質或化合物材料及各種複合材料的薄膜，製得的薄膜純度較高、緻密性較好。CVD方法特別適於在其他方法難以沉積的位置上沉積薄膜。
CVD方法的缺點是反應溫度較高，反應過程中存在腐蝕性氣體（如鹵素化合物），沉積率相對較低。EVD方法是CVD方法的一種改進形式，它以電化學勢能梯度作為生長的驅動力，在多孔襯底上生長離子電導或電子電導的緻密性薄膜。其優點是所得的膜厚薄均勻，適用於製作SOFC中各種厚度的膜：缺點是反應溫度較高，有腐蝕性氣體存在，沉積率較低，並且設備成本高。
2、物理方法
物理方法主要包括物理氣相沉積技術、噴塗技術等。
物理氣相沉積是多種濺射技術的通稱。該法是利用高能粒子撞擊固體表面，在與固體表面的原子或分子進行能量交換後，從固體表面飛出沉積到基片表面形成薄膜的方法。它包括射頻濺射、直流反應磁控濺射、粒子束增強沉積等。濺射沉積具有工藝溫度較低，沉積速度快，與基底附著性好，薄膜組織緻密，易控制等優點，但是由於使用真空系統，造價較高。
噴塗技術是將塗覆材料加熱到氣態，並以較高的速率噴射到樣品表面形成薄膜。依據材料和所需的塗層性質的不同，噴塗技術可分為火焰噴塗，空氣電漿噴塗，低壓電漿噴塗，爆炸火焰噴塗，電弧噴塗，以及高速氧燃料噴塗等。
