本文将继续为大家介绍《SOFC：50年后的固体氧化物电池（SOC）技术的发展前景》，点击链接☞ 《发展前景（1）》即可回顾前文内容。
4.2 SOFC材料开发的趋势及展望
迄今为止，SOFC领域已经对基础技术进行了大量研究，尤其是材料研究和开发。其中，关于阐明劣化机制和提高耐久性方面，通过基础研究的成果提高了耐久性，实现了当前家庭用和商用・工业用SOFC型燃料电池的实用化。本节将介绍尖端基础研究的一部分，以及今后将研究开发的项目等。
（1）固体电解质的探索和工作温度
为了实现上一节介绍的高性能，需要在工作温度下具有足够离子导电性的固体电解质。即，需要工作温度下拥有足够离子电导率（～0.01Scm-1以上（100Ωcm以下））和足够强度的电解质。传统SOFC用电解质的工作温度在700℃以上3）。工作温度高，具有发电热量可用于碳氢燃料的内部重整，CO也可直接用于氧化的优点；另一方面，高温下需要昂贵的耐热部件，同时增加了操作难度，因此要求低温化4）。
最近的技术开发和研究包括：
1）在700℃左右运行的传统陶瓷单电池的高性能化
2）在600℃以下运行的金属支撑型单电池・质子传导单电池的开发
3）处于研究阶段400℃以下工作的新型电解质单电池的开发
当前碳氢基SOFC的系统效率已经实现近60%（LHV），在保持高温的同时将效率提高到70%以上也是开发的方向。若不使用碳氢燃料重整氢气，而使用纯氢燃料，则可以使用更便宜的金属零部件，实现可以快速启动的SOFC系统。另外，若使用纯氢燃料，从热力学角度出发，低温化效率更高。因此，正在探讨将工作温度扩展到约500℃以下5）。50年后，或许将开发出即使在中低温下也具有高性能的SOFC。在急速启动、负荷变动、频繁启停的系统中，需要SOFC的大幅低温化。此过程中的关键是固体电解质的创新。
表1是迄今为止探讨过的固体电解质的一览表3）-14），图5显示了代表物质的电导率的温度依赖性。由于离子受热后在固体中跳跃传导，因此随着温度的升高，离子迁移率增加。当前，通过氧化物离子（O2-）传导的氧化锆（ZrO2）体系电解质是主流。迄今为止研究的02-导电材料包括CeO2系，LaGaO3体系，Bi2O3体系，BaIn03体系以及La-Si-0磷灰石体系。此外，还有以传导质子（H+）为主的氧化物（BaZr03/SrCe03体系，ScH2P04体系）和玻璃体系等。
SOFC中使用的固体电解质需要符合以下要求：
1）用于离子传导的载流子浓度高（氧化物离子的情况下，氧空位为几mol％至20mol％），伴随传导，离子的迁移率增加
2）在300℃以上的高温的氧化/还原气氛中化学性质稳定
3）具有一定的机械强度等
离子电导率是载流子浓度和迁移率的乘积，因此关键在于增大两者的数值。在实际应用中，0.01Scm-1被认为是最低电导率。在YSZ体系中，正在进行薄膜化开发以实现低温化。到目前为止，采用湿法烧结工艺已经能够将厚度降至约1微米。通过采用PLD、溅射方法等物理成膜工艺，可以将厚度降至纳米级，将有可能采用半导体工艺等精细加工技术制作SOFC（有尝试在Si晶片上制作单电池膜）。除了YSZ电解质之外，Ce02体系和LSGM体系也被广泛研究。虽然Celes Power公司的Cell采用Ce02体系，但为了抑制在还原气氛中的电子泄露（由于生成Ce3+），使用了YSZ的防护薄层。部分电堆制造商使用了LSGM进行开发。O2-导电型电解质具有1eV左右的高活化能，并且其电导率随温度降低而显着降低。
表1 适用于SOFC的候选固体电解质材料
另一方面，H+导电型电解质由于活化能小，所以温度依赖性小，即使在低温下也显示出较大的电导率。在600℃以下，显示出比YSZ系统等更高的电导率。BaCe0.8Y0.2O3等在600℃下具有0.03Scm-1左右的离子电导率，比氧化物离子导体高，因此有望作为工作温度为600℃以下的下一代SOFC的电解质。
在需要急速启动且频繁启停、负荷变动的用途（EV增程器、可再生能源补充、数据中心电源等）中，需要在中等温度范围内工作且启动能量小的SOFC，除减小YSZ体系SOFC的厚度之外，采用质子传导也被认为是有效手段。可利用的电解质包括BaZrO3体系10），CsH2PO4体系11）12）以及玻璃磷酸盐体系13）14）等，但是关键仍然是电解质的薄膜化、化学反应性·界面强度的稳定性、机械强度的保持、轻量化等。
这些所需性能的实现与否是判断中温SOFC能否实现的基准。不论怎样，在电解质的电阻和欧姆损失方面，期望面积电阻在0.01Ωcm2以下，同时必须提高电导率并且减小厚度。期待50年后能开发出高性能的电解质。
图5到目前为止研究的主要固体电解质的温度依赖性
（2）空气极/电解质界面处电极反应速度的提高
除了电解质的工作温度低温化、电导率提高之外，电极材料的开发同样重要。在700℃以上工作的普通SOFC中，空气极的过电压也是最大的。活化能大的空气极反应（氧的还原反应）中，随着工作温度的下降，固体电极表面上氧分子的有效吸附、解离以及电离的速率降低。
在固体化学的缺陷平衡式中，常使用Kröger-Vink等符号，下式为表示气体状的氧分子在固体表面吸附、解离和电离现象的简化电离公式（ad为吸附的原子状态的氧）：
O2(g)→2Oad+4e-→2O2-(固体内） （1)
表面氧交换反应速率常数（k）是表示上述反应在固体电极触媒表面发生，氧吸附到固体中的性能的指标之一。在表面反应速率决定电极反应的情况下，该k值有时也与决定电极反应速率的交换电流密度同义。
表2和图6展示了各种空气电极候选材料的k值与温度的关系15）-20）。（Ba，Sr）（Co，Fe）O3体系被认为是目前发现的空气电极材料中具有高k值的材料，700℃时的k值为l0-5cms-1以上18）。作为促进氧气吸收和交换反应的主要原因和机制，有观点指出在ABO3氧化物材料表面的过渡金属d电子和氧的2p电子之间的关联以及表面附近的特殊电子状态变化等的干预下，氧吸附量增加，并生成氧离子。除了阐明这些机制外，利用发射光进行电子状态观测以及使用同位素的新评估方法的开发等对于分析也很重要19、20）。在以低温化SOFC为目标的同时，需要在阐明以上机制的基础上开发出促进氧吸附解离以及电离速度的电极。为了进一步表面氧交换反应，在学术层面上，除了传统的氧化物钙钛矿体系之外，还在探讨与Rudelsen-Popper型La2NiO4体系等214相的接触界面21、22）、以纳米颗粒覆盖骨架粒子的特殊结构（infiltration）23、24）、由纳米柱状粒子产生失真的方法（Vertically Aligned Nano-Structure，VAN结构等）25）-28）等。
表2 SOFC空气电极处的氧交换反应速率常数
图6 电极表面上的氧溶解/交换反应的示意图（a）和候选空气电极材料（b）的氧交换反应速率常数（k）的温度依赖性
图7是由脉冲激光沉积（PLD）法制成的纳米柱状粒子电极的微观结构和氧电离的示意图