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固体氧化物燃料电池用锆基电解质材料研究概述

来源期刊：稀有金属2017年第4期

论文作者：徐宏赵娜白小波薛倩楠张建星黄小卫

文章页码：437 - 444

关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC);电解质;稀土;锆基氧化物;

摘要：固体氧化物燃料电池是一种不受卡诺循环限制、将化学能直接转化为电能的新型发电装置。其具有高效率、环境友好、全固态结构等特点,并且适用于多种燃料气体,因此成为近年来人们关注的焦点。电解质则是整个固体氧化物燃料电池的核心部件,直接决定了固体氧化物燃料电池的工作温度区间和输出特性,甚至连接材料和电极材料也受制于电解质。其中,由于锆基电解质几乎满足固体氧化物燃料电池对电解质物理、化学、电学和机械性能的所有要求,因此成为固体氧化物燃料电池电解质材料研究中应用最多的材料。本文首先介绍了固体氧化物燃料电池的结构及工作原理,系统阐述了锆基电解质材料的晶相结构、离子导电原理,并重点分析了Y₂O₃稳定ZrO₂,Sc₂O₃稳定ZrO₂电解质材料和其他锆基电解质材料的研究现状。最后,本文对常用锆基电解质成型工艺方法进行了总结分析。随着中温固体氧化物燃料电池技术的逐渐成熟及其商业化发展的稳步推进,锆基电解质材料必将在21世纪绿色能源技术中发挥其不可替代的作用。

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网络首发时间: 2016-11-10 08:29

稀有金属 2017,41(04),437-444 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy15113001

固体氧化物燃料电池用锆基电解质材料研究概述

徐宏赵娜张赫薛倩楠张建星黄小卫

北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心有研稀土新材料股份有限公司

摘要：

固体氧化物燃料电池是一种不受卡诺循环限制、将化学能直接转化为电能的新型发电装置。其具有高效率、环境友好、全固态结构等特点, 并且适用于多种燃料气体, 因此成为近年来人们关注的焦点。电解质则是整个固体氧化物燃料电池的核心部件, 直接决定了固体氧化物燃料电池的工作温度区间和输出特性, 甚至连接材料和电极材料也受制于电解质。其中, 由于锆基电解质几乎满足固体氧化物燃料电池对电解质物理、化学、电学和机械性能的所有要求, 因此成为固体氧化物燃料电池电解质材料研究中应用最多的材料。本文首先介绍了固体氧化物燃料电池的结构及工作原理, 系统阐述了锆基电解质材料的晶相结构、离子导电原理, 并重点分析了Y₂O₃稳定ZrO₂, Sc₂O₃稳定ZrO₂电解质材料和其他锆基电解质材料的研究现状。最后, 本文对常用锆基电解质成型工艺方法进行了总结分析。随着中温固体氧化物燃料电池技术的逐渐成熟及其商业化发展的稳步推进, 锆基电解质材料必将在21世纪绿色能源技术中发挥其不可替代的作用。

关键词：

固体氧化物燃料电池 (SOFC) ;电解质;稀土;锆基氧化物;

中图分类号： TM911.4

作者简介：徐宏 (1985-) , 男, 山东人, 博士, 研究方向:稀土复合材料, E-mial:xuh1021@126.com;;赵娜, 高级工程师, 010-82241180, E-mail:gps9999@126.com;

收稿日期：2015-12-04

基金：国家科技部科技支撑项目 (2012BAB10B11) 资助;

Research Progress in Zirconium-Based Electrolyte Applied in Solid Oxide Fuel Cell

Xu Hong Zhao Na Zhang He Xue Qiannan Zhang Jianxing Huang Xiaowei

Grirem Advanced Materials Co., Ltd., National Engineering Research Center for Rare Earth Materials, Beijing General Research Institute for Nonferrous Metals

Abstract：

Solid oxide fuel cell is a new type of energy conversion device that can overcome Carnot cycle and produce electricity power from chemical energy. It attracts much attention for its high efficiency, environment friendliness, all solid-state structure and adaptability on variety of fuel gas. The electrolyte is the core components of entire solid oxide fuel cell, which directly determines the operating temperature range and output characteristics of the solid oxide fuel cell, and even the connecting material and the electrode material are also subjected to the electrolyte. Zirconium-based electrolyte is the most common solid electrolyte used for solid oxide fuel cells, because of its good physical, chemical, electrical and mechanical stability. The structure and working principle of solid oxide fuel cell were described, and the crystal structures, ionic conductivity principle of zirconium-based electrolyte material were systematically explained. Meanwhile, the current research situation of Y₂O₃ stabilized ZrO₂, Sc₂O₃ stabilized ZrO₂, and other types of zirconium-based electrolyte materials were analyzed. Finally, the zirconium-based electrolyte molding methods were summarized and analyzed. With the maturity of middle temperature solid oxide fuel cell technology and the steady commercial development, zirconium-based electrolyte material would play an irreplaceable role in the 21 st century green energy technologies.

Keyword：

solid oxide fuel cell (SOFC) ; electrolyte; rare earth; zirconium-based oxide;

Received： 2015-12-04

煤炭、石油、天然气等含碳化合物被统称为碳基燃料, 是中国乃至世界的主要能源资源。然而, 碳基燃料的一次发电效率仅为30%左右, 且排放的温室气体多, 环境污染严重。固体氧化物燃料电池 (solid oxide fuel cell, SOFC) 从技术层面属于第三代燃料电池, 是一种将化学能直接转化为电能的新型发电装置。由于具有一次发电效率高、环境友好等优点, 因此SOFC被世界公认为21世纪的革命性绿色能源技术^[1]。同时, 发展SOFC符合节能减排的国家政策与低碳经济的要求, 因此成为发达国家竞相开发和竞争的焦点。与此同时, SOFC是高效洁净利用碳基燃料的最有效途径, 一次发电效率高达50%~60%, 有望成为知识技术密集、物质资源消耗少、成长潜力大、综合效益好的新型引导性产业^[2]。美国能源部在2000年左右成立了Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) 的专门机构, 欧盟则通过第六框架计划和第七框架计划支持SOFC发电系统的商业化应用。日本政府于2005年启动了“先进陶瓷反应器”项目, 目标就是开发SOFC陶瓷反应系统^[3,4]。

其中, 电解质是整个SOFC的核心部件, 直接决定了SOFC的工作温度区间和输出特性, 甚至连接材料和电极材料也受制于电解质^[5,6]。随着中温SOFC技术的逐渐成熟及其商业化发展的稳步推进, 锆基电解质将在解决能源供应、环境保护和气候变化等问题上起到举足轻重的作用^[7]。

1 SOFC结构及工作原理

SOFC是一种不受卡诺循环限制, 将化学能直接转化为电能的新型发电装置。其具有高效率、环境友好、全固态结构等特点, 并且适用于多种燃料气体, 因此成为近年来人们关注的焦点。

SOFC的工作原理相当于水电解的“逆”过程 (如图1所示) ^[8]。SOFC单电池的主体部分由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成, 其中阳极发生的是氧化反应, 阴极发生的是氧化剂还原反应。SOFC工作时可被视为直流电源, 这时阳极就成为电池的电源负极, 阴极成为电池电源的正极。

图1 固体氧化物燃料电池工作原理图Fig.1 Operating principle of SOFC

SOFC采用固态氧化物作为电解质, 而电解质在SOFC运行中表现出传导O^2-和隔离空气端、燃料端的作用。SOFC的阳极由于通入燃料气, 如氢气、天然气、甲烷、煤气等, 处于还原气氛。阴极通入氧气或空气, 处于氧化气氛。外电路传导来的电子在SOFC阴极被氧原子获得转变为O^2-, 然后在化学势的驱使下, 进入固体电解质中, 并在固体电解质中表现出离子导电作用下迁移到电解质的阳极一侧。外电路获得O^2-, 并与还原气体在阳极发生氧化反应释放出电子, 这样便形成了闭路的直流电路循环。SOFC的优势是只要燃料和氧化剂连续供应, SOFC就能连续不断地向外输出直流电。Ostwald从热力学理论角度分析得出, 燃料的低温电化学氧化来自于其高温燃烧, 并指出热机效率受卡诺循环的限制, 导致发电效率很受影响。然而, SOFC的效率不受卡诺循环限制^[9]。因此, SOFC可以突破卡诺循环的限制, 能量转换效率可以达到50%以上。

其电极反应表达式为:

由于单体SOFC的电压在1 V左右, 导致其功率有限, 因此不能被应用到实际中。为解决SOFC的功率问题, 人们将若干个SOFC单电池以串联、并联、混联等方式组装成电池组, 并进一步组装成SOFC发电站。

在SOFC的运行中电解质的作用是隔绝氧气和燃料, 将带电O^2-从阴极输送到阳极, 并且要具有较低的电子损耗。这就需要SOFC使用的电解质材料能在很大氧分压的情况下保持氧离子导电性能稳定。同时, 良好的SOFC固体电解质还需要同时具备离子电导率高、电子电导率尽可能低的特性^[10]。所以说, 电解质的选择直接决定了SOFC的工作温度、离子导电性能以及电池工作的稳定性, 更影响到整个SOFC系统的使用寿命。

固体氧化物燃料电池用锆基电解质是SOFC中应用最为广泛, 研究最多的电解质材料。锆基电解质能在高温下、氧化和还原气氛中保持良好的化学稳定性, 并且在很大的氧分压范围内具有纯的氧离子导电特性, 同时具有很好的机械加工强度, 可制作成致密膜电解质, 因此其满足了固体氧化物燃料电池的几乎所有要求, 成为制备SOFC电解质材料的首选^[11]。

2 锆基电解质材料

2.1 锆基电解质晶体结构

氧化锆主要有3种同质异形晶体结构, 即单斜 (m-Zr O₂) 、四方 (t-Zr O₂) 和立方 (c-Zr O₂) 相 (3种晶相的结构参数如表1) ^[12]。3种晶型之间的转变关系遵从以下方式进行^[13]。

锆基电解质材料属立方萤石结构, 是一种固体氧离子导体。Zr⁴⁺以面心立方的结构堆积在立方晶胞的顶点及面心位置, 而O^2-以四面体的形式填充在8个小立方体的体心 (如图2所示^[14]) 。当低价态的阳离子进入到晶格, 取代立方萤石结构中的阳离子时, 为保持整个晶体结构的电中性, 便会在萤石结构中形成氧空位V_o。

表1 氧化锆各种晶相的结构参数Table 1 Structure parameter of different zirconia crystal 下载原图

表1 氧化锆各种晶相的结构参数Table 1 Structure parameter of different zirconia crystal

图2 Zr O2立方萤石结构图Fig.2 Cubic fluorite structure of Zr O2

以加入稀土RE (Y, Sc) 为例, 掺杂RE₂O₃的Zr O₂在室温下可以获得稳定的立方晶系萤石型高温相结构。每两个RE³⁺离子取代Zr⁴⁺离子, 必然在晶格内部引入一个氧空位。根据Kr9ger-Vink方程反应可以表示为^[15]:

式中, V_o为氧空位, O^×为晶格氧。

在这个过程中, 当稀土阳离子RE³⁺替代金属锆离子Zr⁴⁺在萤石结构中的位置时, 便会在晶格内部引入氧离子空位, 氧离子则通过这些氧空位实现离子导电。通过RE³⁺的掺杂, 一方面使Zr O₂晶格点阵空间因发生形变而产生畸变, 降低了杂质离子的离解活化, 另一方面也增加了晶体结构中氧空位 (载流子) 的数量。氧离子电导率与氧空位浓度 (V_o) 的关系为^[16]:

式中, A₂与B₂均为材料的特性常数;R为理想气体常数;T为绝对温度。

由此可以看出, 电导率与掺杂浓度密切相关。离子传导和扩散的过程可以理解为氧离子经过氧空位的长程迁移:首先, 单向键合的RE-V_o复合体形成通道;其次, 处于自由状态的V_o在单向键合上的通道中进行迁移^[17]。由于V_o在高温下才可以移动, 因此这就决定了立方萤石结构锆基电解质需在高温下体现出离子导电性。

纯相Zr O₂在常温下主要呈单斜晶体结构。由于该结构空间位阻大, 因此离子迁移率较低。锆基电解质一般都采用低价金属氧化物进行掺杂, 掺杂剂则通过固相或液相反应进入Zr O₂晶体结构中。一方面, Zr O₂在常温下保持立方相结构, 而立方相结构在的3种相结构中电导率最高;另一方面掺杂阳离子进入Zr O₂晶体后替代部分锆离子形成置换固溶体。。目前研究最多的锆基电解质材料为氧化钇 (Y₂O₃) 和氧化钪 (Sc₂O₃) 稳定的氧化锆电解质。

2.2 Y2O3稳定Zr O2 (YSZ)

常温下, Zr O₂的相结构与Y₂O₃的掺杂量有关:当Y₂O₃的掺杂量达到2.5%~3.0%时, 相结构以四方相存在 (TZP) ;当Y₂O₃掺杂量达到8%~9%时, 相结构以全稳定的立方相存在 (YSZ) , 此时满足SOFC电解质的应用性能。Y₂O₃稳定的Zr O₂是最为经典、最广泛的SOFC电解质材料。首先, YSZ作为锆基电解质材料, 在高温下具有很好的化学稳定性与机械强度, 符合固体氧化物燃料电池应用的要求;其次, 在一个很宽的氧分压范围内和高温条件下 (1000~1200℃) , YSZ的氧离子的迁移数几乎接近于1。此时, YSZ几乎是一个纯的氧离子导体, 欧姆极化损耗极低^[18]。同时, 在1000℃时, YSZ具有良好的氧离子电导, 电导率达到0.16 S·cm^-1[19];第三, YSZ具有很好的机械加工强度, 甚至可以制作成致密的几微米厚膜电解质。然而, 作为SOFC的电解质, YSZ的氧离子电导率会随着电池的运行温度降低, 这阻碍了SOFC的中温化 (600~800℃) 发展^[20]。

为了提高YSZ的离子电导率, 研究人员进行了各种微量元素的掺杂。Yeh和Chiang^[21]尝试采用碱土金属氧化物对YSZ进行共掺杂, 并对掺杂后的电导率进行了研究和分析。结果证明, 当碱土金属 (M=Mg, Ca和Sr) 掺杂量为0.05%时, 所获得的YSZ电解质的离子电导率最高, 且随掺杂离子半径的增大, 离子电导率呈减小趋势。另外, 适量添加Al₂O₃助剂, 也可以提高YSZ电解质的离子电导率, 并可以改善晶界的导电性能。Kan等^[22]研究了Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂对YSZ电解质材料电导率的影响, 发现两种材料的添加都能提高YSZ的电导率。江虹等^[23]采用机械混合的方法将Zn O添加到YSZ中, 改善了YSZ电解质材料的烧结性能:当掺杂量为4%时, YSZ的致密度达到99.9%, 并且测得在800℃下电导率达到16.8m S·cm^-1, 从而改善了SOFC单电池的性能。

目前, 关于YSZ电解质材料的研究主要集中在电解质的薄膜化, 从而使SOFC的工作温度降低到800℃以下, 但这对工艺稳定性要求较高。同时, 也有研究人员报告称, 将YSZ与其他电解质材料复合进行使用。Xin等^[24]利用甘氨酸—硝酸盐法制备8YSZ电解质材料, 并且使用经过优化后的干压法制备了YSZ厚度为8μm的SOFC电解质。该电池采用了阳极支撑型构造, 并在750和800℃时分别测得SOFC最大功率密度为511和791m W·cm^-2。Song等^[25]采用了经济实用、可批量化生产的流延法, 制备了YSZ厚度为10μm的SOFC电解质。该阳极支撑型单电池在750℃时的输出功率密度为230 m W·cm^-2。

2.3 Sc2O3稳定Zr O2 (Sc SZ)

Sc₂O₃稳定Zr O₂ (Sc SZ) 是锆基固体电解质中离子电导率最高的电解质材料, 弥补了YSZ在中温情况下电解质电导率低的缺点。而且, 其与YSZ同属氧化锆基材料, 具有近似的化学性能和高温性能。因此, Sc SZ电解质体现出了在SOFC中替代YSZ电解质的趋势^[26,27]。

Sc SZ的晶体结构对其电导率有很大的影响。Kharton等^[16]研究表明, 立方相的Sc SZ结构中活化能最小, 氧离子迁移能最低, 因此立方结构具有最高的氧离子电导能力。Sc SZ系统相图^[28] (如图3所示) 主要表征了不同的掺杂量对Sc SZ晶体结构的影响。在相当窄的范围内 (8%~10%) , 立方结构可以被稳定并保持到室温, 并且在中温下表现出高的电导率, 所以制备出纯立方相Sc SZ粉体一直是该领域的研究热点^[29]。

近年来, 随着SOFC工艺发展的日趋成熟, 部分欧美厂家突破了Sc SZ的合成工艺, 比如美国博龙公司已经将Sc SZ大规模应用于SOFC电解质膜中。10%的Sc SZ电解质逐渐成为主流的高端电解质材料。Sc SZ是锆基固体电解质中离子电导率最高的电解质材料, 在800℃下电导率约为0.12 S·cm^-1, 与950℃下的YSZ电导率接近。因此, 这解决了YSZ在中温情况下电解质电导率低的缺点, 且其与YSZ同属氧化锆基材料, 具有近似的热膨胀系数, 便于选用配套的电极材料, 从而能在不改变现有工艺制备条件下替代YSZ电解质。发展Sc SZ的最终目的是代替YSZ作为SOFC电解质隔膜, 引领SOFC的中温化进程^[30]。但由于Sc SZ材料相结构复杂, 且Sc元素价格较高, 因此影响了Sc SZ在SOFC中的应用, 导致高性能Sc SZ的合成研究报道远少于对YSZ等材料的报道^[31]。

图3 Sc2O3-Zr O2系统相图Fig.3 Phase diagram of Sc2O3-Zr O2system

Badwal^[32]尝试合成了Sc₂O₃掺杂量在8%~10%的Sc SZ电解质陶瓷, 并在800℃下测得Sc SZ电导率为0.11~0.12 S·cm^-1, 而这几乎是YSZ在同温度下电导率的两倍。但是, Sc SZ电解质材料也存在高温下易形成亚稳态相、引起电导率下降、高温稳定性变差等缺陷。同时, 由于相变导致体积变化, 还会使电解质可能产生裂纹, 影响SOFC的机械性能及寿命。因此, 在Sc SZ电解质材料中掺杂第三相稳定剂, 可以解决立方相在退火过程中出现的不稳定问题, 并且改善其机械性能。研究较多的稳定剂主要有Al₂O₃, Yb₂O₃, Y₂O₃, Ce O₂, Bi₂O₃等^[33,34]。其中, Al³⁺及Zr⁴⁺分别为6配位体和8配位体结构, 因此Al³⁺只能以Al₂O₃氧化物微畴形式而不能以离子形式进入Zr O₂结构中。对ScSZ进行掺杂可改善其机械强度, 但对电导率及其稳定性的影响通常是负面的^[35]。由于Y³⁺, Ce⁴⁺, Yb³⁺等稀土离子半径都大于Zr⁴⁺, 均为8配位体, 因此这些离子能以离子形式进入立方Zr O₂晶格中, 起到稳定相结构和增加晶胞体积的作用。从这个角度来说, Ce O₂, Yb₂O₃是较优的稳定剂。然而, 过多的稳定剂会增加空间位阻效应, 降低氧离子电导率, 所以稳定剂的量控制在0.5%~2.0%左右为宜。Politova和Irvine^[36]采用Y₂O₃对Sc SZ进行了掺杂, 并对Sc SZ的老化性能和离子电导率进行了研究。他们使SOFC的Sc SZ电解质在500℃下运行1500 h, 发现Y₂O₃具有改善相位稳定性的效果, 从而改善了Sc SZ电解质材料的性能。当Y₂O₃掺杂量在1%~2%时, 表现出高的电导率和高温稳定性, 并且当电导率性能在2%时, 具有最高的电导率。Hirano等^[34]研究了Bi₂O₃掺杂Sc SZ对烧结温度、高温稳定性及电导率性能的影响。结果证明, 这对Sc SZ电解质材料具有降低烧结温度、阻止晶型转变和提高电导率的效果。

2.4 其他元素稳定Zr O2

人们尝试了其他元素掺杂锆基电解质材料的研究, 但是电导率性能及稳定性都表现出局限性, 限制了在SOFC中的应用。电导率性能如表2所示^[37,38]。

锆基电解质材料的电导率通常随着掺杂元素的含量增加, 呈现先增加后减小的规律^[39]。当掺杂元素取代锆离子时, 氧化锆被部分稳定至高温相, 掺杂阳离子与氧空位之间的结合焓降低, 从而离子电导率得到提高。当氧化锆转变为全稳定高温相时, 离子电导率达到最高。继续掺杂, 由于氧空位浓度增加, 材料中出现缺陷缔合, 限制了氧空位的移动, 从而使材料的离子电导率下降。

2.5 锆基电解质成型工艺

电解质薄膜的制备是SOFC制备的关键工艺。锆基电解质成型工艺方法很多, 主要分为物理方法、化学方法以及陶瓷成型方法。其中, 物理方法包括:离子镀膜、等离子喷涂和物理气相沉积^[40,41];化学方法包括:化学气相沉积、电化学气相沉积、溶胶—凝胶法和喷雾热解法^[42,43,44];陶瓷成型方法包括电脉沉积法、流延法、丝网印刷法、涂覆法和浇注法^[45,46,47]。

2.5.1 流延法

流延法又称刮刀法, 首先将所要流延的陶瓷粉末均匀分散到水或者有机溶剂中形成浆料, 再采用流延设备使浆料在基底上形成薄膜层, 薄膜层干燥后经切割、烧结等处理形成电解质薄膜。流延法在大面积制备陶瓷膜方面具有独特的技术和经济优势, 成为制备平板式SOFC电解质膜的主流工艺之一^[48]。Huang等采用流延法制备了阳极支撑型SOFC, 实现了流延成型的阳极材料和电解质材料坯体在烧结后的融合^[47]。

2.5.2 丝网印刷法

丝网印刷法是指将陶瓷粉末与有机粘结剂混合配置形成浆料, 再将浆料通过丝网均匀涂覆在电极支撑体表面形成薄膜层, 薄膜层再经过经干燥、烧结后形成电解质薄膜。Yoon等^[49]采用该技术同时制备了电解质和阴极薄膜, 而采用共烧技术制备的SOFC在800℃下可达到1.5 W·cm^-2的功率密度。该方法的优点是成膜率高, 重复性好, 但是浆料稳定性有待提高。

表2 部分锆基电解质材料的电导率Table 2 Conductivity of some zirconia-based electrolyte material (1000℃) 下载原图

表2 部分锆基电解质材料的电导率Table 2 Conductivity of some zirconia-based electrolyte material (1000℃)

2.5.3 胶态成型法

胶态成型法是指首先通过胶体分散体系得到湿膜, 并使湿膜经过干燥和高温热处理等工序, 从而制得致密化电解质薄膜的方法^[50]。Mauvy等^[51]在Al₂O₃基板上用胶态成型法制备了电解质薄膜, 降低了薄膜的活化能, 并使SOFC的工作温度降低。Seung-Goo等^[52]使用胶态成型法制备了氧化钇掺杂的氧化铈电解质薄膜, 并且使用该电解质薄膜组装了SOFC单电池。经过测试, SOFC单电池在800℃下的功率密度达到0.122 W·cm^-2。

物理和化学方法虽然能够制备高质量的电解质薄膜, 但成膜效率低、周期长、工艺参数复杂。其中, 化学气相沉积和物理气相沉积制膜设备还比较昂贵, 导致制备成本比较高, 因此并不适合大规模工业化生产。基于上述理由, 成本较低的流延法、丝网印刷法、胶态成型法和浇注法等制备方法, 具备使用设备简单、生产效率高、易于实现自动化的特点, 因此显示出独特的优越性, 并具有巨大的商业潜力。在实际的SOFC制备中, 可根据具体需求选择合适的制备技术。

3 结语

SOFC采用固态氧化物作为电解质, 而电解质在SOFC运行中表现出传导O^2-和隔离空气端、燃料端的作用。同时, 电解质是SOFC的核心部件, 直接决定了SOFC的工作温度区间和输出特性。锆基电解质在高温运行情况下以及氧化和还原气氛中仍然具有良好的化学稳定性;在高温下具有很好的物理、化学稳定性与机械强度;并且在一个很宽的氧分压范围内和高温条件下, 氧离子的迁移数几乎接近于l, 欧姆极化损耗极低, 成为固体氧化物燃料电池应用中研究最多的电解质材料之一以及SOFC电解质材料的首选。然而, 作为SOFC的电解质, YSZ的氧离子电导率会随着电池的运行温度而降低, 这阻碍了SOFC的中温化进程。Sc SZ具有最高的离子电导率, 因此解决了YSZ在中温情况下电解质电导率低的缺点。而且, 其与YSZ同属氧化锆基材料, 具有近似的化学性能和高温性能。随着SOFC工艺发展的日趋成熟, 部分欧美厂家突破了Sc SZ的合成工艺, 使Sc SZ开始了SOFC电解质膜的商用化进程。其他锆基电解质材料的电导率性能及稳定性都表现出局限性, 限制了其在SOFC中的应用。在SOFC电解质成型工艺中, 成本较低的流延法、丝网印刷法、涂覆法、胶态成型和浇注法等制备方法, 由于使用的设备简单、生产效率高、易于实现自动化, 显示出独特的优越性, 因此便于在规模化工业生产中实现。