固体氧化物燃料电池材料固体氧化物燃料电池

●新型半导体材料与大规模三维集成电路
★元素半导体和化合物半导体：Si， Ge，金刚石, III－V、II－VI族化 合物单晶硅Si材料，直径，1970年50mm；1985年150mm； 2000 年225mm集成电路集成度：1987年 > 100万晶体管/平方厘米,2000 年>1000万(1024K)IBM预测, 2007年, 设计线宽将达到0.01 微米, 芯 片上可集成10亿晶体管
IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。 ♣ 太阳能的综合利用 (光电、热电、热交换)及其与风力发电 的耦合技术；建立总体利用效率达15%的追尾聚集光式太阳 能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合利用 与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供电。
●超导材料
以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体 成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；但是， 由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使 用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。
当前新材料研究热点领域：
●信息技术领域与信息材料
世所公认，我们当前是处于信息时代， 即以信息技术为时代特 征。信息技术主要是指信息的获取、传递、处理、存储、显示 等技术，包括微电子技术，光电子技术，计算机技术，软件技 术，通讯技术，辐射成像技术，高清晰度电视技术等，以这些 技术为基础，互相交叉，形成现代信息高技术和产业。
●生物医用材料
作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发 展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20 年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支 柱产业。研究发展十分活跃：
生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向； 生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向； 医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料 功能性生物复合材料， 带有治疗功能的生物复合材料。
●信息传输光纤材料
多模光纤、新型色散补偿光纤与色散 管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光 纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤； 特别是光纤预制棒制造技术是光纤制造 技术的核心，也一直是我国光纤产业发 展的最薄弱环节
●新型能源材料
目前地球上的主要能源－化石燃料（煤、石油、天然气等）存在的主要问题是： ♣ 利用效率低 ♣ 应用技术落后，对环境造成污染（烟尘、有害气体等） ♣ 未开采的储量已经不多，终将消耗
高温氧化物超导体，把超导应用温度从液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K） 温区。能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不 足之处。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，一些材料科学研究领域最 新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离 子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学 的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用 等方面取得了重要进展。
★ GaAs为第二代半导体, 可在300-500℃ 使用, 运算频率可达2000 Mhz而 Si 仅可工作在250℃以下,频率仅为300 MHz
★ GaN为第三代化合物半导体 ,工作放热有可能使电路失效, 发展高热导的II型金刚石是个方向
★ CVD法金刚石薄膜和AlN薄膜,将有效的提高了集成度 ★ 三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发 ★ 铁电-Si微集成系统, 具有良好系统功能, 成为当前的研制热点
●固体氧化物燃料电池材料
固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜燃料 电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放 50%，不产 生NOx，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但目前研究的 固体氧化物燃料电池的工作温度达800～900℃，其关键部件的材料 制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技 术主要有： a）高性能电极材料及其制备技术； b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术； c）电池结构优化设计及其制备技术； d）电池的结构、性能与表征的研究。
因而，开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题， 涉及 种类繁多的新材料：
★核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料……） ★储氢材料（SmCo5，NbTi合金……） ★燃料电池材料（电解质、阴极、阳极、连接材料、密封材料……) ★风力发电设备材料（高强度轻质复合材料……） ★太阳电池材料（Si，a－Si， CdSe， GaAs……） ★超导输电线材料 ★镍氢电池、锂离子电池相关材料 ★……
Ni-YSZ阳极
燃 料 气
YSZ电解质膜 空气
Ni接触杆 阴极LSM 多孔支撑管
管状SOFC电池结构示意图
固体氧化物燃料电池的结构（2）
自支撑型平板式SOFC
●太阳能利用技术
♣ 单晶硅，多晶硅，非晶硅太阳电池材料； II－VI族化合物 半导体太阳电池材料：ZnSe， CdTe。。。要求：研制出光 电转换效率大于 18%的低成本、大面积、可商业化的硅基太 阳能电池及其组件。
● 生态环境材料
定义：指对ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ源和资源消耗最少，对生态环境影响最小， 再生循环利用率最高，使用性能优异的新型材料。特点：性 能先进性；环境协调性；应用舒适性。
生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究 中形成的一个新领域，主要研究方向是： 直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解 材料技术，CO 2 气体的固化技术，SOx、NOx催化转化技 术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加 工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术； 开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、 环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色 新材料等； 材料的环境协调性评价。
固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体 电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质 子交换膜等，都是目前研究的热点。
固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理
CH4 H2O
CO2 内重整 CO
H2
阳极
氧离子固体电解质
阴极
H2O
电子
O2
固体氧化物燃料电池的结构（1）
这些技术的发展的基于种种新型材料，这些材料主要包括：
★ 半导体材料和集成电路、微电子工业 ★ 激光材料与非线性光学材料 ★信息传感与传感器技术材料 ★ 半导体发光材料、液晶显示材料与感光材料 ★ 信息传输材料：石英光纤，非氧化物玻璃纤维，有机聚合物光纤 ★ 信息存储材料：磁记录材料、磁光记录材料、光存储材料