1.1 SOFC的简介

SOFC的单电池一般由阳极、电解质和阴极三部分组成，单电池之间通过连接体材料及其他辅助材料连接组成电堆。氧分子在燃料电池的阴极上得到电子被还原成氧离子，由于电解质膜两侧存在电位差，氧离子通过电解质膜的氧空位，与阳极燃料（H2，CH4，煤气等）发生氧化反应[4]。其电化学反应过程如图1.1所示。SOFC具有能源转换率高、清洁、能量利用率高、燃料灵活性高、无需使用贵金属作为催化剂和应用范围广等特点，因而受到各国的重视[5]，被视为是最具发展潜力的燃料电池，并对其进行了广泛的研究。 SOFC的使用与推广可以解决能源领域所面临的诸多问题[6]。

SOFC通常被用作大型和小型电站的备用设备，用于车辆辅助电源、移动电源和家用小型热电联供方面。SOFC在1000℃左右才能正常工作并达到理想输出功率。然而温度过高会出现电极烧结和电极与电解质之间界面扩散等问题。能够耐高温且稳定的单电池材料成本昂贵，因此近年来SOFC主要的研究方向就是降低工作温度片[7]。虽然已经有工作温度在400~600℃的SOFC被开发出来，但是它还有很大的提升空间。

    图1.1  固体氧化物燃料电池电化学反应过程示意图

1.2 SOFC的基本工作原理

固体氧化物燃料电池单电池主要组成部分有多孔的阳极、阴极，致密的固体氧化物电解质层。致密的电解质层起着传导氧离子和分隔燃料气和氧化气的作用；多孔的阴、阳极是气体催化裂解的主要场所。根据SOFC电解质传导离子的不同，可分为氧离子传导型和质子传导型两类。氧离子传导型SOFC的工作原理是：在阴极(空气电极)上，氧分子扩散到阴极/电解质界面附近，吸附解离，并与外电路输运来的电子结合，形成氧离子；氧离子在化学位驱动力(氧浓度差)的作用下，通过致密的电解质的氧空位定向跃迁，迁移到电解质/阳极界面(燃料电极)：同时在阳极侧，燃料气在阳极材料的表面催化裂解，形成H及其它低碳化合物，进而与氧离子发生反应并释放出电子，电子通过外电路回到阴极从而实现对外供电。对于质子型SOFC，氢气在阳极侧反应得到质子，通过电解质传输到阴极侧，与空气反应生成水。

对于SOFC而言，在实际运行时，首先氧分子在阴极被吸附并被电子还原，生成氧离子，即发生反应：

O2+4e-→2O2-                          （1.1）

而后，在电解质两侧电极氧分压差的作用下，产生于阴极的氧离子通过电解质层中的氧空位迁移到电池的阳极侧，在那里与通入的燃料气发生反应，生成电子及水和/或二氧化碳等产物。以氢气、一氧化碳和甲烷的反应为例，相应的反应方程式分别为：

2H2+2O2-→2H2O+4e-                     （1.2）

2CO+2O2-→2CO2+4e-                     （1.3）

1/2CH4+2O2-→1/2CO2+H2O+4e-                （1.4）

最后，在阳极侧生成的电子再通过外电路负载回到阴极同时实现SOFC的对外输出。由此可见，阴、阳极两侧的氧分压差可谓是电解质中氧离子迁移和SOFC运行的源动力，SOFC在本质上是一种氧浓差电池。

1.3 SOFC的现状及发展趋势

1.3.1 SOFC国内外发展现状

1.3.2 SOFC发展趋势

（1） 降低操作温度