3.3热膨胀匹配研究 19

3.4电极电化学性能分析 20

结  论 26

致  谢 27

参 考 文 献 28

1  引言

固体燃料电池（SOFC）以其高的能量转化效率（40~60%，加上配套热循环系统可达更高）受到广泛关注，并且因为其燃料可选范围广、全固态结构带来的操作方便以及不需要金属催化等特性，被认为是一种很有前途的新型能源。但是高温下运行的SOFC在稳定性以及成本方面都存在诸多问题，无法与传统的发电方式相抗衡。科学家们普遍认为，通过降低 SOFC 的操作温度从传统的1000℃降低到600-800℃是SOFC商业化的关键[1]。然而，整个 SOFC 的电化学性能会随着操作温度的降低而下降，表现在电池欧姆阻抗、电极极化阻抗（特别是阴极极化阻抗）随着操作温度的降低而急剧增加。因此改善阴极材料的性能是中低温SOFC研究的难题之一[2-6]。而优化电极的微结构以及开发新材料是降低电极极化阻抗的主要方式。

    下面将从SOFC的工作原理介绍入手，了解阴极材料的分类，以及低温化进程中遇到的问题。

1.1固体氧化物燃料电池及其工作原理

1.1.1固体氧化物燃料电池

    固体氧化物燃料电池的关键材料主要包括电解质、阳极、阴极和连接材料四个部分，它们按照一定的方式构建成电池堆。电解质的主要作用是传导离子或质子，隔离反应物。阳极是燃料氧化和从电解质迁移过来的氧离子反应的场所，同时让燃料气扩散到电解质/电极界面并且排出产物气体，阴极是把氧分子还原成氧离子并传输电子到电极和电解质界面的地方。连接材料则是用来连接、阳极构成电池堆。

1.1.2 SOFC工作原理

    固体氧化物燃料电池(SOFC)单电池呈三明治结构，又称PEN(Positive-Pole，Eleetrolyte and Negative-pole)，它是由致密的氧化物陶瓷固体电解质和两个多孔电极(一个是接触燃料的阳极，另一个是接触氧化剂的阴极)构成的电化学发电装置。多孔的阴、阳极是气体催化分解及传输电流的主要场所；致密的电解质层起着传导氧离子(质子)和隔离燃料气和氧化气的作用。电池符号可表示为：

            (－)阳极(燃料极)|电解质|阴极(空气极)(＋)

根据电解质传导的载流子的不同，又分为氧离子和质子传导型燃料电池。其中氧离子传导型燃料电池(SOFC-O)工作原理如图1.1所示。

在这一类型的SOFC中。在阴极发生氧的还原反应，以KrÖger-Vink符号表示为：

                                               (1.1)

氧气在阴极催化剂的作用下解离，并与输运来的电子结合，形成氧离子；离子穿过致密的电解质层迁移到阳极；在阳极，燃料H2与来自阴极的氧离子结合发生氧化反应并释放出电子，电子通过外电路传输到阴极，反应产物H2O从阳极排出。阳极放电反应的KrÖger-Vink符号可表示为：

                                             （1.2）

由于SOFC在高温操作，在使用碳氢化合物燃料时可以直接在阳极完成重整形成H2和CO，而作为SOFC的燃料，以最常用的甲烷为例，阳极过程可表示为：

                                      (1.3)