固体氧化物燃料的电化学过程主要包含了三个方面：(1)在阴极上，氧气自 外循环电路上得到电子被还原成氧离子。(2)氧离子在电池两侧浓度差驱动力的 作用下，通过电解质中氧空位的定向跃迁，迁移到阳极上。(3)氧离子在阳极与 燃料气体发生化学反应，生成 H2O 和 CO2,同时释放出电子[4]。它的工作原理如 图 2.1 所示。

若以 H2 作为燃料气体，电池中发生的电化学反应为： 阳极：

阴极： 总反应：

H2+O2-→H2O＋2e- O2 +4e -→2O2-

2H2  +O2 →2H2O

图2.1 SOFC 的工作原理示意图[5] 在燃料电池的两极之间接上外部电阻就可以得到电流。其等效电路如图2.2所示。

图 2.2 等效电路图[6]

2.2 固体氧化物燃料电池的组成

固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质、阳极或燃料极、阴极或空 气极和连接体或双极板组成。在选择燃料电池材料时，我们要兼顾材料的电化学 性质和物理性质。另外材料间的化学匹配性也将影响组装后的电池性能。 因此 选择材料是需要考虑以下性质：材料在高温下的化学稳定性与相容性，两种相接

触材料间的热膨胀系数应该近似，电池内部的离子和电子电导率和机械强度等。

2.2.1 电解质材料

电解质的主要作用在于将阴极还原的氧离子传导至阳极完成电化学反应。电 解质材料要求有高的离子电导率和低的电子电导率，并且要求在氧化还原气氛中 保持稳定，适当的机械强度以及良好的致密性。此外，它与电池其他组件的化学 相容性和热膨胀系数要相匹配。目前，SOFC 的固体电解质材料主要分为萤石型 电解质和钙钛矿型电解质。萤石型电解质中拥有许多氧空位，氧离子的扩散主要 依赖于氧空位直接的跃迁。广泛使用的萤石型电解质有氧化钇稳定氧化锆即 YSZ， 氧化铈系电解质（分为氧化钆掺杂氧化铈即 GDC 和氧化钐掺杂氧化铈即 SDC）。 钙钛矿型电解质主要就是一系列的掺杂类的 LaGaO3。

2.2.2 阳极材料

SOFC 对阳极材料的要求主要为：能有效地实现氧化催化；有高的电子电 导率或混合电导率；在阳极的还原性环境内稳定；热膨胀系数与其他燃料电池元 件匹配；结晶结构有利于降低燃料的输运电阻；在化学和力学上稳定，不会发生 高温相变；能承受硫的污染。当前常用的阳极材料有金属和金属陶瓷复合材料。 Ni-YSZ 是目前应用最为普遍的阳极材料之一。

2.2.3 阴极材料

有研究显示，在薄电解质的 SOFC 中，在 500 到 800℃的范围内，阴极的界 面电阻大约是整个电池总电阻的 70%到 85%。因此阴极材料的选择与性能的提 高显得至关重要。在固体氧化物燃料电池中阴极发生氧还原反应，因此阴极处于 高温氧气气氛中，这对阴极材料提出了很高的要求：电子电导率大于 100S/cm， 理论密度达到 70%，孔隙率达到 30%，与电解质有热膨胀性能的相容性，热和 化学稳点型、高催化活性等。在 SOCF 中，阴极在限制电池性能方面起着重要作 用[7,8]。论文网

在理想的 ABO3 型钙钛矿结构中，B 和 O 离子构成 BO6 八面体结构， 而 8 个 BO6 通过共用 O 离子分布于立方体的 8 个顶点上，A 离子位于立方体的中心， 见图 2.3[9]。