能源是人类社会中及其重要的物质基础。进入 21 世纪，随着全球工业的发展及人口 的迅速增长，能源问题变得越来越重要。传统的发电方式因其低转化率及产生大量的有 害物质而对人类的生存及环境构成了很大威胁。因此，寻求环境友好和能量转换率高的 新能源技术成为当前亟待解决的的重要挑战。对此，科学家们提出了资源和能源最充分 利用和环境最小负担的概念[1]。正是在这样的背景下，燃料电池技术得到了广泛地应用 与发展。论文网

1.2 燃料电池简介

燃料电池(Fuel Cell，FC)是继火力发电、水力发电和核能技术之后的第四代发电技 术。这种发电装置可以将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。其中燃料在阳极氧化， 氧化剂在阴极还原，从而实现了整个电化学反应。由于其能量转换过程中不涉及热机过 程，不受卡诺循环的限制，燃料利用率很高，能量转换效率高达 40~60%，而实际效率 是普通热机的 2-3 倍[2]。

燃料电池作为二十一世纪的绿色能源，与传统发电比较有以下几点优势[3]。

1. 高能量转换效率：电化学反应不经剧烈燃烧直接将化学能转换成电能，不受卡 诺循环的限制、效率高；

2．噪声低：燃料电池不像传统发电装置一样具有旋转机件，也没有机械传动部件， 结构简单，大大减少了噪音污染；

3．环境友好：燃料电池的燃料主要为氢气、甲烷等清洁能源，无污染，产物只是水， 可实现零污染。燃料电池的环境友好特征是其具有长远发展潜力的主要原因；

4．燃料来源广泛：只要是含有氢原子的物质（例如天然气、石油、煤炭、酒精、甲 醇等）都可以用作燃料；

燃料电池的分类方法有很多种，根据其使用的电解质类型，可分为以下六类[4]：(1)

碱性燃料电池(AFC)，(2)磷酸燃料电池(PAFC)，(3)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，(4) 质子交换膜燃料电池(PEMFC)，(5)直接甲醇(DMFC)，(6)固体氧化物燃料电池(SOFC)。

本论文主要研究的是固体氧化物燃料电池，对其他类型的燃料电池不再一一赘述，

下面将对固体氧化物燃料电池(SOFC)进行详细介绍。

1.3 固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池，又称陶瓷膜燃料电池，是第三代大功率、民用型燃料电池[5]。 这种电池在气相与固相条件下即可工作，是一种采用电解质材料制成的全固态能量转换 装置。所以其原理比其中任何一种燃料电池都要简单。

1.3.1 SOFC 的工作原理

固体氧化物燃料电池由阳极、阴极、电解质和连接体组成。工作温度一般为 600～ 900℃。其基本工作原理如图 1.1 所示。

图 1.1 SOFC 的工作原理图

SOFC 工作时，在阳极一侧通入燃料气，如 H2、CH4、天然气等，阳极表面具有催 化作用，能够吸附通入的燃料气体如氢，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质界 面。在阴极一侧通入氧气或空气，由于阴极本身的催化作用，吸附的 O2 得到电子变为 O2-：

1/2O2+e-→O2- （1.1）文献综述

氧离子在电解质两侧浓度差和电位差的驱动下，通过电解质膜中的氧空位到达固体 电解质与阳极的界面，与燃料气体发生氧化还原反应，释放的电子由外电路回到阴极：

H2+O2-→H2O+2e-