4结论与创新之处 27

致谢 28

参考文献 29

1 绪论

1。1 SOFC概述

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）作为一种在600~1000℃下能直接把燃料和氧化剂中储存的化学能转变为电能的高效清洁固体发电装置，被誉为“21世纪潜在的绿色能源”[1]。

SOFC存在以下明显优势：全固态电池结构，不存在材料腐蚀或电解液泄露；无需使用 Pt 等贵金属电极，可承受较高浓度的硫化物和一氧化碳的毒害；具有较高功率和电流密度，可承受过载，低载甚至短路；能提供高质余热，实现热电联产（CHP），提高能量利用综合效率（由60%至80%）；SOx、NOx和粉尘等有害物质排放量低，对环境污染小；高度模块化设计，工作安静，噪音低，便于安装等[2-4]。论文网

为坚持可持续性发展和解决能源短缺、环保等问题，SOFC的研制开发受到越来越多的重视。它在区域供电或联合循环供电，便携式电源（如车用辅助电源APU）以及军事、航空等领域均具有广阔的应用前景[5]。

1。1。1 SOFC的工作原理

根据电解质的载流子不同，SOFC可分为氧离子传导（Oxide-ion conducting SOFCS, O-SOFCS）与质子传导（Proton conducting SOFCS, P-SOFCS）两种类型[6]。

两种SOFC的工作原理见图1。1。

图1。1 SOFC的工作原理图 (a) 氧离子型 (b) 质子型

O-SOFCS：吸附在阴极上的O2得到外电路传导来的电子（e-）被还原成氧负离子（O2-）。                           

O2-通过电解质传导至阳极，与燃料气 （H2、CO、CH4等）发生氧化反应生成水或CO2，并释放出e-，e-经外电路流回阴极，形成电流[4]。               

P-SOFCS：传质过程以阳极为起点，在阳极端，燃料气经催化生成质子（H+）和电子（e-）。而后H+通过电解质传导至阴极，e-则顺着外回路到达阴极；在阴极端，空气中的O2得到e-被还原为O2-，并与H+结合生成水[7]。

1。1。2 SOFC的电池构型

SOFC电池构型的差异主要体现在：电池内部功耗的损失程度、燃料通道与氧化剂通道间的密封形式和电池组中电池单元间电路的连接方式[8]。目前研发较多的为管状燃料电池（Tubular-SOFCs）[9]和平板型燃料电池（Planar-SOFCs）[9]，构型分别如图1。2所示。

图1。2 SOFC的电池构型 (a) 管式 (b) 平板式

Tubular-SOFCs是由多个一端封闭的管式单体电池串联或并联组装而成[10]。其突出的优点是电池单元间组装方便，易实现电池堆集成化设计，密封效果好。但也存在一定缺陷，如：阴阳电极间距大，内阻损耗大，功率密度低且制备电解质膜的设备昂贵，工艺复杂[10]。

Planar-SOFCs中电解质与阴阳两极经烧结形成三明治结构，即夹层平板结构（Positive Electrolyte Negative Plate，简称PEN平板）[11]。双极连接板与PEN平板间需用高温无机粘结剂密封，以免空气和燃料气在高温下混合而爆炸[2,12]。与Tubular-SOFCs相比，Planar-SOFCs构型更为简单，电流收集路径短，电池内部极化低，输出功率高，成膜技术种类繁多，电解质和电极制备以及放大容易，制造成本较低[7]。但是Planar-SOFCs也存在高温密封难，抗热循环性差，对双极连接板材料性能（抗高温氧化性和导电性）要求高等缺陷。目前上述问题已初步解决，这类电池的输出功率和稳定性得到进一步改善[12]。

1。1。3 SOFC的发展趋势

(1) 操作温度的中、低温化