固体氧化物燃料电池结构组成

固体氧化物燃料电池结构
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种高温燃料电池，其正负极和电解质都是固体材料。

SOFC的基本结构包括阳极（正极）、阴极（负极）和固体电解质。

阳极和阴极之间的电解质起到离子传导和电子阻隔的作用。

阳极通常由金属或金属氧化物制成，常用材料有镍、镍钇复合氧化物。

阳极上的燃料气体（如氢气、甲烷等）被分解成带负电荷的氢离子（H-）和自由电子。

氢离子通过固体电解质传递到阴极。

阴极通常是由氧化物材料制成，如尺寸稳定的氧化钇钇钛酸盐（Yttria-Stabilized Zirconia，YSZ）。

在阴极上，氧气分子被还原成氧离子（O2-），并与通过电解质传递过来的氢离子结合形成水。

固体电解质是SOFC的核心组件，通常由固体氧化物制成，如YSZ、氧化锆、氧化铈等。

固体电解质的主要功能是提供氧离子传导通道，同时阻隔电子的通过。

固体氧化物燃料电池的结构具有高温操作、高效率和不要求纯净燃料等优点，因此被广泛应用于分布式能源系统、电力和热力联产等领域。

固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。

它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。

这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。

本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目，并提出了值得深进研究的课题。

关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)，现状，发展1．固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。

以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。

1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58 %，猜测有看达到70 %。

接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。

同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外，加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. )，美国GE、Z2tek 等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。

说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理(一)说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理介绍固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种高效、低污染的能源转换设备。

它利用固体氧化物作为电解质，将化学能转化为电能，广泛应用于电力和燃料领域。

结构固体氧化物燃料电池的主要结构有以下几个部分：1.阳极：阳极是燃料一侧的电极，常用材料是镍（Ni）或含铈质的材料。

它具有良好的催化性能，能够使燃料与电解质进行反应。

2.阴极：阴极是氧化剂一侧的电极，常用材料是钇稳定氧化锆（YSZ）等，能够吸收氧气并与电解质发生反应。

3.电解质：电解质是固体氧化物燃料电池中的核心部分，常用材料有钇稳定氧化锆、钡稳定氧化钇（BCY）等。

它具有高离子电导率和低电子导率，能够传输氧离子并阻止电子的流动。

4.连接体：连接体用于连接阳极和阴极，常用材料是钇稳定氧化锆等，具有导电性质。

5.当前集流体：当前集流体用于收集由电解质传输的氧离子，并将其导入外部电路。

6.电极反应层：电极反应层位于阳极和阴极的界面上，能够促进燃料和氧化剂的反应。

工作原理固体氧化物燃料电池的工作过程可以分为以下几个步骤：1.燃料（如氢气、天然气等）被供应到阳极一侧，同时氧化剂（如氧气）被供应到阴极一侧。

2.在阳极上，燃料发生氧化反应，产生电子和氧离子（O^2-）：H_2 + 2O^{2-} -> 2H_2O + 4e^-3.氧离子通过电解质传输至阴极。

在传输过程中，电子通过外部电路流动形成电流，完成能量转换。

4.在阴极上，氧离子与氧化剂反应生成氧气：O^{2-} + 1/2O_2+ 2e^- -> O_2-5.这个过程持续进行，从而形成稳定的电流输出。

固体氧化物燃料电池具有高能量转换效率、低排放和燃料灵活性的特点，在电力和燃料领域具有广阔的应用前景。

它被广泛应用于发电站、交通工具、家用电器等领域，为可持续能源发展做出了重要贡献。

固体氧化物燃料电池电堆固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一类高效能、稳定性良好、使用寿命长的燃料电池。

SOFC 採用固体电解质板，通常是由氧化物制成，作为电池的电解质层。

在两面固体电解质板之间是阳极和阴极，形成一个电池单元或电池堆。

电解质板可以在高温下（700℃-1000℃）传递离子。

这些离子可能是氢气、碳气化物、または甲烷等燃料分子中的氢离子，也有可能是与空气中氧气反应排放出的氧化离子和负电荷。

通过这种方式，可以将化学能转化为电能，并输出热能和水蒸气。

工业领域和燃料电池汽车中SOFC 主要应用于高温、大功率、固定输出的使用场景，如工业领域的能量、材料制造或储存等方面。

SOFC 能够在700℃-1000℃ 的高温环境中运行，可以输出至少数十千瓦的功率，并且具有高效率和高可靠性。

例如，SOFC 在市电停电时可以作为应急电源使用。

此外，SOFC 还可以作为燃料电池汽车的一个支持系统，从而大大提高氢气燃料电池汽车的续航里程。

SOFC 的优势与挑战与其他类型的燃料电池相比，SOFC 具有以下优点：● 高效能和高效率：SOFC 可以在燃料转化为电力和热能时实现高效能和高效率，因此SOFC 的能源使用性能超过其他类型的燃料电池。

此外，SOFC 可以将余热转化为电力，从而提高了总效率。

● 可靠性高：SOFC 没有移动部件，因此具有较高的可靠性和寿命。

此外，SOFC 可以长时间运行，不需要频繁的维护保养。

在合适的条件下，SOFC 可以运行数万小时以上。

● 适用性广：SOFC 能够利用各种类型的氢燃料，如纯氢气或从天然气、煤气或生物质中提取的氢气。

此外，SOFC 还可以通过氢和二氧化碳的混合物产生燃料电池输出，从而促进可持续发展。

SOFC 同时也存在一些挑战：● 高温：SOFC 必须在高温环境（700℃-1000℃）下运行，在运行和停机过程中，SOFC 必须进行缓慢加热和冷却，以避免热震和断裂。

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）作为一种高效、清洁的能源转换技术，在冷热电联供系统中具有广阔的应用前景。

冷热电联供系统是一种集成化的能源利用方式，通过优化热电联产过程，实现能源的高效利用。

SOFC 作为冷热电联供系统的组件之一，具有高效、低排放、灵活性强等优势，因此在能源系统中发挥着越来越重要的作用。

1.SOFC概述SOFC是一种以固体电解质为基础的燃料电池，其主要组成部分包括阳极、阴极和电解质，其中电解质通常为氧化物。

在工作过程中，燃料（通常为氢气、甲烷等）在阳极处发生氧化反应，产生电子和离子，电子通过外部电路形成电流，离子穿过电解质到达阴极，在阴极处与氧气发生还原反应。

这种电化学过程产生的电能可用于供电或其他电力需求，同时SOFC还能够产生高温废热。

2.冷热电联供系统中的应用前景2.1高效能源转换SOFC具有高效率的能源转换特性，其电-热转换效率可达60%以上。

通过将SOFC与其他能源设备集成，如燃气轮机、蒸汽轮机等，可以实现更高效的能源转换，提高整个系统的总体能源利用效率。

2.2低排放与环境友好与传统发电方式相比，SOFC的燃烧过程不仅效率更高，而且排放的主要产物为水蒸气和二氧化碳。

SOFC在冷热电联供系统中的应用有助于减少温室气体排放，符合环保和可持续发展的要求。

2.3灵活性与响应速度SOFC具有较高的热响应速度，可以在短时间内达到额定功率，使其在应对电力需求波动、应急电力供应等方面具备灵活性。

这使得SOFC在冷热电联供系统中能够更好地适应复杂多变的能源需求。

2.4分布式能源系统SOFC可以被部署在分布式能源系统中，通过小型化、模块化的设计，实现能源的近端生产与使用，减少能源传输损失。

这种分布式部署方式有助于提高电力系统的鲁棒性和可靠性。

3.具体应用案例3.1工业厂区冷热电联供将SOFC集成到工业厂区的能源系统中，通过利用SOFC产生的废热供热，同时利用其电力输出满足工业生产的电力需求。

方法是在高温下,在阳极内部CH4直接重整（如图 2.所示）,且水蒸汽重整制氢占据了主导地 位。在内部重整型SOFC中,重整反应所需热量由燃料电池反应供给,因而可以省去传统SOFC
的燃料处理器所需的外部热交换器,在燃料电池内部将重整反应与电化学氧化反应偶联将内
部重整由概念变成现实。
甲烷蒸汽重整过程主要进行如下反应：
（5）甲烷在高温下发生了裂解反应，
CH4→C+2H2
(20)
C+H2O→CO+H2
(21)
但是,甲烷直接进入 SOFC 阳极后,在阳极氧化过程复杂,在阳极表面,甲烷的不完全氧
化、积碳等现象均会导致电池性能下降。基于此,我们在研究甲烷直接转化发电基础上,对甲
烷在 SOFC 中的阳极催化氧化机制作深入研究与探讨。
2.1.2.甲烷直接氧化
甲烷结构稳定,完全氧化转化反应的自由能高。天然气在SOFC中的利用方式有两种,其
一,甲烷经外部催化转化成CO和H2混合气,然后进入SOFC阳极发电,这需要复杂的外部重整 转化设备,投资大,增加了工艺的复杂性;其二,将甲烷直接送入SOFC阳极,在SOFC阳极表面
直接完成转化与发电两个过程,是目前SOFC电催化过程研究中的前沿领域。 因为蒸汽重
2.2.阳极氧化性能研究
上述各个反应与O2-的供应速度密切相关。当氧气进入SOFC本体时,氧在阴极上的还原 反应速度及O2-在固体氧化物电解质中的离子传输速率,直接影响到达阳极表面的O2-数目。在 SOFC系统中,希望到达阳极的O2-数目足够多,使甲烷达到完全氧化反应,释放出最多电子数, 获得高的输出电流密度。氧离子在固体氧化物电解质中的迁移机理分析表明,高活性阴极催 化剂、固体电解质的组成及厚度、系统工作温度都会影响到达阳极的O2-数目。此外,在阳极 与固体电解质之间存在三相界面(tpb),研究表明在tpb处,富集着相当数目的O2-,富集的O2-越多, 积碳现象越少。因此,在阳极催化剂分布时,形成较多的tpb区域是有利的。

平板型SOFC
平板型SOFC的空气/YSZ固体电解质/
燃料电极烧结成一体，组成“三合一”
结构，其间用开设导气沟槽的双极板 连接，使其间相互串联构成电池组。
平板型SOFC的优点：
“三合一”组件制备工艺简单，造价低，由于电流收集均匀， 流经路径短，使平板型电池的输出功率密度较管式高。
平板型SOFC的缺点：
在ＳＯＦＣ中，ＹＳＺ的最重要的用途是制备成致密 的薄膜，用于传导氧离子和分隔燃料与氧化剂。 ＳＯＦＣ阴极－电解质－阳极“三合一”组件有两种 基本结构：电解质支撑型和电极支撑型。两种不同结构 “三合一”组件的电解质薄膜厚度不同。电解质支撑型的 ＹＳＺ薄膜厚度一般在０．２ｍｍ以上，电极支撑型的Ｙ ＳＺ薄膜厚度一般在５－２０μｍ之间。
阳极材料的基本要求：
（1）稳定性 在燃料气氛中，阳极必须在化学、形貌和尺
度上保持稳定。 （2）电导率 阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子
导电率，以降低阳极的欧姆极化，同时还具备高的氧离子
导电率，以实现电极立体化。 （3）相容性 阳极材料与相接触的其它电池材料必须在室
温至制备温度范围内化学上相容。
在ＺｒＯ２晶格中，每引 入Ｙ３＋，就有一个氧空
位产生。
Sr、Mg掺杂的LaGaO3 (LSGM)
ＬＳＧＭ电解质材料的合成通常采用高温固相反 应法。按化学计量比将Ｌａ２Ｏ３﹑Ｇａ２Ｏ３和掺 杂剂ＳｒＣＯ３ ﹑ＭｇＯ混合均匀，在１０００℃
焙烧３６０ｍｉｎ，将得到的粉料重新研磨，将粉
料在１５００结体；将烧结体在研钵内加入乙醇研磨１２
０ｍｉｎ，即可获得ＬＳＧＭ粉料。
ＬＳＧＭ的结构
ＬａＧａＯ３具有扭曲的钙钛 矿结构，倾斜的ＧａＯ６八面 Ｌａ位于正六面体的中心，组 成正交结构的晶胞。

质子导体固体氧化物燃料电池质子导体固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种能够将化学能直接转化为电能的高温燃料电池。

相较于其他燃料电池技术，SOFC具有高效率、低污染、多燃料适用性等优点，被广泛认为是一种有潜力的清洁能源技术。

一、SOFC的基本原理SOFC的工作原理基于氧离子导体材料。

它由质子传导固体氧化物电解质层和阴阳极两侧的电极组成。

当燃料气体（如氢气、天然气等）通过阳极进入与电解质层接触的区域时，发生氧化反应，将氢气转化为水蒸气，并释放出电子。

同时，电解质层中的氧离子受到激活，并通过质子传导固体氧化物电解质层向阴极迁移。

在阴极一侧，氧离子与电子再次结合，与进入燃料电池的氧气反应生成水蒸气。

这个反应过程中释放出的电子可以通过外部电路流动，产生电流，完成电能转化。

二、SOFC的优点1.高效率：SOFC的能量转化效率可达50-70%，远高于燃烧发电等传统能源转化方式。

这主要归功于其高温操作，可在高达800-1000摄氏度的条件下工作，从而最大程度地提高热能利用效率。

2.低污染：SOFC的主要排放物为水蒸气，几乎不产生二氧化碳等温室气体以及大气污染物。

在实际应用中，SOFC还可以通过余热回收、碳捕集与封存等技术进一步减少污染排放。

3.多燃料适用性：与其他燃料电池技术相比，SOFC的燃料适用性更广泛，可以直接利用氢气、天然气、生物质气体等多种燃料。

4.长寿命：SOFC主要由陶瓷和金属材料组成，具有较高的耐久性。

相对于其他燃料电池类型，SOFC的寿命更长，可达数万小时。

三、SOFC的应用领域1.电力站：SOFC可以用作分散式发电系统，为工业和居民区提供电力。

其高效率和低污染使其成为清洁、可靠的能源供应方案。

2.燃料电池车辆：SOFC可以与汽车燃料电池系统相结合，提供高能量密度的能源，延长汽车续航里程，减少尾气排放。

3.制氢：SOFC可以通过水蒸气和电能反应制氢。

SOFC 采用固体氧化物作为电解 质，在高温下具有传递 O2-的能 力，在电池中起着传导 O2-和分 隔氧化剂和燃料的作用。在阴极， 氧分子得到电子还原为氧离子； 氧离子在电解质隔膜两侧电势差 与氧浓度差驱动力的作用下，通 过电解质隔膜中的氧空位，定向 跃迁到阳极侧，并与燃料进行氧 化反应。
固体氧化物燃料电池工作原理示意图
■平板型 SOFC 的优点 ：
“三合一”组件制备工艺简单，造价低，由于电流收集均匀，流 经路径短，使平板型电池的输出功率密度较管式高。
■平板型SOFC的缺点 ：
密封困难、抗热循环性能差及难以组装成大功率电池组。但是， 当SOFC的操作温度降低到 600~800 ℃后，可以在很大程度上扩 展电池采用的选择范围、提高电池运行的稳定性和可靠性，降低 电池系统的制造和运行成本。
? 管型SOFC是目前最接近商业化的SOFC发电技术。西 门子-西屋动力公司（SWPC）； ? 日本的Kansai 电力公司的管型SOFC已经进行了10529h的
高电流密度放电试验； ? 加拿大的Global 热电公司在中温平板型SOFC研发领域具有
举足轻重的地位； ? 中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学物理研
二、工作原理
电池含有阴阳两个电极，分别 充满电解液，而两个电极间则 为具有渗透性的薄膜所构成， 氢气和氧气（空气）分别由阳 极和阴极进入燃料电池。经催 化剂的作用，氢气分解为氢离 子和两个电子，其中氢离子迁 移到薄膜的另一边，电子则经 外电路形成电流后到达阴极。 在阴极催化剂的作用下，氢离 子、氧气、电子发生反应生成 水。因此水是反应的唯一排放 物。
三、电池结构
? 由于是全固体的结构，固体氧化物燃料电池 具有多样性的电池结构，以满足不同需求。 主要电池结构有管式、平板式、套管型、单 块叠层结构及热交换一体化的HEXIS结构等 等。不同结构类型的SOFC在结构、性能及 制备等方面各具优缺点。

Cu-YSZ/Cu-CeO2
• 当采用碳-氢化合物时， 阳极中Ni会促进阳极积碳 反应的发生，导致阳极的 堵塞，严重时会导致电池 碎裂。 • Cu-YSZ/Cu-CeO2 阳 极 材 料 对多种碳-氢化合物的直 接电化学氧化具有良好的 催化活性，同时可明显减 少积碳反应的发生。
固体电解质材料
SOFC的关键是固体电解质，固体电解质性能的好坏将决定燃 料电池性能的优劣。
平板式SOFC的缺点：
密封困难、抗热循环性能差及难以组装成大功率电池组。但是， 当SOFC的操作温度降低到600一800℃后，可以在很大程度上扩展 电池材料的选择范围、提高电池运行的稳定性和可靠性，降低电 池系统的制造和运行成本。
平板式SOFC发展状况
平板式SOFC由于制备工艺相对简单和电池功率密度高的原 因,近几年成为国际SOFC 研究领域的主流,全球约70%的 SOFC研究单位集中在平板式SOFC上。 加拿大的环球热电公司（Global Thermoelectric Inc.）、 美国GE等公司在开发平板型SOFC上取得进展。
(1)较高的氧离子电导率，忽略电子电导率； (2)高温时有一定的相稳定性和机械强度； (3)气密性，要求其达到理论密度的95％以上；
对 电 解 质 的 要 求
(4)良好的抗热震动性；
(5)对于反应气体的化学稳定性： (6)固体电解质薄膜与电极和联接材料间的热膨 胀系数的匹配。
目前可作为SOFC固体电解质材料主要有3类：氧化锆系电解 质；氧化铈系电解质；LaGaO3钙钛矿系电解质。
固体氧化物燃料电池材料
固体氧化物燃料电池由三部分组成：电解质、阴极、阳极， 阴、阳极因功能的差异而组成不同。
阴极材料
电池中的阴极又称为空气电极，即会暴露在氧气中。它的主 要作用是集流体并有极高的还原氧化的点催化活性。

美国阿贡国家实验室还研究开发了叠层波纹板式 SOFC 电池堆，并开发出适合于这种结构材料成 型的浇注法和压延法。 这种结构可省去支撑体，使电池能量密度显著提 高，是比较有前途的SOFC结构。
SOFC国内外研究与开发现状
管型SOFC是目前最接近商业化的 SOFC发电技 术。西门子-西屋(Siemens Westinghouse)动力公司 (SWPC)是高温管式SOFC技术的先锋。 该公司已经制造和运行了多套标称功率至 220 kw 的完整电站系统。 如该公司于 1998 年 3 月生产了置于南加利福尼亚 Edison 的 25kw 联合循环 SOFC 发电系统；于 2001 年在荷兰成功地完成了 100kw 电站的连续 16612h 的运行试验；薄壁多孔支撑管型SOFC单电池已经 连续试验运行7年以上(＞69000h)。
目前该公司已经形成 l Mw/ 年的生产能力，并 开始向市场提供5kw汽车辅助电源。 在欧洲，包括德国、法国、荷兰、英国、西斑 牙、丹麦等多个国家开展 SOFC 的研究与开发。 主要研究进展如下表所示。
技术开发课题
SOFC 处于技术不很成熟的阶段，要进入实用化还有 很多难题需要解决．综合起来有下面的几个方面。
高温下可以允许使用不纯的燃料气体，使 SOFC 与洁 净煤发电技术可以结合起来， FC 反应释放的热量可 以供煤气化和烃类合成所需的能量。 燃料的纯度要求不高使 FC 在使用诸如柴油、甚至煤 油等重燃料操作方面极具吸引力。以天然气为燃料的 发电厂则完全可以免去脱硫系统。
• 电解质稳定：固体电解质通常很稳定，固体电解质 的组成不随燃料和氧化剂的组成而变化的。由于没有 液相的存在，避免了腐蚀和电解液泄漏的发生。
目前 SWPC 电池的预期寿命为 l0 年，未来商品化 50FC发电系统的寿命预计达到10一20年。 此外，该公司为了降低制造成本和提高电池组的输 出功率密度，已用空气极支撑结构替代多孔支撑管 结构。除了 SWPC 和日本的几家公司外，国际上 SOFC 的研发主流是中温 SOFC 电池组的研制与新 材 料 的 开 发 。 加 拿 大 的 Global 热 电 公 司 在 中 温 SOFC研发领域具有举足轻重的地位。 Global的研 发方向为中温平板型 SOFC，主要面向分散供电、 家庭热电联供市场。

氧化锆基固溶体的导电主要是02-，氧离子导电是由 稳定化氧化锆的氧离子通过氧空位的迁移而实现 的。在电场作用下，晶格中的氧离子空位(或氧离 子)发生定向的移动，氧离子由一个位置跳跃到另 一位置时，必定要越过一定的势垒，即产生离子电 导的活化能Ea。在没有外电场时，这些化合物中的 缺陷作无规则的布朗运动，不产生宏观的电流，但 是，当有外电场存在时，外电场会对该类化合物所 带电荷发生作用，使其布朗运动偏向一边，从而导 致宏观电流的产生
YSZ薄膜制各技术
阳极
阴极

双极板
双极连接板(连接件)的功能是连接相邻两个单电池的阳 极与阴极，实现‘电子导通”，它应具有下述特性：
固体氧化物燃料电池的结构
管式固体氧化物燃料电池
陶瓷体间的接触，避免热应力引起的机械失效。
叠层波纹板式固体氧化物燃料电池
第七章 固体氧化物燃料电池
第一节 固体氧化物燃料电池概述 第二节 固体氧化物燃料电池的材料与结构 第三节 固体氧化物燃料电池的产电性能 第四节 固体氧化物燃料电池的前景展望
第二节 固体氧化物燃料电池的材料与结构
电解质隔膜
固体电解质或称为快离子导体，是指在一定温度下 具有较高离子导电性的离子晶体。其晶体结构中有供 离子迁移的通道，或相互连通的大量空隙，大小合适 的离子在电场作用下很容易通过这些空隙而导电。掺 杂氧化锆因具有优异的离子导电性和稳定性，是目前 研究最多和最具有应用前景的氧离子导电固体电解质 材料。
平板式固体氧化物燃料电池

•结构紧凑，抗毒性好
固体电解质与分类：
材料中有电流流过即意味着有带电质点的定向移动。带 电质点携带电荷进行定向输送就形成了电流，称为“载 流子”。载流子可以是电子，也可以是离子或离子团。
金属导电的载流子是电子，金属称为第一类导体；而载 流子是离子的材料称电解质，电解质称为第二类导体。
本世纪初能斯特研究发现一些固体也具有离子导电的性 质。新的发现拓展了人们的视野，逐步将电解质、带电 离子和溶液的概念引入到固体物质中。通常把具有某种 离子或载流子的固体物质称为固体电解质。
通常采用的结构类型有管型和平板型两种。两种 电池结构各自具有不同的特点，因而应用的范围 也不同。 管型SOFC电池组由一端封闭的管状单电池以串 联、并联方式组装而成。每个单电池从内到外由 多孔支撑管、空气电极、固体电解质薄膜和金属 陶瓷阳极组成。多孔管起支撑作用，并允许空气 自由通过，到达空气电极。空气电极支撑管、电 解质膜和金属陶瓷阳极通常分别采用挤压成型、 电化学气相沉积(EVD)、喷涂等办法制备，经高温 烧结而成。 在管型SOFC中，单电池间的连接体设在还原气氛 一侧，这样就可以使用廉价的金属材料作电流收 集体。
目前 SWPC 电池的预期寿命为 l0 年，未来商品化 50FC发电系统的寿命预计达到10一20年。 此外，该公司为了降低制造成本和提高电池组的输 出功率密度，已用空气极支撑结构替代多孔支撑管 结构。除了 SWPC 和日本的几家公司外，国际上 SOFC 的研发主流是中温 SOFC 电池组的研制与新 材 料 的 开 发 。 加 拿 大 的 Global 热 电 公 司 在 中 温 SOFC研发领域具有举足轻重的地位。 Global的研 发方向为中温平板型 SOFC，主要面向分散供电、 家庭热电联供市场。
目前该公司已经形成 l Mw/ 年的生产能力，并 开始向市场提供5kw汽车辅助电源。 在欧洲，包括德国、法国、荷兰、英国、西斑 牙、丹麦等多个国家开展 SOFC 的研究与开发。 主要研究进展如下表所示。

固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高温燃料电池，其工作原理是利用固体氧化物作为电解质，将化学能直接转化为电能。

固体氧化物燃料电池通常由阳极、阴极和固体氧化物电解质层组成。

首先，让我们从固体氧化物燃料电池的工作原理角度来看。

在固体氧化物燃料电池中，燃料（通常是氢气、一氧化碳或甲烷）在阳极处发生氧化反应，释放出电子和离子。

这些离子通过固体氧化物电解质层传导到阴极，与来自外部电路的氧气发生还原反应，生成水和热能。

同时，电子流经外部电路，产生电能。

这种高温下的反应使固体氧化物燃料电池具有较高的能量转化效率。

其次，从固体氧化物燃料电池的优点和应用角度来看。

固体氧化物燃料电池具有高效率、低污染、燃料灵活性和较高的燃料利用率等优点。

它可以利用多种燃料，包括天然气、生物质气体和合成气等，因此在工业、交通和航空航天等领域具有广泛的应用前景。

此外，从固体氧化物燃料电池的发展和挑战角度来看。

固体氧化物燃料电池技术在高温操作、材料稳定性和成本等方面仍面临挑战。

然而，随着材料科学和工程技术的不断进步，固体氧化物燃料
电池正逐渐成为清洁能源领域的研究热点，未来有望成为替代传统
燃料电池和燃煤发电的重要技术。

总的来说，固体氧化物燃料电池作为一种高效、清洁的能源转
换技术，具有广阔的应用前景和发展空间。

通过不断的研究和创新，相信固体氧化物燃料电池将在未来发挥重要作用，推动清洁能源技
术的发展。

（2）Ni-YSZ 金属陶瓷的物理性质 ） 中加入YSZ的目的是使发生电化学反应的 在Ni中加入 中加入 的目的是使发生电化学反应的 三相界向空间扩展，即实现电极的立体化， 三相界向空间扩展，即实现电极的立体化，并在 SOFC的操作温度下保持阳极的多孔结构及调整电 的操作温度下保持阳极的多孔结构及调整电 的操作温度下保持 极的热膨胀系数使其与其它电池组件相匹配。 极的热膨胀系数使其与其它电池组件相匹配。 使其与其它电池组件相匹配 YSZ作为金属 的载体，可有效地防止在 作为金属Ni的载体 可有效地防止在SOFC 作为金属 的载体， 操作过程中金属粒子粗化。 操作过程中金属粒子粗化。
（二）Ni-SDC金属陶瓷阳极 金属陶瓷阳极
相比， 掺杂的CeO2)具有较高的离子电导率， 具有较高的离子电导率， 和YSZ相比，由于 相比 由于SDC(Ni-Sm2O3 掺杂的 具有较高的离子电导率 且在还原气氛中会产生一定的电子电导，因此， 且在还原气氛中会产生一定的电子电导，因此，将SDC等掺入到阴极催化 等掺入到阴极催化 电极内部扩展， 剂Ni中，可以使电极上发生电化学反应的三相界得以向电极内部扩展，从 中 可ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ使电极上发生电化学反应的三相界得以向电极内部扩展 而提高电极的反应活性。 而提高电极的反应活性。 NiO-SDC复合材料的制备可以采用机械复合法，即将ＮｉＯ和ＳＤＣ 复合材料的制备可以采用机械复合法，即将ＮｉＯ和 复合材料的制备可以采用机械复合法 ＮｉＯ 粉料混合后进行球磨，用量少时，用玛瑙研钵进行研磨。 粉料混合后进行球磨，用量少时，用玛瑙研钵进行研磨。
温至制备温度范围内化学上相容。 温至制备温度范围内化学上相容。
（4）热膨胀系数 数相匹配。 数相匹配。 （5）孔隙率
阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系

固体氧化物燃料电池（特点、结构组成、原理）固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。

被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。

固体氧化物燃料电池特点固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。

在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

固体氧化物燃料电池结构组成固体氧化物燃料电池是一种新型发电装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。

固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)组成。

固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。

其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。

工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。

在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。

质子导体固体氧化物燃料电池质子导体固体氧化物燃料电池（Proton-conducting solid oxide fuel cell，简称PSOFC）是一种新型的燃料电池技术，具有高效能、低温操作和环保等优势。

它采用固体氧化物作为电解质，质子作为载流子，通过氧化还原反应将化学能转化为电能，可以广泛应用于电力供应、交通运输和可再生能源等领域。

PSOFC的核心部件是质子导体膜，它具有良好的质子传导性能。

质子导体膜材料通常是由氧化物化合物构成，如钙钛矿结构的BaCeO3、BaZrO3和SrCeO3等。

这些材料具有高的质子迁移率和化学稳定性，能够在较低的温度下实现高效能的电化学反应。

PSOFC的工作原理是将燃料和氧气（或空气）分别供给阴极和阳极，通过电解质层中的质子传导来完成氧化还原反应。

在阴极一侧，燃料（如氢气或可燃气体）与大气中的氧气发生反应，产生水和热能。

在阳极一侧，燃料被氧化并释放出电子和质子。

质子从阳极通过电解质层传导到阴极，与氧气反应生成水。

同时，电子通过外部电路产生电能，完成能量转化。

相比于传统的固体氧化物燃料电池（SOFC），PSOFC具有更低的操作温度。

传统的SOFC需要高温（800-1000℃）才能实现高效能的反应，而PSOFC在400-600℃的温度范围内即可工作。

低温操作使得PSOFC 具有更快的启动和热循环稳定性，减少了对材料的要求和制造成本，同时也提高了系统的安全性。

PSOFC的应用前景广阔。

首先，PSOFC可以作为独立的电源供应，用于替代传统的化石燃料发电。

其高效能和低温操作使得PSOFC在家庭、商业和工业领域都具有潜在的应用价值。

其次，PSOFC还可以应用于交通运输领域，如电动汽车和无人机等。

相比于传统的锂电池，PSOFC具有更高的能量密度和更短的充电时间，可以提供更长的续航里程和更快的充电速度。

此外，PSOFC还可以结合可再生能源，如太阳能和风能，实现可持续发电和储能系统。