文 献 综 述

1.1 前言

能源供应安全是保障社会经济发展的基本保证，要建立预警机制和有效的应对措施，保障经济和民生的能源需要。长期以来，宝贵的能源资源没有得到合理高效的利用，加剧了资源开采的强度，使得资源迅速枯竭。目前我国所用的能源仍然是以化石燃料为主的传统能源，这些传统能源的能量转化率低、污染严重、储量有限且不可再生。能源发展长期根本的出路在于技术的创新和发展。而可再生能源的利用密切关系着国民经济的可持续性发展，是国家战略安全保障的基础之一。燃料电池能将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，是一种高效、清洁的能量转换装置，被称为21世纪的绿色能源^[1]。

传统的发电模式是通过把燃料燃烧，把化学能转化为内能，内能使蒸气蒸发推动发电机叶轮，转化为机械能，最后将机械能转化为电能。由于这个过程受到卡诺循环的制约，所以效率偏低。而燃料电池是直接将化学能转化为电能，理论上效率可达100%，实际使用效率（亦可达40-60%）是内燃机的2-3倍^{[2, 3]}。燃料电池用燃料和氧气作为原料，排放出的有害气体极少；其结构简单而且没有运动组件，没有振动，噪音很低；其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道，本身不参与化学反应，故损耗小，寿命长^[4]。燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声并具有连续工作和积木化的电源装置^[5]。根据电解质隔膜材料的不同，燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池及直接甲醇燃料电池等。其中固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池由于其高的功率密度和全固态结构成为最具发展前景的燃料电池，并逐步走向商业化。

1.2固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池(SOFC)，又称陶瓷膜燃料电池，它是第三代大功率、民用型燃料电池，采用固体电解质的全固态能量转换装置，避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解质流失等问题^[6]。此外，高温下SOFC的电极反应很迅速，无需采用贵金属电极，可以大大降低电池成本。而且，电池产生的废热可以达到65%以上^[7]。更重要的是，SOFC具有多燃料适应性，除H₂和CO等燃料气外，还可以使用天然气、液化气、煤气等烷烃类燃料，甲醇、乙醇、二甲醚、汽油、柴油等液体燃料也可以直接使用^[8]。这些优点使得SOFC具有广泛的应用前景。

1.2.1 SOFC的特点

SOFC单体电池是由阴极（氧化剂电极）、电解质和阳极（燃料电极）组成的三合一结构^[10-15]，单体电池通过连接板串联形成电池堆，电池堆可以单独或经串、并联后向外供电。在各类燃料电池中，固体氧化物燃料电池具有独特的优点，在大、中、小型发电站，移动式、便携式电源，以及军事、航空航天等领域有着广阔的应用前景。它显著的优点主要表现在^[9-14]：

(1)采用全固态的电池结构，避免了像熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)那样使用液态电解质会带来腐蚀和电解质流失等问题；

(2)电池在高温下工作，电极反应相当迅速，无需采用贵金属电极，因而电池成本大大下降；