文 献 综 述

1.前言

能源是人类生存和社会发展的基础，但随着人类社会的发展，地球上的资源日益减少，人们生活的生态环境也遭到了严重破坏。面对能源短缺和环境破坏的双重挑战，新能源的开发、利用和现有能源的高效利用得到了各界人士的广泛思考和关注。目前，科学家们已经开发了风能、潮汐能、核能、地热能和太阳能等多种新能源，并将新能源投入到实际的生产和生活中加以运用，部分解决了人类社会发展的能源需求。人类社会现有的能源危机和环境污染问题，很大部分的原因在于能源没有得到合理、高效的运用，因此，发展高效、绿色的能源技术是解决能源问题的重要途径之一。燃料电池(FC)具有转换效率高、零污染等优良的特点，是继水电、火电、核能之后的新一代发电技术，是一种可以直接将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的装置，避免了传统火力发电过程造成的热量损失，实现了能量的高效转化。其优越的性能引起了科研人员的广泛研究，使得燃料电池的开发得到了迅猛的发展，目前按所用电解质的不同可以将燃料电池分为以下五大类：碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell, AFC)、质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、磷酸盐燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)^[1,2]。

表1. 不同种类燃料电池的参数^[3]

在目前所有的燃料电池中，固体氧化物燃料电池（SOFC）除了具有一般燃料电池的优点外，还具有以下优势：（1）燃料适应性广，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。（2）能量转换效率高，可将化学能直接转化为电能；工作时产生的高温余热可很好利用,从而提高燃料的总利用效率，理论上电池的总效率能够达到80%^[4,5]。（3）全固态结构，不存在电解质腐蚀金属、电解液流失的问题。（4）运行温度高, 反应快,不需要贵重金属作为催化剂，降低了制备电池的成本。这种新型发电装置在大型集中供电、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^[6]，都有广阔的应用前景。

2.SOFC的工作原理

固体氧化物燃料电池单体主要由阳极(anode)、阴极(cathode)、电解质(electrolyte)三个部分构成，与其它燃料电池最大的区别在于SOFC使用的电解质是固体氧化物。SOFC的工作原理如图1所示。阳极一侧通入燃料气，经具有催化作用的阳极表面吸附，燃料气通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质界面。阴极一侧通入氧气，氧化剂在阴极被还原，使得O₂ 得到电子变为 O^2-，然后 O^2-通过固体氧离子电解质扩散到电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去电子，实现化学能到电能的转换^[7]。

整个电池的电极反应为：

阴极：1/2O₂ 2e^- #174; O^2-；阳极：H₂ O^2- #174; H₂O 2e^-；总反应：1/2O₂ H₂ #174; H₂O。#160;#160;#160;#160;

图1. 固体氧化物燃料电池的工作原理