固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一个将化石燃料(煤、石油、天然气以及其它碳氢化合物等)中的化学能直接转换为电能的发电装置[1]。能量转换是通过电极上的电化学过程来进行的，阴极和阳极反应分别为：

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种中高温燃料电池可以直接以碳氢化合物或其重整气为燃料，具有高能效和低污染等突出特点，同时还具有低温燃料电池不具备的燃料可选择范围大的优点：除了氢气外，一氧化碳，醇，烃，氨气和固态碳都可以作为其燃料，同时值得注意的是SOFC具有较高的功率密度，同时避免了低温燃料电池只能使用贵金属电极材料的缺点。因此被认为是会在将来广泛应用的一种燃料电池[2]。在满足电力需求的同时，SOFC还可以提供热水、取暖或与蒸汽涡轮机相联进行二次发电。在热#8212;电联供(Combined heat and power，CHP)的情况下，能量转换效率可以高达85％[3]。可以设计成一定大小功率的基本标准模块，如数千瓦或兆瓦等，根据用电的需求，灵活地增加或减小电站的供电能力。

单一的SOFC由两个多孔电极和两电极之间致密的氧离子导电电解质层。在阴极(空气极)方面，氧分子得到电子被还原成氧离子，氧离子在电极两侧氧浓度差驱动力的作用下，通过电解质中的氧空位定向跃迁，迁移到阳极(燃料电极)上与燃料气体进行氧化反应，电子传到外回路，形成电流，带动负载工作。传统的SOFC必须在800℃以上的温度下进行操作才能得到较高的功率输出，但高的操作温度不仅对电池的连接密封材料的选择提出了苛刻的要求，而且加剧了电池组件间副反应的发生，使电池的成本居高不下，从而限制了其市场的发展，所以降低SOFC的操作温度成为当前SOFC的研究热点之一[4,5]。

1 Ni基复合阳极催化剂

由于Ni具有高催化活性和低成本的优点，已成为普遍采用的阳极材料。多孔Ni/YSZ (Y₂O₃稳定的ZrO₂)或Ni/ZrO₂是目前研究最多、用得最广的SOFC阳极材料[6-8]。然而，由于镍是碳氢化合物裂解的优良催化剂，如果操作条件不当，积碳反应很容易发生，生成的碳沉积在镍的表面，如果这些碳不能及时地被氧化掉，就会堵塞阳极的孔，覆盖阳极反应活性点，影响电池的输出性能。

传统阳极的修饰是一种简单易行的方法，其可用于合理的解决积碳问题。甲烷部分氧化、二氧化碳重整生成混合气被认为是最有效的能提高电池性能和抗积碳的方式。直接甲烷SOFC在操作和设备上最为简单，在国际上已开始引起人们极大的兴趣。贵金属催化剂已经被证明有很好的催化活性，并且具有比镍强很多的抗积碳性能。贵金属因其昂贵的价格成为其工业化的主要障碍，所以开发低廉高效的催化剂很有必要[9]。以镍铁合金为阳极的电池被证明有很好的电化学性能，并且具有较高的机械强度[10]。氧化锆在一些镍基反应中作为催化剂助剂和载体有很好的作用，如在甲烷的水蒸汽重整、二氧化碳重整和部分氧化中都能得到很好的效果[11]。研究表明，通过甘氨酸燃烧法（GNP）合成的催化剂中，Ni4Fe1-ZrO₂具有较好的抗积碳能力，并且催化活性与Ni-ZrO2相当。Fe的引入也减少了Ni-ZrO₂催化剂表面石墨化碳的量，这意味着催化剂表面的积碳更易被消除。在甲烷部分氧化的实验中，Ni4Fe1-ZrO₂表现出了优异的稳定性能。以Ni4Fe1-ZrO₂为阳极功能层，CH4-O₂混合气体为燃料的电池在850 ℃的最大功率密度为1038 mW cm^-2，与以H₂为燃料时相当。

2 Cu基复合阳极催化剂

美国宾夕法尼亚大学Gorte 研究组[12-15] 在使用Cu-氧化铈作直接碳氢化合物SOFC 的阳极方面作了很多工作。他们用Cu代替Ni的主要原因是Cu对碳氢化合物的裂解反应有抑制作用,这使得很多碳氢化合物燃料能在750 ℃以下的温度工作而不产生积碳。尽管Cu满足很多阳极的要求,例如它的电子导电率很高,但它对电池的电化学反应的催化活性却比Ni低。此外,它的低熔点给用传统工艺制作SOFC造成一定困难。宾夕法尼亚大学的研究组采用特殊的工艺制成带有致密YSZ电解质膜的阳极多孔YSZ支架,然后通过硝酸盐热分解反应向支架中填充GDC(掺Gd 的CeO₂ )和Cu。制成的电池采用氢气、甲烷、乙烷、丁烷等作燃料进行了运行。电池在氢气中的性能很好,开路电压约1.1 V ,最大功率密度约为0.3 W/cm² 。采用碳氢化合物燃料的性能差一些,开路电压在0.8 #8212;1.0 V之间,电流密度低得多。最大功率密度在100 #8212;120 mW/cm² 。

3.结语

甲烷来源丰富，在阳极的反应方式多种多样，具有不同的特点，以甲烷为燃料的固体氧化物燃料电池适用于不同的场合，因此甲烷作燃料应用于SOFC具有很大的发展前景。但是，甲烷作燃料仍旧存在许多难题:阳极积碳问题至今没有很好解决；内部重整过程导致多种气体共存于阳极，反应纷繁复杂，反应机理和动力学行为难以把握；蒸汽重整过程是剧烈吸热反应， 而部分氧化过程是放热反应等等，因此进一步开发新的阳极材料，使其能够有效控制阳极反应过程，以实现热效应匹配和热平衡，从而减少电池热应力，并提高电池效率，减少阳极积碳产生，提高电池寿命，这些都是以甲烷为燃料SOFC亟待解决的问题。这些问题如能解决，将有助于甲烷在SOFC中的应用，早日实现燃料电池的实用化。