1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）概述
固体氧化物燃料电池是燃料电池的一种，采用诸如掺杂氧化钇（Y2O3）的氧化锆（ZrO2）之类的固态氧化物作为电解质，可以直接利用由化石能源、生物质能转化得到的碳氢化合物气体作为燃料，经过外部或内部重整反应和电极内的电化学反应，将燃料的化学能转化为电能。SOFC除了具备一般燃料电池的高效率、低污染等优势外，还有如下几个特点[10]。
（1）燃料供应灵活
SOFC可以使用各种碳氢燃料（H2，CH4，CO，汽油，天然气等），与MCFC和PAFC的燃料需求类似，而AFC和PEMFC则依赖高纯度氢气供应，氢气的压缩、储运都不容易解决且供应网络不成熟。
（2）高品质余热利用
燃料电池将燃料转为电能的同时会释放一部分热能，对于高温工作的SOFC和MCFC余热温度高，热电联供能量利用率可高达80%以上，而PAFC、AFC和PEMFC等低温燃料电池余热利用经济性不高。
（3）电池寿命长
SOFC全固态结构，无电解质的蒸发与泄露问题，也不必考虑由液态电解质所引起的腐蚀和流失等问题，使用寿命较长，德国尤利希研究中心开发的一款高温燃料电池从2007年8月开始工作，目前已经连续工作超过7万小时，MCFC也达到4万小时，而低温的PEMFC目前仅有5000小时寿命。
（4）电池成本低
通用公司的SOFC成本已降到388美元/kW，很接近火力发电机组的成本了，而PEMFC或DMFC因为需用贵金属催化剂和使用高纯度氢气，成本比较高，通用公司的PEMFC约1500美元/kW，MCFC约1715美元/kW。
（5）开机时间长
因为高温运行，SOFC需用加热才能使用，因此启动速度较慢，大型SOFC机组启动需数小时之久，而室温型的AFC和PEMFC都只要打开电源就可使用。
1.3.1 SOFC基本原理
SOFC具有“三明治”结构，由多孔阳极层-致密电解质层-多孔阴极层三层组成，其中电解质为固体氧化物材料。不同于普通化学反应，电池中的燃料气和氧化气并不直接接触，而是分别发生半电化学反应，二者空间上互相分隔，通过电极传输电子，通过电解质传输离子。整个工作过程主要有6个步骤：反应物输送到燃料电池、反应物在气道内传输、在电极与电解质交界面上发生电化学反应、离子和电子传导、生成物排出。
图1.5是SOFC电化学反应原理示意图，以氢氧反应为例，阴极一侧的反应可简单表述为：
（1.1）
图1.5 SOFC电化学反应原理[15]
Figure 1.5 The principle of SOFC electrochemical reaction[15]
其电化学反应涉及的氧气存在于电极气孔中，电子通过电子导体相传输，而氧离子通过复合电极内的离子导体相传输。
氧离子通过致密电解质传导到阳极侧，并与氢气发生反应对外输出电子电流。
（1.2）
其总反应可表示为
（1.3）
由反应方程式可得，每消耗一个氢气分子就有两个电子绕外电路循环一圈。因此每消耗1mol氢气，在回路中传输的电荷总量为，
（1.4）
式中，N表示阿伏伽德罗常数（表示每摩尔气体的分子数量）；e为单位电子电量；F为法拉第常数。若用ENernst表示SOFC的开路电压，则移动这些电子所做的电功为-2FENernst。
1.3.2 SOFC常见类型
由于SOFC的全固态结构，因此在其结构与外形设计上可有多种选择，可以根据不同的使用要求和所处环境进行设计。设计时应以性能可靠、便于放大和维修以及价格合理为原则。目前，常见的设计有平板式、管式和瓦楞式[25]。每种设计都各具特色，分别介绍如下。
（1）平板式SOFC
平板式SOFC结构如图1.6所示，阳极、电解质、阴极形成三层平板式的结构。然后将双面刻有气道的连接板置于两个三层板之间，构成串联电堆结构，燃料气和氧化气垂直交叉从连接板上下两个面的气道中分别流过。
图1.6 典型平板式SOFC结构[25]
Figure 1.6 The typical plannar SOFC structure [25]
平板式SOFC的优点是电池结构及制备工艺简单，成本低；电流通过连接体的路径短，电池输出功率密度较高，性能好。但是，其高温无机密封比较困难，由此导致了较差的热循环性能，影响平板式SOFC长期工作的稳定性。然而，随着SOFC运行温度的低温化，不锈钢等合金材料也可应用到连接体，这在一定程度上降低了对密封等其他材料的要求。
（2）管式SOFC
管式SOFC最早是由美国西屋公司开发出来的，也是目前应用较成功的SOFC构型。其结构如图1.7所示。
图1.7 管状SOFC结构[25]
Figure 1.7 The tubular SOFC structure[25]
该公司设计的结构是，阴极、电解质、阳极由内至外依次分布形成管式。管式SOFC相对于平板式SOFC的最大优势是单管组装简单，无需高温密封，可依赖自身结构分隔燃料气和氧化气在管的内外，而且易于以串联或并联的方式将各单管电池组装成大规模的燃料电池系统，在机械应力和热应力方面也比较稳定，但管式SOFC的电流沿着环形电极流动，电流的传输路径长，导致电池的欧姆损耗较大，功率密度偏低[15]。
（3）瓦楞式SOFC
瓦楞式SOFC与平板式SOFC在结构上相似，主要区别在于瓦楞式SOFC将三合一的夹层平板结构（PEN板）板制成了瓦楞型，瓦楞式SOFC自身就可以形成所需的气体通道，无需像平板式SOFC那样在连接体两侧刻有气道，如图1.8所示。
图1.8 瓦楞式SOFC结构[25]
Figure 1.8 The corrugated SOFC structure[25]
更有利的是瓦楞式SOFC无需支撑结构，体积小、重量轻，有效反应面积比平板式大，内阻小，电池输出功率密度及效率均得到一定提升，且无需采用高温封接，结构牢固、可靠性高。然而，由于电解质陶瓷材料本身脆性较大，其瓦楞式结构使得制备工艺要求非常高，一次烧结成型存在一定的难度，目前尚处在实验阶段[26]。
1.3.3 SOFC部件材料
（1）电解质材料
固体电解质是SOFC结构中最重要的部件，承担着氧离子传递、分离空气与燃料以及防止电子穿透的作用，其性能优劣直接影响整个电池的能量转换效率，并决定电极材料的选择。
常用的SOFC电解质材料有氧化钇掺杂的氧化锆（YSZ）[27]。
（2）电极材料
电极由多孔电极和其表面的催化剂层组成，多孔状电极有利于物质扩散，催化剂可加速分解燃料或氧气。
如果SOFC的电解质材料采用YSZ，与之匹配的阳极采用50～100μm厚的Ni-YSZ，其中Ni是阳极催化剂，阴极材料则用镧锶锰LSM[28]。
（3）连接体材料
连接体保障了相邻两个单电池之间的电路畅通，并分隔燃料及空气，亦起到了传导热量的作用。
SOFC常使用高温导电陶瓷材料，如掺杂铬酸镧钙钛矿氧化物[29]，也有采用合金材料的[30]。
（4）密封材料
密封材料分隔氧气与燃料，防止燃料渗漏，结合不同组件，保证彼此的绝缘性。SOFC密封材料分压实型和黏结型两类。比较常用的是云母及云母基复合材料[31]。