1.2　固体氧化物燃料电池简介

1.2.1　SOFC工作原理

目前为止，SOFC主要有管式和平板式两种基本设计类型。相对平板式SOFC，管式SOFC的概念出现的更早，技术也更成熟。现在最先进的管式SOFC燃料电池是由西门子西屋电力公司制作的。他们的概念是建立在一种挤压与烧结成型的阴极管的基础上。平板型SOFC由于具有功率密度高和制作成本低等优点在近些年发展迅速。但在长时间放电稳定性方面，管式SOFC还是远远领先，平板式SOFC在此方面还需要较大的改进［10-11］。

对于平板式SOFC，主要有三种设计概念：阳极支撑、阴极支撑和电解质支撑。电解质支撑SOFC由于具有厚电解质层和高电阻需要工作在较高的温度区域（850～1000℃）。20世纪末以来，研究者们一直尝试将SOFC的工作温度降低到中温区域（600～800℃），研究主要关注点就是研究具有很薄电解质层的阳极支撑的SOFC。

平板式SOFC中采用固态的电解质层，SOFC中使用最多的电解质为钇强化的氧化锆。它的工作原理如图1-1所示。

在阴极侧（空气电极），氧与从外电路过来的电子发生反应变成氧离子，氧离子可以穿过电解质进入阳极侧。

在阳极侧（燃料电极），氢气与从电解质扩散过来的氧离子发生反应，生成水分子并释放出自由电子进入外电路。

在两个电极之间会产生相应的电动势，对于以氢气为燃料的SOFC燃料电池，它的开路电压（The Open Circuit Voltage，OCV）可以用能斯特和热动力方程表示［12］。

式中：E0为SOFC燃料电池在标准状态下的电动势；R为摩尔气体常数；T为开尔文温度；F为法拉第常数；Px为成分x（x=H2，O2or H2O）的气体分压；ΔG为反应的吉布斯自由能；z为反应中电子转移的数目的化学计量数。

从上面表达式可以清晰地看出，在一个特定的温度（T一定）下，开路电压OCV仅仅取决于电极侧氢气与氧气的浓度［13］。当SOFC燃料电池接入外接负载时，它的端电压就会下降，可以表示为

式中：U为电池的输出电压；E为电池平衡电压，正如OCV；η为电极（包括阴极和阳极）极化的电压损失；R为电池总电阻包括电池、连接体以及接触材料的电阻；J为电池工作的电流密度。

一个典型的SOFC燃料电池放电极化曲线如图1-2所示。整个电压下降曲线可明显分为三个区域。在低的放电电流密度下，电压呈现非线性下降，主要是电极电化学反应的活化所引起的电极极化损失。在中等放电电流密度下，电压的线性损失主要来源于欧姆电压降，这个过程中电阻主要是电解质电阻。在高的放电电流密度下，电压的快速衰减主要来源于电池里面气体扩散与热扩散的制约，这取决于气体流量的大小与电极的孔隙率的大小［4］。从这三种情况下考虑，提升SOFC电池性能方法包括提高电池电池电极催化性能、降低电池内阻、改变电池的形态和提高电池孔隙率。

1.2.2　SOFC效率与燃料利用率的计算

在SOFC测试中，效率与燃料利用率是评定它的性能的优劣的两个非常重要的参数［14］。SOFC在实际使用中，常与气体蒸汽发电机进行联产。这样可以充分利用SOFC发电中产生的热能。这种热电联合的发电效率可以接近70%［15-19］。但是，在实验室测试SOFC时，一般只计算讨论其直接发电效率。它的计算公式为

式中：　Pe为SOFC发电输出功率（DC）；S为SOFC电池的有效活性面积；m为通入氢气的质量流量；HHV为氢气在标态下的高热值；J为电池工作的电流密度；V为电池输出电压。

根据式（1-6）和式（1-7）可以计算出在SOFC测试中的发电效率。一般在实际测试中使用更多的概念是燃料利用率，它对实验研究更具有参考意义。

一般用电流密度与面积的乘积来表示SOFC电池的电流，即

假设通入阳极侧的H2全部反应产生电子，这时候得到的电流称为理论电流，即理论上发电可以达到的最大电流。

式中：n为单位时间内通入的H2的摩尔数；z为反应中电子转移的数目的化学计量数；F为法拉第常数。

燃料利用率Uf%的计算为

1.2.3　SOFC电堆

SOFC单片电池的放电电压仅在1V左右，一片有效活性区域100cm2的单电池输出功率也仅在60W左右。因此，在实际操作中需要将多个单电池串联起来做成电池堆，以提供可观的发电功率，其组装形式主要由单电池形态决定。

管式SOFC发展相对更早，其电堆组装技术更为成熟。管式SOFC具有自密封特性，做成电池堆时不需要高温密封材料，这很易于电池之间的连接。管式单电池的结构稳定，一般不容易产生开裂。但管式单电池也存在缺陷，由于其结构所限定，电流在电池内部流经路径较长，内阻相对过高，同时由于管体支撑物体积较大，能量密度偏低，制造成本也一直偏高。

相对而言，平板式SOFC单电池电解质较薄，单电池电阻较小。而且制作简单成本低。尽管存在高温密封困难等缺点，但还是成为了可能取代管式SOFC的新一代固体氧化物燃料电池的热门。

由于电池单体电压和功率大小限制，SOFC要实现实用化，需要将单电池组装成电池堆以达到更大的输出功率。燃料电池电池堆的设计，必须要实现以下功能：

（1）提供低电能损失连接，将多个单电池串联起来，并收集电流。

（2）提供相互隔绝的气路，以便向各个电池均匀地分配燃料和氧化剂。

（3）提供可靠的电池间密封方案。

（4）对于高功率电池堆，提供有效的冷却设计。

（5）简单且制造成本低。

平板SOFC电堆结构简单，一般包含由两个多孔电极与电解质结组成的三层结构，包含四个主要部件：阴极、阳极、电解质和连接体，如图1-3所示［20］。阴极侧注入空气流后，空气分子得到外电路的电子，产生氧离子，氧离子通过电解质进入阳极侧。燃料气流沿阳极注入后，氢气与氧离子反应产生水和热，电子动过阳极和外电路回到阴极产生电能［21］。