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SOFC单电池是一层致密的电解质材料与两层多孔电极三层结构组成的电化学发电装置，多孔电极主要发生电化学催化反应及其传输电流，电解质层传导氧离子或是质子，并且具有隔离作用 ［51］ 。SOFC的工作原理如图1-1所示。
图1-1 SOFC的工作原理
阳极端（是燃料发生氧化反应的主要场所）通入燃料气（H 2 、CO、CH 4 等），阴极端（是氧化剂发生还原反应的主要场所）通入氧化气（O 2 或者空气）；电解质隔断氧化气和燃料气直接接触；O 2 在阴极端发生吸附和催化反应，得到由外电路传导来的电子生成O 2- ，O 2- 通过电解质传导至阳极端；燃料气体在阳极端发生吸附和催化反应，与O 2- 反应并向外电路释放电子 ［54］ 。
SOFC具有如下的一系列优点：（1）不受卡诺循环限制，能源转换效率高，污染小；（2）使用全固体组件，不存在蒸发、腐蚀和电解液流失等问题；（3）操作温度高，排出的高质量余热既可用于取暖也可与蒸汽轮机联用循环发电，可提高能量利用综合效率；（4）不需使用贵金属电极，因而电池成本大大下降；（5）燃料范围广，不仅可用H 2 和CO，而且可直接用天然气和其他碳氢化合物为燃料 ［53］ 。
燃料气和从电解质中迁移过来O 2- 在阳极反应，因此阳极材料应满足：（1）电子导电性好，反应时能够实现快速电荷交换；（2）透气性好，使燃料气顺利地扩散到电极各处参与反应并将产生的水移走；（3）在还原气氛下稳定，对燃料气具有良好的氧化催化活性；（4）耐热，能够适应从室温到高温的热循环，还要有合适的力学、热力学和化学兼容性，以匹配SOFC其他元部件。
鉴于这些要求，只有少数金属或陶瓷可作为备选材料。目前最常用的阳极材料为金属陶瓷复合体，如Ni-YSZ（钇稳定的ZrO 2 ）金属陶瓷，YSZ一来可作为Ni粒子的支架，限制Ni金属晶粒的增长和团聚而导致阳极活性降低，同时使得阳极的热胀系数与电解质（YSZ）相匹配，保持Ni的分散性和阳极的多孔性，多孔Ni粒子不仅可以提供阳极中电子流的通道，还对氢的还原有催化作用；二来可提供氧离子电导，使阳极的电化学反应活性区域得到扩展，但Ni陶瓷阳极使用碳氢化合物为燃料时碳氢键会催化断裂，造成阳极上碳沉积，会破坏阳极的多孔性结构，阻碍燃料气与Ni的接触，而且Ni的活性位会被碳覆盖，从而电池的活化极化被大幅增加导致电池性能降低，制约Ni基阳极应用的另一障碍是较低的耐硫性。目前，探索防止碳沉积的阳极新材料已经成为SOFC最活跃的研究领域之一 ［52-55］ 。
SOFC的阴极是为氧化剂的电化学还原提供场所，因此阴极材料应具备：（1）高的电子导电率；（2）在高温氧化状态下耐腐蚀；（3）透气性好；（4）与电解质的热匹配性好。
Ag、Pt、Pb等对氧分压变化敏感，具有优良的吸附、催化、抗中毒性能，是人们较早深入研究的一类阴极材料，但是由于其成本较高和高温稳定性差等原因，目前已很少单独使用，对于贵金属修饰的陶瓷的阴极氧还原催化机制有待进一步研究。
钙钛矿结构的ABO 3 型氧化物和类钙钛矿的A 2 BO 4 型氧化物是目前研究较热的阴极材料，比较常见的钙钛矿阴极有锰酸镧基和亚钴酸镧基阴极材料，其中以比较有实用性的La 1-x Sr x MnO 3 （LSM）为代表。
SOFC的连接材料主要起到：一将电池单元之间点连接起来，二是将阴极氧化气和阳极燃料气隔开的作用，因此应具备：（1）好的电子导电性和低的离子导电性；（2）在氧化与还原气氛中性能稳定；（3）与电池各结构材料不发生反应又有良好的热匹配性；（4）较高的机械强度和热导率以及不透气 ［52］ 。目前研究最深入且应用效果最好的连接材料是Ca、Sr或Mg掺杂的铬酸镧钙钛矿材料。这类材料在高温下化学稳定性和热匹配性都比较良好，与其他连接材料相比价格相对昂贵，机械强度和导热性较差，在高温下Cr 2 O 3 易挥发，但是这类材料延展性优良，容易加工成型，并且电子电导和热导率都很高，基本满足SOFC连接材料的要求 ［55］ 。
电解质是SOFC的核心，一般都是采用陶瓷氧化物制作，电解质的性能直接影响电池的工作温度和性能，主要起到对燃料气及氧化气的隔离作用和在阴、阳极之间传递氧离子的作用，因此必须满足：（1）氧离子导电率高，较低的电子电导率；（2）相稳定性好；（3）有足够的机械强度；（4）抗热冲击性好；（5）在反应气体中具有最佳稳定性；（6）不透气性。
现在研究较多类型主要有萤石型、钙钛矿型和磷灰石型等，下面将主要说明ABO 3 型钙钛矿电解质 ［58-93］ 。钙钛矿型高温质子导体分为两类：第一类是简单钙钛矿型结构，通式为ABO 3 ，A代表+2价阳离子，如Ba 2+ 、Ca 2+ 、Sr 2+ 等，B代表+4价阳离子，如Ce 4+ 、Zr 4+ ，经过低价元素M（如三价稀土）掺杂后，产生氧缺陷，可表示为AB 1-x M x O 3-δ （x是掺杂元素形成固溶体的范围，通常≤0.2，δ代表每个钙钛矿型氧化物单元的氧缺陷数）；第二类是复合钙钛矿型结构，通式为A 2 （B′B″）O 6 和A 3 （B′B″ 2 ）O 9 ，这里A通常代表+2价阳离子，B′离子为+3价或+2价，B″代表+5价阳离子。B′与B″偏离了化学计量比后，产生氧晶格缺陷，化学通式可以表示为A 2 （B′ 1+x B″ 1-x ）O 6-δ 或者A 3 （B′ 1+x B″ 2-x ）O 9-δ ［72］ 。
钙钛矿结构示意图如图1-2所示，在钙钛矿的晶格结构中，半径较小的B位离子和O离子构成BO 6 八面体结构，O离子位于此八面体中心，而B位离子位于立方体的8个面的中心，半径较大的A位离子位于立方体的8个顶点。当低价元素对A、B位元素进行掺杂时，晶体无法通过阳离子的变价达到电中性，从而产生氧离子空位即点缺陷，引起氧离子电导 ［56］ 。由于A离子与O离子同在一个密堆层，其结合具有离子键的特征，因此A位的价态变化必然直接影响O离子的状态，是产生氧空位的直接原因。而B位离子价态的变化也会随之影响周围O离子的配位状态，并引起多面体结构的演变。这意味着B位离子价态的调整同样有利于氧空位的形成 ［57］ 。这一结构中，A位元素通常为大半径、低电价的La系稀土金属元素，B位元素通常为化合价较高而半径较小的过渡金属元素。材料的电导率与A位元素密切相关，在A位掺杂碱土金属，会明显提高其电导率，其中Sr掺杂的电导率最高。发现最早、应用最广的是以二价碱土氧化物和三价稀土氧化物稳定的钙钛矿型结构的ZrO 2 固溶体。在氧离子导体电解质材料中，LaGaO 3 基材料是比较典型的钙钛矿型氧化物，这一结构中A位的La 3+ 可以被Ca 2+ 、Sr 2+ 、Ba 2+ 等取代，B位的Ga 2+ 可以被Mg 2+ 、Fe 2+ 、Co 3+ 等取代。当A位和B位的离子被部分取代后，会产生氧空位，从而较大程度地增加了离子导电率。研究发现，经过掺杂的LaGaO 3 的离子导电性可以扩展到很低的氧分压范围 ［57］ 。
图1-2 钙钛矿结构示意图
目前对钙钛矿型质子导体的研究主要集中于高的质子传导性能和高质子浓度等方面，而研究存在的问题主要是如何提高固体电解质质子传导效率。岩原发现，某些以低价金属阳离子掺杂的钙钛矿型SrCeO 3 和BaCeO 3 烧结体在高温下不含氢气或水蒸气的气氛中表现为P型电子导电，当该气氛为H 2 或水蒸气时，电子导电性降低，质子导电性增加，而在纯氢气气氛中则几乎显示纯质子导电性，电导率可达到10 －2 ～10 －3 S·cm -1 。这种质子导电的出现是建立在晶体中电子空穴的消耗上，导电不是由于晶界而是由于晶体本身产生的，氧化物中掺杂的离子对质子导电的发生是必不可少的，掺杂所产生的电子空穴和氧离子空位对质子的产生起着重要的作用 ［56］ 。