1.1 SOFC工作原理

SOFC单元由阳极、电解质、阴极、连接板与流道构成 ^[2] ，工作原理如图1-1所示。多孔阳极与阴极由致密离子导体电解质分隔，燃料和空气分别经由阳极、阴极流道通入到阳极与阴极，燃料在阳极发生氧化反应、氧化剂在阴极发生还原反应，产生的电子由外电路传导，而离子经由电解质传输。传统的SOFC电解质为氧离子导体电解质，如氧化锆基电解质，而典型的阳极材料为离子导体陶瓷与电子导体金属构成的金属陶瓷，如镍基陶瓷 ^[3] 。由于Ni可以作为碳氢燃料的重整催化剂，因此，在阳极除了发生电化学氧化反应之外，还会发生碳氢燃料的重整反应。SOFC的阴极材料一般为混合导体钙钛矿陶瓷，如镧锶锰（LSM）与镧锶钴铁（LSCF）等。

按照支撑体结构不同，SOFC主要可分为电解质支撑、阴极支撑、阳极支撑、陶瓷支撑与金属支撑SOFC等构型，如图1-2所示。最初SOFC采用电解质支撑构型，但较厚的电解质要求操作温度达到1000℃左右以降低欧姆阻抗、提升电池性能。随后发展的阴极、阳极支撑SOFC可将电解质厚度降为十几微米，并将工作温度降低至600～800℃。传统的陶瓷基支撑SOFC在动力系统温度频繁变化的场合易出现热应力导致的失效问题，值得关注的是近年来发展的金属支撑SOFC，采用多孔金属作为SOFC支撑体，从而可以显著提升其抗热震性。

按照电池单元的构型分类，SOFC主要有平板式与管式两种构型，如图1-3所示。平板式SOFC的主要特点为加工制造简单、功率密度高等，但存在启动速率慢（1～2℃/min）、高温密封困难等问题 ^[4] 。管式SOFC由于其集流路径长导致功率密度低，但其优异的鲁棒性与热循环性能使其更适用于频繁启停的动力系统中 ^[5] 。

在实际应用中，多个SOFC单元需要通过串并联组成电堆，SOFC电堆需进一步结合其他系统辅助部件（Balance of Plant，BOP），如燃料重整器、热交换器、尾燃器等，从而形成完整的SOFC系统，同时，为满足动力系统频繁变化的负荷需求，还需要发展先进的控制策略，实现动力系统的精确控制。