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在能源与环境备受人类关注的今天，燃料电池的研究开发已经越来越受到各国政府和专家的重视。燃料电池最大的优势是高效和环境友好。目前普通燃油发电机只能把18%的化学能转化为电能，如果是汽车发动机，其最终转化率还不足15%。相比之下，不少燃料电池都可以实现30%到50%的转化率。高效率意味着燃料电池能够在消耗更少燃料、产生更少污染的情况下，产生与传统发电厂相同的电量。燃料电池是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置。由阳极、阴极和两极之间的电解质组成，表示为燃料||电解质||氧化剂。它工作时，需要不断地向电池内输入燃料和氧化剂，并同时排放反应产物。与一般电池不同，普通电池需要事先将电能转化为化学能储存于其中，而燃料电池是一种发电装置，理论上只要保证燃料供应，就能持续不断产生电能[1]。
1.1.1 燃料电池分类
燃料电池按其工作温度不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。
图1.1 SOFC的工作原理示意图
燃料电池的基本原理可以用图1.1来说明。这里以固体氧化物燃料电池(SOFC)为例。电解质与附于其两面的阴极和阳极构成燃料电池的主体。在阳极一侧通入氢气(H2)，在阴极一侧通入氧气(O2)，若外电路连通，则会有电流流过负载。电池工作时所进行的电化学反应可作如下概念性描述:在阳极，H2失去电子被氧化成氢离子(H+)，氢离子与晶格氧结合成水(H2O)，在电解质晶格中留下氧空位，电子则通过外电路向阴极转移;在阴极，O2得到来自外电路的电子还原成O2-，进而进入电解质中的氧空位格点[2]。在电解质中，氧空位可以在两电极处浓度差的作用下，逐渐由阳极向阴极扩散迁移，最终到达阴极，参与阴极反应。燃料电池电极反应为:
阴极：1/2 O2+2e-=O2-论文网
阳极：H2+O2-=H2O+2e-
总反应：1/2O2+H2=H2O
1.1.2 燃料电池的应用
燃料电池既适合作为城市大型发电厂，也适合作为医院、商场、集体宿舍、边远山区的小型发电装置，以及日常和国防行走机械的动力系统。燃料电池的研究和发展，对社会的可持续发展和经济建设均有重要意义。
1.2 固体氧化物燃料电池(SOFC)
1.2.1 固体氧化物燃料电池简介
固体氧化物燃料电池是一种燃料气和氧化剂气体通过离子导电的氧化物发生电化学结合而产生电能的全固态能量转化装置。它的基本组成包括电极(阴极和阳极)、电解质和连接材料。其中电极的主要功能是使反应物(燃料或氧气)发生电化学反应，而本身不被腐蚀或消耗。同时电极必须具有较高的电极||电解质||反应气体三相界面及多孔结构，以增加氧化还原反应的反应活性，从而保持较高的电导率；电解质决定燃料电池的工作温度，同时具有传递离子(O2-或H+)，分离空气与燃料，以及隔离两电极以防止发生短路的作用；连接材料用于个单体的阳极和阴极直接串联，实现相邻电池的电子连接，从而获得高电压。SOFC采用氧离子导体或质子导体做电解质。由于这些电解质材料在较高的温度下才有足够高的电导率，所以要求SOFC必须在高温下运行.高温运行环境对整个SOFC的部件提出了更高的要求，主要表现在:各部件在氧化或还原的气氛下保持尺寸、微结构及化学上的稳定性；各部件热膨胀相匹配，且化学上相容;高的电导率，如电解质必须有高的离子电导率，电极及连接材料必须具有高的电子电导率，且电极材料还应有一定的离子电导率;电解质和连接材料必须有高的致密性。此外，SOFC各部件还必须具有强度高，韧性好，易加工，低成本的特点[3]。