文 献 综 述
引言
当前，世界能源消耗仍以化石燃料为主，但是随着社会经济的发展和人类生活水平的不断提高，化石燃料的过度开采和不合理利用使得能源危机和环境污染问题越来越严峻[1-2]。因此，转变传统高污染、高能耗的能源消耗观念和方式，高效利用现有资源和积极探索新能源将成为未来的重要发展趋势[3]。近年来，燃料电池(Fuel Cell)由于其巨大的发电潜能引起了人们的极大兴趣。燃料电池是一种能够将燃料的化学能转换为电能的发电装置，具有能量转换率高、环保、可靠性高、噪音低等优点[4-10]，很多国家和地区的研究者们目前都在从事燃料电池技术的开发与应用，而且已经取得了不错的成就，市场上也出现了各种燃料电池技术的商品。燃料电池为能源的开发和利用走上安全、高效和绿色环保的发展道路提供了一条有效途径，对改善当前的能源危机和环境污染问题具有非常重要的意义。
1、固体氧化物燃料电池概述
在各种燃料电池中，固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、清洁的能量转换装置，具有无需使用贵金属催化剂、综合效率高、能够直接使用含碳燃料等突出优点，特别是其能够直接使用天然气、液化石油气、水煤气等燃料的特性，使其有望成为新一代高效清洁的使用化。
SOFC具有以下明显的优势和特点，使它比其他类型的燃料电池更具有吸引力。(1)使用全固态组件，不存在材料腐蚀和电解液泄漏的问题；(2)在所有燃料电池中效率最高，可达50-60 %；(3)不需要使用贵金属电极材料，使电池制备成本大大下降；(4)工作温度高，反应动力学快，产生高质量的余热适合于热电联产，可提高能量；(5)燃料适用范围广泛，不仅可以使用H2和CO等作燃料，而且可以直接使用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物或液态醇类等作燃料；(6)电极反应过程相当迅速，可以承受较高浓度的硫化物和CO的毒害，对电极要求大大降低石燃料的技术。
2、SOFC工作原理
固体氧化物燃料电池(SOFC)主要由三部分组成，分别是多孔的阳极，多孔的阴极以及致密的电解质。阴极上主要是氧化剂发生还原反应，阳极上主要是燃料气体发生氧化反应，电解质一般是离子导体固体材料，它不仅起着将燃料气和氧化气分开的作用，同时还给氧离子提供了传输通道[11]。图1是SOFC的电池结构和工作原理示意图。电池工作时，空气或氧气在阴极的催化作用下得到电子，生成的O2-通过电解质的传导到达阳极和燃料发生电化学反应，释放出的电子通过外电路流向阴极形成闭合回路，产生电流，即化学能转化成了电能。
以H2为燃料的固体氧化物燃料电池为例，电池的反应分别为：
阴极：O2 4e-=2O2- (1-1)
阳极：H2 O2-=H2O 2e- (1-2)
总反应：2H2 O2=2H2O (1-3)
图1 SOFC的工作原理示意图[12]
3、SOFC的关键材料
固体氧化物燃料电池的关键材料包括电池的阴极、阳极、连接材料和电解质这四大主要部分[13]。阳极是固体氧化物燃料电池中重要的组成部分之一，燃料气在阳极发生电化学氧化反应，因此SOFC的阳极材料必须满足以下要求：第一，阳极必须要有良好的电子导电性和充分的电催化性能来减小极化损失；第二，具备一定的热匹配和化学兼容性，保证其它电池材料的顺利连接；第三，良好的化学和物理稳定性；第四，阳极要有一定的灵活性，能够适应各种不同的燃料，比如要能够抗硫毒、抗积碳等；第五，要有足够的机械强度，同时又要易加工；第六，有适当的孔隙率，保证燃料气和产物的顺利进入和排出,在SOFC的组件中，由于电子电导率高、对氢气电催化氧化活性高和很好的兼容性，传统的镍基阳极得到广泛应用，但易积碳、杂质耐受性低且氧化还原稳定性差[14]。在直接使用化石燃料时，镍基阳极由于积碳导致的失效问题成为SOFC应用和发展的阻碍。为了解决这个问题，对积碳产生的条件和失效机理有一个清晰的认识是很有必要的，以便找到一个合适的方法来改善使用含碳燃料的SOFC的镍基阳极，并使其保持较高的性能，这对于SOFC的应用具有理论指导意义。本项目主要围绕SOFC的传统镍基阳极(Ni-YSZ)这个主题，针对镍基阳极支撑体抗积碳性能展开研究，研究并优化其抗积碳性能。
