1.2.1　電池單元結構及工作

固體氧化物燃料電池一般采用具有氧離子傳導能力的氧化物作為電池電解質。圖1.11顯示了一個典型的平板型SOFC單元,主要包括七層:①陽極側連接體,主要用于陽極側燃料分配和電流收集;②多孔復合陽極支撐層;③復合陽極間隙層;④致密YSZ電解質層;⑤復合陰極間隙層;⑥多孔陰極電流收集層;⑦陰極連接體,主要用于空氣分布和電流收集。

圖1.12給出了典型固體氧化物燃料電池微結構電鏡圖及其工作過程示意圖。由于電解質具有氧離子傳導能力,所以電池整體反應的兩個半反應須以氧離子作為中間介質,以簡單的H₂+0.5O₂H₂O為例,其與氧離子相關的陰極和陽極反應為:

0.5O₂+2e-O2-

H₂+O2-H₂O+2e-

在陰極側,流道中的氧氣通過多孔陰極傳輸到陰極三相電化學反應區域(氣相?電子傳導LSM相?離子傳導YSZ相);在三相反應位置氧氣與通過外電路傳導過來的電子反應生成氧離子;氧離子通過電解質以及復合陽極的離子傳導相傳導到陽極三相線反應位置(氣相?電子傳導Ni相?離子傳導YSZ相),在這里氧離子與燃料中的氫氣反應生成電子和水,水通過陽極多孔結構傳輸到陽極流道,電子通過陽極的電子傳導相和外電路經負載循環到陰極反應位置。

圖1.12　典型固體氧化物燃料電池微結構電鏡圖[7]及工作過程示意圖

因此,我們可以發現多孔復合陰極同時起到傳輸物質、傳導電子電荷和離子電荷以及支持電化學半反應的作用。