固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效、低碳的能源转换技术，因其燃料适应性强、发电效率高和适用于多种场景集成的特点，在未来能源体系中具有重要发展潜力。《高性能固体氧化物燃料电池——理论与实践》系统介绍了SOFC的基础理论、关键材料、电池与系统设计及性能测试方法，构建了从机理研究到工程实践的完整知识框架。前半部分重点阐述了SOFC的工作原理、材料选择、电堆结构及性能评价方法，为理解和开发高性能燃料电池提供理论基础；后半部分凝练总结了作者团队近年来的研究成果，包括一体化离子传导基体的设计、阳极抗积碳策略、高性能纳米阴极构建、电堆组件的制备方法及系统集成与运行经验，体现出鲜明的创新性和工程实用价值。

第1章 燃料电池简介
　　1.1 氢能与燃料电池发展背景
　　从**次工业革命至今，由于人类对化石能源（如煤、石油和天然气）的大规模利用，全球平均气温有显著性升高趋势，而气候变暖会导致冰川融化、海平面上升以及极端天气频发等诸多危害，给人类生存带来巨大的潜在危机。2021年诺贝尔物理学奖的一半颁给了研究全球变暖的两位物理学家—真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯 哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）[1]。真锅淑郎的工作展示了大气中CO2浓度升高如何导致地球表面温度升高，而克劳斯 哈塞尔曼的工作则定量估算了人类活动在气候变化中的贡献。基于大量研究结果，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次评估报告得出结论“毋庸置疑，人为影响正在使得大气、海洋和陆地变暖”[2]。
　　使用传统化石能源除了引起全球变暖外，还有污染环境[3]、储量有限[4]等缺点，而可再生能源清洁环保，且无穷无尽、用之不竭，有望引领下一代能源技术革命[5]。为了抢占科学技术革命先机，尽管目前可再生能源技术尚有不成熟之处，如暂时无法完美解决供能区域性与波动性等棘手问题，但是在全球范围内，各类可再生能源技术仍然深受重视，并迅速得到推广应用[5-7]。
　　出于环境原因、经济与技术原因，甚至是政治原因，世界各国和地区近年来陆续提出新的碳减排要求，收紧对各行业碳排放的边界[8，9]。2015年的《巴黎协定》是继1992年的《联合国气候变化框架公约》、1997年《京都议定书》之后的第三个具有里程碑意义的国际气候法律文本，由195个缔约方在第21届联合国气候变化大会上一致同意通过，议定了2020年后的全球气候治理格局。2021年，第26届联合国气候变化大会就《巴黎协定》实施细则达成共识，形成决议文件，为协定的实施铺平道路。《巴黎协定》提出，其长期气候目标是将全球气温升高控制在2℃以内，并努力将上升幅度限制在1.5℃以内，以及在二十一世纪下半叶实现温室气体净零排放，即碳中和[10]。
　　放眼世界，“减碳”压力巨大。IPCC于2018年发布的《全球1.5℃升温特别报告》指出，为实现全球变暖温度控制在1.5℃以内的目标，必须在二十一世纪中叶实现全球范围内净零碳排放[2]。2019年联合国气候变化框架公约第二十五次缔约方大会上，77个国家承诺2050年实现零碳排放目标[11]。2020年9月，中国国家主席习近平在联合国大会上明确了中国能源生产和消费的绿色低碳化发展与转型路径[12]。
　　截至目前，全球已有超过137个国家和地区宣布了自己的碳中和计划[13]。以欧盟和美国为代表：2021年5月10日，欧洲议会投票通过了《欧洲气候法》（European Climate Law）[14]草案，该法案要求欧盟各成员国2030年碳排放水平相比1990年减少55%，并在2050年前实现碳中和；2020年，美国总统拜登在其就职当天签署了行政令表示重返《巴黎协定》，之后又提出“3550”目标—2035年实现无碳可再生能源发电，2050年实现碳中和[15]。碳中和行动正在全球范围内如火如荼地开展。
　　然而目前来看，传统化石能源仍将在较长时间内主导全球能源消费。根据英国石油公司（BP）发布的《世界能源统计年鉴2022》，2021年，全球化石燃料占一次能源消费的82%，其中煤炭占27%，石油占31%，天然气占24%[16]。而在5年前，这一占比为85%，化石能源消耗占比下降非常缓慢。当前，传统化石能源由于其高可靠性、完善的供应链和基础设施，短期内作为保障性能源不可或缺。因此，在大力发展可再生能源技术的同时，化石能源的清洁高效利用技术同样是至关重要的。
　　2022年3月召开的全国人民代表大会和中国人民政治协商会议上，习近平总书记指出：富煤贫油少气是我国的国情，以煤为主的能源结构短期内难以根本改变。实现“双碳”目标，必须立足国情，坚持稳中求进、逐步实现，不能脱离实际、急于求成，搞运动式“降碳”、踩“急刹车”。不能把手里吃饭的家伙先扔了，结果新的吃饭家伙还没拿到手，这不行。既要有一个绿色清洁的环境，也要保证我们的生产生活正常进行。
　　同时，李克强总理在《政府工作报告》中也指出：推动能源革命，确保能源供应，立足资源禀赋，坚持先立后破、通盘谋划，推进能源低碳转型。
　　我国作为全球煤炭生产与消费大国，目前*主要的发电方式仍是以煤为原料的火力发电，其占比超过七成。然而，这一传统发电方式不仅发电效率较低（30%～40%，LHV），还会产生大量粉尘污染和温室气体排放。国际能源署（International Energy Agency，IEA）数据显示，2021年全球能源领域的碳排放达到363亿t，同比上涨6%，创历史新高[17]。其中我国全年排放量约120亿t，约占全球总量的三分之一。以燃煤为主的火力发电行业提效、减排需求已日渐凸显，加强煤炭清洁高效利用，有序减量替代，推动煤电提效、节能、降碳改造，探索清洁、高效、灵活、安全的发电技术已成为未来煤电的主要发展方向。
　　而从世界能源发展趋势来看，碳中和将改变世界能源以化石燃料为主导、以可再生能源和新能源为补充的结构格局，迫使各国寻找、开发和使用更加经济、洁净的能源（包括可再生和不可再生能源）。应对气候变化的脱碳愿景已成为推动以氢能为代表的新型零碳能源大规模部署的主要驱动力，俨然成为二十一世纪世界能源科技的主题。根据国际氢能委员会预测[18]，到2050年，氢能将在全球终端能源需求中占比达到18%，帮助交通运输、化工原料、工业能源、建筑供暖、发电等领域实现深度脱碳，将减少60亿t碳排放，消纳和存储5000亿kW h的可再生电力来促进其大规模部署。“双碳”目标也是推动中国能源发展从数量扩张向提质增效转变，发展氢能产业则是中国加快绿色低碳发展、全面提高资源利用效率、优化能源结构、保障能源安全的重要举措。2022年3月，中国《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》正式印发，明确了氢能作为未来国家能源体系的重要组成部分、用能终端实现绿色低碳转型的重要载体、战略性新兴产业和未来产业重点发展方向的战略定位[19]。
　　在氢能利用端，*核心的技术之一是燃料电池发电和热电联供技术。按照化石能源传统技术方式*先要通过燃烧，将燃料的化学能转化为热能，或直接利用，或继续转化为电能，或合成产品（如汽油、乙醇等其他二次能源），再被利用。化石类能源在上述利用过程中，会放出CO、CO2、NOx、SO2、颗粒物等，严重污染环境；另外，能量利用效率也不够理想。而燃料电池技术则通过电化学反应过程，使得化石类燃料的化学能直接转化为电能，可避免燃烧、降低污染[20]（表1.1）；同时由于能量转换不受卡诺循环的限制，能量利用效率也得到很大提高，达到40%～80%[21]。
　　燃料电池技术已被认为是解决化石燃料污染、降低碳排放*有效的技术之一，也是我国《“十四五”现代能源体系规划》（以下简称《规划》）中优先支持的方向[22]。《规划》指出，我国将适度超前部署一批氢能项目，着力攻克可再生能源制氢和氢能储运、应用及燃料电池等核心技术，力争氢能全产业链关键技术取得突破，推动氢能技术发展和示范应用。
　　1.2 燃料电池发展历史
　　燃料电池的历史*早可以追溯到1839年W.R.Grove进行的试验[23，24]。从1839年到二十世纪初，很多人尝试通过燃料电池使用煤或炭直接发电，但都没有成功。1932年，F.T.Bacon使用碱性电解质和金属镍电极，成功地试制了**台氢气燃料电池。1952年，F.T.Bacon等制造了5kW的燃料电池系统，开启了燃料电池应用时代。燃料电池技术的蓬勃发展始于20世纪50年代，为应对美国国家航空航天局（NASA）空间飞船的供能需求，由于核能太危险，普通电池太重，太阳能电池很难处理，所以*合适的选择为燃料电池。Gemini公司和Space Shuttle公司共同完成了这一项目，成功使用燃料电池为“阿波罗”登月飞船提供了动力。
　　随后，在20世纪七八十年代，燃料电池的研发工作大多集中于开发新材料、优化性能和降低成本等方面，如杜邦公司于20世纪60年代成功开发出了燃料电池专用的高分子电解质薄膜（Nafion膜）。1973年石油危机爆发，使世界各国普遍认识到能源*立的重要性，纷纷制定政策以降低对进口石油的依赖，并因此引发了人们对燃料电池的广泛兴趣。直到1993年，加拿大巴拉德动力公司（Ballard Power SystemsInc.）展示了一辆零排放、*高速度为72km/h、以质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）为动力的公交车，作为燃料电池技术在民用领域的里程碑，引发了全球性燃料电池电动车的研究开发热潮，燃料电池也在二十一世纪开始进入早期商业化。2008年和2010年，由巴拉德动力技术支撑的燃料电池公交车先后亮相北京奥运会和上海世博会[25]。2011年起，美国BloomEnergy公司开始销售其百千瓦级固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）产品，如今Bloom Energy公司已成为SOFC领域*成功的企业之一。同在2011年，日本启动了Ene-Farm项目，大力推动住宅用燃料电池热电联供系统商业化，截至2022年，累计销售超过40万台[26]。2014年，丰田公司*先推出了量产的燃料电池乘用车Mirai，续航里程约500km；2021年，丰田又推出了第二代Mirai，相比前代燃料容量和续航里程提高了30%，达到650km。迄今为止，商业化*成功的燃料电池汽车是韩国现代公司于2018年推出的Nexo，据统计，2021年全球燃料电池汽车总销量约1.6万辆，其中Nexo的市场份额占比近60%。
　　我国燃料电池研究始于1958年左右。1958～1970年，一些大专院校、科研院所分散地进行了燃料电池的探索性基础研究工作，积累了一些相关的基础知识及制备技术。20世纪70年代我国开始了燃料电池产品开发工作，并形成了**个短暂的小高潮。70年代末，由于总体计划的变更，燃料电池的研发工作终止。20世纪70～80年代，多数原有的研究单位先后停止燃料电池研发工作，只有少数单位坚持下来，并于80年代后期尝试将航天燃料电池技术应用于水下机器人的动力电源。90年代以来，国际上燃料电池技术研发取得巨大进展，并初步走向商业化应用，在此影响下，中国也再一次掀起了燃料电池研究开发热潮。90年代初期，针对当时国际上燃料电池的研究热点，我国部分高校和中国科学院相关研究所也开展了一些工作。
　　表1.2中展示了燃料电池发展历史中的里程碑式的事件。据英国E4tech机构统计，2021年，尽管受到了新冠疫情的影响，燃料电池出货功率相较于2019年实现了翻番，达到了2.3GW，出货量也达到了近8.6万台[27]。以出货功率统计，丰田Mirai和现代Nexo两款乘用车占据主导地位；以出货件数统计，主要是日本Ene-Farm项目销售的家用热电联供系统。
　　1.3 燃料电池基本原理及应用
　　1.3.1 工作原理
　　燃料电池（fuelcell）是一种电化学发电装置，由多孔的燃料电极（阳极）、空气电极（阴极）及两极之间的致密电解质组成，其运行原理如图1.1所示。在阳极侧持续通入燃料气（如H2、CO和CH4等），在阴极侧持续通入氧气或空气，由于两侧气氛不同，在化学势的驱动下，带电离子（如H+和O2？等）可以通过电解质传导，使得阴极侧和阳极侧实现电荷转移。连接两极形成闭合回路，在外电路中形成电子电流，便可带动负载工作。
　　图1.1 燃料电池运行原理
　　燃料电池与通常所说的“电池（battery）”有所不同：“电池”需要事先将电能转化为化学能储存于电极材料中

目录
丛书序
前言
第1章 燃料电池简介 1
1.1 氢能与燃料电池发展背景 1
1.2 燃料电池发展历史 4
1.3 燃料电池基本原理及应用 6
1.3.1 工作原理 6
1.3.2 各类燃料电池的应用 10
1.3.3 全球分布情况 12
1.4 固体氧化物燃料电池（SOFC） 13
1.4.1 SOFC简介 13
1.4.2 SOFC关键材料 13
1.4.3 单电池结构 18
1.4.4 电池堆结构 20
1.4.5 整体系统结构 21
1.5 SOFC面临的挑战 23
1.6 本章小结 25
参考文献 25
第2章 基本理论及分析方法 29
2.1 伏安特性 29
2.2 热力学分析及应用 30
2.2.1 预测可逆电压 30
2.2.2 预测阳极燃料组分 35
2.2.3 预测阳极积碳趋势 37
2.3 活化极化 38
2.3.1 阴极活化极化 41
2.3.2 阳极活化极化 45
2.4 欧姆损失 45
2.5 浓差极化 46
2.6 交流电化学阻抗谱 49
2.7 本章小结 52
参考文献 52
第3章 单电池关键材料 54
3.1 SOFC电解质 54
3.1.1 电解质材料的基本要求和种类 54
3.1.2 氧化锆基电解质 55
3.1.3 氧化铈基电解质 58
3.1.4 其他萤石结构电解质 60
3.1.5 LaGaO3基电解质 63
3.1.6 质子导体电解质 64
3.2 SOFC阳极 66
3.2.1 阳极材料的基本要求和种类 66
3.2.2 金属陶瓷阳极 67
3.2.3 钙钛矿阳极 71
3.3 SOFC阴极 74
3.3.1 阴极材料的基本要求和种类 74
3.3.2 钙钛矿电子电导阴极 76
3.3.3 钙钛矿混合电导阴极 78
3.3.4 阴极的化学稳定性 80
3.4 本章小结 82
参考文献 82
第4章 电池堆构型及组件 89
4.1 电池堆构型 89
4.1.1 平板式构型 89
4.1.2 管式构型 93
4.1.3 微管式构型 96
4.1.4 各种构型的比较 97
4.2 连接体 98
4.2.1 连接体的基本要求和种类 98
4.2.2 陶瓷连接体 99
4.2.3 金属连接体 103
4.3 金属连接体保护涂层 110
4.3.1 涂层的基本要求 110
4.3.2 涂层材料类型 111
4.3.3 涂层沉积技术 115
4.4 封接材料 117
4.4.1 封接的基本要求 117
4.4.2 玻璃陶瓷封接材料 118
4.4.3 封接技术及应用 119
4.5 本章小结 123
参考文献 124
第5章 性能测试及评价方法 128
5.1 测试装置及方法 128
5.2 伏安特性测试 130
5.2.1 温度及燃料组分的影响 130
5.2.2 燃料和空气流量的影响 133
5.3 交流阻抗谱测试 134
5.3.1 弛豫时间分布计算原理及方法 134
5.3.2 弛豫时间分布敏感性分析实验 140
5.3.3 交流阻抗测试及分析 144
5.4 发电效率测试 149
5.4.1 发电效率评估 149
5.4.2 *优发电效率工况 151
5.4.3 能效优化方案 155
5.5 运行稳定性测试 157
5.5.1 稳定性评价指标 157
5.5.2 稳定性发展现状 158
5.5.3 衰减机理的解析 159
5.6 本章小结 161
参考文献 162
第6章 一体化离子传导基体设计 167
6.1 一体化基体设计与制备 167
6.1.1 一体化基体结构设计 167
6.1.2 电解质层薄膜化 168
6.1.3 电解质层致密化 169
6.1.4 多孔骨架层孔隙调控 177
6.1.5 多层薄膜共烧结 180
6.2 一体化基体中的离子传导 186
6.2.1 孔隙参数对电导率的影响 186
6.2.2 晶粒参数对电导率的影响 187
6.3 晶界修饰与晶界电导率 192
6.3.1 锆基电解质晶界修饰 192
6.3.2 铈基电解质晶界修饰 197
6.3.3 晶界修饰的影响 201
6.3.4 晶界修饰理论分析 205
6.4 本章小结 209
参考文献 209
第7章 阳极积碳及应对措施 211
7.1 阳极积碳机理及动力学 211
7.1.1 碳沉积过程和机理 211
7.1.2 纯甲烷析碳动力学 213
7.1.3 甲烷混合物析碳动力学 217
7.1.4 合成气析碳动力学 218
7.2 甲烷燃料SOFC电化学特性 220
7.2.1 燃料组分对电化学性能的影响 220
7.2.2 燃料组分对运行稳定性的影响 223
7.2.3 工业尺寸电池测试 225
7.2.4 热中性状态确定方法 227
7.3 甲烷燃料SOFC阳极结构优化 230
7.3.1 阳极结构优化策略 230
7.3.2 H2燃料下性能比较 231
7.3.3 CH4-CO2燃料下性能比较 233
7.3.4 稳定性测试及后表征 235
7.4 本章小结 238
参考文献 238
第8章 高性能纳米阴极构建 241
8.1 一体化基体原位负载纳米阴极 241
8.1.1 纳米电极原位负载技术 241
8.1.2 基体孔隙率的影响 242
8.1.3 溶剂种类的影响 243
8.1.4 溶质浓度的影响 246
8.1.5 阴极负载量的影响 248
8.1.6 纳米电极数值模拟 252
8.2 纳米阴极材料的选择 253
8.2.1 LSCF纳米阴极 253
8.2.2 SSC纳米阴极 255
8.2.3 性能及稳定性比较 258
8.3 纳米阴极运行稳定性 259
8.3.1 LSCF阴极稳定性 259
8.3.2 乙醇水溶液浸渍 264
8.3.3 LSCF-GDC复合纳米阴极 265
8.4 工业尺寸一体化电池制备及评价 267
8.4.1 工业尺寸电池制备 267
8.4.2 输出性能评价 269
8.4.3 耐久性评价 270
8.5 本章小结 274
参考文献 274
第9章 高性能电堆组件制备 276
9.1 锰钴尖晶石涂层制备及应用 276
9.1.1 概述 276
9.1.2 涂层制备与表征 277
9.1.3 涂层稳定性及应用效果 280
9.1.4 GDC/MCO复合涂层 282
9.2 钙钛矿接触组件制备及应用 287
9.2.1 LNF接触层的制备与表征 287
9.2.2 接触层面电阻稳定性 288
9.2.3 在纽扣电池中的应用 292
9.2.4 在工业尺寸电池中的应用 298
9.3 密封件优化及应用 299
9.3.1 Ba-Si系玻璃陶瓷 299
9.3.2 电堆密封性检验方法 302
9.3.3 实际电堆封接应用 305
9.4 本章小结 309
参考文献 310
第10章 发电系统设计、集成和运行 311
10.1 系统设计原理 311
10.2 燃料电池子系统 312
10.3 燃料处理子系统 313
10.3.1 燃料的需求 314
10.3.2 燃料的纯化 316
10.3.3 燃料的重整 317
10.3.4 电堆尾气处理 322
10.4 热管理子系统 329
10.4.1 基本作用 329
10.4.2 热管理分析方法 331
10.4.3 热管理子系统示例 334
10.5 电力电子子系统 337
10.5.1 电力调节 338
10.5.2 电力转化 339
10.5.3 监控系统 339
10.5.4 电力供给管理 340
10.6 整体系统运行 340
10.7 本章小结 342
参考文献 343
后记 345