固體氧化物燃料電池是一種電化學轉換裝置，可直接通過氧化燃料來發電。燃料電池的特點是其電解質材料；固體氧化物燃料電池具有固體氧化物或陶瓷電解質。

此類燃料電池的優點包括高熱電聯產效率、長期穩定性、燃料靈活性、低排放和相對較低的成本。xxx的缺點是工作溫度高，導致啟動時間較長以及機械和化學兼容性問題。

固體氧化物燃料電池是一類燃料電池，其特點是使用固體氧化物材料作為電解質。SOFC使用固體氧化物電解質將負氧離子從陰極傳導到陽極。因此，氧離子對氫、一氧化碳或其他有機中間體的電化學氧化發生在陽極側。最近，正在開發質子傳導固體氧化物燃料電池(PC-SOFC)，它通過電解質傳輸質子而不是氧離子，其優點是能夠在比傳統固體氧化物燃料電池更低的溫度下運行。

它們在非常高的溫度下運行，通常在500到1,000°C之間。在這些溫度下，SOFC不需要昂貴的鉑催化劑材料，這是目前低溫燃料電池（如PEMFC）所必需的，并且不易受到一氧化碳催化劑中毒的影響。然而，硫中毒的脆弱性已被廣泛觀察到，硫必須在進入細胞之前通過使用吸附床或其他方式去除。

固體氧化物燃料電池具有廣泛的應用，從用作車輛的輔助動力裝置到輸出功率從100W到2MW的固定發電。2009年，澳大利亞公司CeramicFuelCells成功地將SOFC裝置的效率提高到之前的理論值60%。較高的工作溫度使固體氧化物燃料電池成為熱機能量回收裝置或熱電聯產應用的合適候選者，這進一步提高了整體燃料效率。

由于這些高溫，輕烴燃料，如甲烷、丙烷和丁烷可以在陽極內進行內部重整。固體氧化物燃料電池也可以通過外部重整更重的碳氫化合物來提供燃料，例如汽油、柴油、噴氣燃料(JP-8)或生物燃料。此類重整產品是氫氣、一氧化碳、二氧化碳、蒸汽和甲烷的混合物，通過在SOFC陽極上游的裝置中使烴類燃料與空氣或蒸汽反應形成。SOFC電力系統可以通過將燃料電池內的放熱電化學氧化釋放的熱量用于吸熱蒸汽重整過程來提高效率。此外，煤和生物質等固體燃料可氣化形成合成氣適用于在集成氣化燃料電池動力循環中為SOFC提供燃料。

熱膨脹需要在啟動時進行均勻且良好調節的加熱過程。具有平面幾何形狀的SOFC堆棧需要大約一個小時才能加熱到工作溫度。微型管狀燃料電池設計幾何形狀承諾更快的啟動時間，通常在幾分鐘的數量級。

與大多數其他類型的燃料電池不同，SOFC可以具有多種幾何形狀。平面燃料電池設計幾何形狀是大多數類型的燃料電池采用的典型夾層型幾何形狀，其中電解質夾在電極之間。固體氧化物燃料電池也可以制成管狀幾何形狀，其中空氣或燃料通過管內，另一種氣體沿管外通過。管狀設計是有利的，因為它更容易從燃料中密封空氣。平面設計的性能目前優于管狀設計的性能，但是，因為平面設計的阻力相對較低。固體氧化物燃料電池的其他幾何形狀包括改進的平面燃料電池設計（MPC或MPSOFC），其中波狀結構取代了平面電池的傳統平面配置。這種設計非常有前途，因為它們具有平面電池（低電阻）和管狀電池的優點。

固體氧化物燃料電池由四層組成，其中三層是陶瓷（因此得名）。由這四層堆疊在一起組成的單個電池通常只有幾毫米厚。然后將數百個這樣的電池串聯起來，形成大多數人所說的“固體氧化物燃料電池堆棧”。SOFC中使用的陶瓷不會發生電性和離子性直到它們達到非常高的溫度才有效，因此，堆棧必須在500到1,000°C的溫度范圍內運行。氧還原成氧離子發生在陰極。然后這些離子可以通過固體氧化物電解質擴散到陽極，在那里它們可以電化學氧化燃料。在該反應中，會釋放出一種水副產物以及兩個電子。然后這些電子流過一個可以工作的外部電路。然后隨著這些電子再次進入陰極材料，循環重復。

SOFC的大部分停機時間源于設備、空氣預熱器、預重整器、加力燃燒室、水熱交換器、陽極尾氣氧化器的機械平衡，以及設備、電力電子設備、硫化氫傳感器和風扇的電氣平衡。在設計一個完整的系統時，內部重整導致工廠成本平衡的大幅下降。

陶瓷陽極層必須非常多孔，以允許燃料流向電解質。因此，通常選擇粒狀物質用于陽極制造程序。像陰極一樣，它必須傳導電子，離子電導率是一項確定的資產。陽極通常是每個電池中最厚和xxx的層，因為它具有最小的極化損耗，并且通常是提供機械支撐的層。從電化學上講，陽極的工作是利用通過電解質擴散的氧離子來氧化氫燃料。氧化反應氧離子和氫之間產生熱量以及水和電。如果燃料是輕質烴，例如甲烷，陽極的另一個功能是充當將燃料蒸汽重整成氫氣的催化劑。這為燃料電池堆提供了另一個操作優勢，因為重整反應是吸熱的，這會在內部冷卻堆。最常用的材料是由鎳與陶瓷材料混合而成的金屬陶瓷，該陶瓷材料用于特定電池中的電解質，通常是YSZ（氧化釔穩定氧化鋯）。這些基于納米材料的催化劑，有助于阻止鎳的晶粒生長。較大的鎳顆粒會減少離子可以通過的接觸面積，從而降低電池效率。鈣鈦礦材料（混合離子/電子導電陶瓷）已被證明在0.7V和800°C下產生0.6W/cm2的功率密度，這是可能的，因為它們能夠克服更大的活化能。

化學反應：

H2+O2-——>H2O+2e

然而，YSZ作為陽極材料存在一些缺點。Ni粗化、積碳、還原-氧化不穩定性和硫中毒是限制Ni-YSZ長期穩定性的主要障礙。Ni粗化是指在YSZ中摻雜的Ni粒子的演化，其晶粒尺寸變大，從而降低了催化反應的表面積。當由烴熱解或CO歧化形成的碳原子沉積在Ni催化表面上時，就會發生碳沉積。碳沉積變得很重要，尤其是在使用碳氫化合物燃料（即甲烷、合成氣）時。SOFC的高工作溫度和氧化環境有利于Ni催化劑通過反應Ni+?O2氧化=NiO。Ni的氧化反應降低了電催化活性和電導率。此外，Ni和NiO之間的密度差異會導致陽極表面的體積變化，這可能會導致機械故障。使用天然氣、汽油或柴油等燃料時會發生硫中毒。同樣，由于硫化合物（H2S、(CH3)2S）與金屬催化劑之間的高親和力，即使是進料流中硫化合物的最小雜質也會使YSZ表面上的Ni催化劑失活。

目前的研究集中在減少或替代陽極中的鎳含量以提高長期性能。為了抗硫中毒，發明了含有CeO2、Y2O3、La2O3、MgO、TiO2、Ru、Co等其他材料的改性Ni-YSZ，但由于初期反應快，改進有限。降解。銅基水泥陽極被認為是碳沉積的解決方案，因為它對碳是惰性的，并且在典型的SOFC氧分壓(pO2)下穩定。特別是Cu-Co雙金屬陽極在暴露于純CH4后表現出很大的碳沉積電阻率在800℃。Cu-CeO2-YSZ在使用CO和合成氣時表現出比Ni-YSZ更高的電化學氧化速率，并且在添加鈷助催化劑后，使用CO可以實現比H2更高的性能。包括氧化鋯基螢石和鈣鈦礦在內的氧化物陽極也用于替代鎳陶瓷陽極以提高碳電阻。鉻鐵礦即La0.8Sr0.2Cr0.5Mn0.5O3(LSCM)用作陽極，表現出與Ni-YSZ金屬陶瓷陽極相當的性能。通過浸漬Cu和濺射Pt作為集流體進一步改進了LSCM。

電解質是傳導氧離子的致密陶瓷層。其電子電導率必須保持盡可能低，以防止泄漏電流造成的損失。SOFC的高工作溫度允許氧離子傳輸的動力學足以實現良好的性能。然而，隨著工作溫度在600°C左右接近SOFC的下限，電解質開始具有較大的離子傳輸阻力并影響性能。流行的電解質材料包括氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)（通常為8%的8YSZ）、氧化鈧穩定氧化鋯(ScSZ)（通常為9mol%Sc2O3–9ScSZ）和釓摻雜氧化鈰(GDC)。電解質材料對電池性能具有至關重要的影響。已發現YSZ電解質與現代陰極（如鑭鍶鈷鐵氧體(LSCF)）之間的有害反應，并且可以通過薄(<100nm)二氧化鈰擴散屏障來防止。

如果固體氧化物燃料電池中氧離子的電導率即使在較低溫度下也能保持較高（目前研究目標約為500°C），那么SOFC的材料選擇將會拓寬，許多現有問題都可能得到解決。某些處理技術，如薄膜沉積可以通過以下方式幫助解決現有材料的這個問題：

• 減少氧離子的傳播距離和電解質電阻，因為電阻與導體長度成正比；
• 產生電阻較小的晶粒結構，例如柱狀晶粒結構；
• 控制微結構納米晶細晶粒，實現電性能的“微調”；
• 具有作為界面的大界面區域的建筑復合材料已被證明具有非凡的電性能。