[科普中國(guó)]-單體固態(tài)氧化物燃料電池

單體固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，簡(jiǎn)稱SOFC）屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池1。

原理在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度最高，屬于高溫燃料電池。近些年來，分布式電站由于其成本低、可維護(hù)性高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)漸漸成為世界能源供應(yīng)的重要組成部分。由于SOFC發(fā)電的排氣有很高的溫度，具有較高的利用價(jià)值，可以提供天然氣重整所需熱量，也可以用來生產(chǎn)蒸汽，更可以和燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)，非常適用于分布式發(fā)電。燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不但具有較高的發(fā)電效率，同時(shí)也具有低污染的環(huán)境效益。

一般的SOFC發(fā)電系統(tǒng)包括燃料處理單元、燃料電池發(fā)電單元以及能量回收單元。圖一是一個(gè)以天然氣為燃料、常壓運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)。空氣經(jīng)過壓縮器壓縮，克服系統(tǒng)阻力后進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱，然后通入電池的陰極。天然氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后，克服系統(tǒng)阻力進(jìn)入混合器，與蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的過熱蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例為，混合后的燃料氣體進(jìn)入加熱器提升溫度后通入燃料電池陽(yáng)極。陰陽(yáng)極氣體在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電池發(fā)出電能的同時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將未反應(yīng)完全的陰陽(yáng)極氣體加熱。陽(yáng)極未反應(yīng)完全的氣體和陰極剩余氧化劑通入燃燒器進(jìn)行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體除了用來預(yù)熱燃料和空氣之外，也提供蒸汽發(fā)生器所需的熱量。經(jīng)過蒸汽發(fā)生器后的燃燒產(chǎn)物，其熱能仍有利用價(jià)值，可以通過余熱回收裝置提供熱水或用來供暖而進(jìn)一步加以利用。

結(jié)構(gòu)組成固體氧化物燃料電池是一種新型發(fā)電裝置，其高效率、無(wú)污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對(duì)多種燃料氣體的廣泛適應(yīng)性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質(zhì)（electrolyte）、陽(yáng)極或燃料極（anode，fuel electrode）、陰極或空氣極（cathode，air electrode）和連接體（interconnect）或雙極板（bipolar separator）組成。

固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽(yáng)極為燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

在固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣（H2）、甲烷（CH4）、城市煤氣等，具有催化作用的陽(yáng)極表面吸附燃料氣體，并通過陽(yáng)極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢(shì)的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。

單體電池只能產(chǎn)生1V左右電壓，功率有限，為了使得SOFC具有實(shí)際應(yīng)用可能，需要大大提高SOFC的功率。為此，可以將若干個(gè)單電池以各種方式（串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)）組裝成電池組。 SOFC組的結(jié)構(gòu)主要為：管狀（tubular）、平板型（planar）和整體型（unique）三種，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成為SOFC的發(fā)展趨勢(shì)2。

特點(diǎn)SOFC與第一代燃料電池（磷酸型燃料電池，簡(jiǎn)稱PAFC）、第二代燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池，簡(jiǎn)稱MCFC）相比它有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）較高的電流密度和功率密度；（2）陽(yáng)、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降；（3）可直接使用氫氣、烴類（甲烷）、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；（4）避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問題；（5）能提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達(dá)80%左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；（6）廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)；（7）陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運(yùn)行（600～1000℃），加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實(shí)現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡(jiǎn)化了設(shè)備。

除了燃料電池的一般優(yōu)點(diǎn)外，SOFC還具有以下特點(diǎn)：對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，能在多種燃料包括碳基燃料的情況下運(yùn)行；不需要使用貴金屬催化劑；使用全固態(tài)組件，不存在對(duì)漏液、腐蝕的管理問題；積木性強(qiáng)，規(guī)模和安裝地點(diǎn)靈活等。

固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點(diǎn)，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳?xì)淙剂稀Ｔ诖笮图泄╇?、中型分電和小型家用熱電?lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站，以及作為船舶動(dòng)力電源、交通車輛動(dòng)力電源等移動(dòng)電源，都有廣闊的應(yīng)用前景1。

發(fā)展固體氧化物燃料電池的開發(fā)始于20世紀(jì)40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃發(fā)展。早期開發(fā)出來的SOFC的工作溫度較高，一般在800～1000℃。科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)成功中溫固體氧化物燃料電池，其工作溫度一般在800℃左右。一些國(guó)家的科學(xué)家也正在努力開發(fā)低溫SOFC，其工作溫度更可以降低至650～700℃。工作溫度的進(jìn)一步降低，使得SOFC的實(shí)際應(yīng)用成為可能2。

存在問題（1）啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。

因操作溫度在650～1000℃，為保護(hù)電池組件，升溫速率不能太快，5-10℃每分鐘升溫，啟動(dòng)時(shí)間在65分鐘至200分鐘；

（2）成本高

常用電極材料含貴金屬、稀土元素，導(dǎo)致原料成本高；

（3）壽命

固體氧化物燃料電池的壽命仍需考證2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李斌 - 副教授 - 西南大學(xué)