[科普中國]-固態(tài)氧化物燃料電池

固態(tài)氧化物燃料電池是指使用固體氧化物為電解質(zhì)且在高溫下工作的燃料電池。通常使用諸如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等固態(tài)陶瓷電解質(zhì)。其工作溫度位于800~1000℃之間。

簡(jiǎn)介固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，其工作溫度位于800~1000℃。在這種燃料電池中，電動(dòng)勢(shì)來源于電池兩側(cè)不同的氧分壓。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極為燃料電極，正極為氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。陽極、陰極的主要作用是導(dǎo)通電子和提供反應(yīng)氣體、產(chǎn)物氣體的擴(kuò)散通道。固體電解質(zhì)將兩側(cè)的氣體分隔開來，由于兩側(cè)氧分壓的不同，產(chǎn)生了氧的化學(xué)位梯度，在該化學(xué)位梯度的作用下，在陰極獲得電子的氧離子經(jīng)固體電解質(zhì)向陽極運(yùn)動(dòng)，在陽極釋放出電子，從而在兩極形成電壓。

固態(tài)氧化物燃料電池號(hào)稱第三代燃料電池，電解質(zhì)為固態(tài)、無空隙的金屬氧化物，由氧離子在晶體中穿梭送達(dá)離子。如今技術(shù)已達(dá)成熟階段。但由于僅有少數(shù)材料能在高溫下工作且價(jià)格昂貴，因此朝中溫型電池的方向發(fā)展。

固體氧化物燃料電池最適宜的用途是與煤氣化和燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)等構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，建造中心電站或分散電站。這樣既能提高能源的利用率，又能消除對(duì)環(huán)境的污染。

原理SOFC是以固態(tài)的氧化釔、氧化鋯為電解質(zhì)，這些氧化物在高溫下能夠傳導(dǎo)氧離子，在電池中起著傳導(dǎo)氧離子、分隔氧化劑(如氧)和燃料氫的作用。構(gòu)成固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵部件為陰極、陽極、固體氧化物電解質(zhì)隔膜(如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯一YSZ)和雙極板或連結(jié)材料。按照電池結(jié)構(gòu)的不同，固體氧化物電解質(zhì)可分為平板形結(jié)構(gòu)和圓管型結(jié)構(gòu)。

SOFC工作時(shí)，若以重整氣(氫氣和CO的混合物)為燃料，在電池內(nèi)部發(fā)生以下反應(yīng)。

在陰極，氧分子得到電子被還原為氧離子，即

氧離子在電解質(zhì)隔膜兩側(cè)電位差與濃差驅(qū)動(dòng)力的作用下，通過電解質(zhì)隔膜中的氧空位，定向躍遷到陽極側(cè)并與燃料進(jìn)行氧化反應(yīng)，即

總反應(yīng)

固體氧化物燃料電池在600～1000℃條件下工作，不但電催化劑無需采用貴金屬，而且還可以直接采用天然氣、氣化煤氣和碳?xì)浠衔镒魅剂?，?jiǎn)化了電池系統(tǒng)。1

組成SOFC電池組為順利發(fā)揮電能轉(zhuǎn)換的功能，需包含下列組件：

(1)一個(gè)由固體電解質(zhì)(solid electrolyte)和陰、陽雙極(cathode and anode)所組成的電化學(xué)轉(zhuǎn)換裝置。電解質(zhì)材料中，添加釔的氧化鋯是發(fā)展得最成熟的。

(2)燃料的重整器(reformer)。這個(gè)裝置包含催化劑、載體及容器?？墒谷剂限D(zhuǎn)換為小的燃?xì)夥肿樱缂淄?，并附加于電池堆的前端，和燃料電池運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行交換。

(3)氣體與燃料輸送通道(或稱氣體分配器。gas distributor)。通常使用金屬作為輸送管材料，以使反應(yīng)物具有較佳的擴(kuò)散性與輸送性。

(4)電流收集端子(current collector)。就是俗稱的電刷，通常由金屬或電子導(dǎo)電性佳的氧化物或是石墨所制成，好的導(dǎo)電性是必需的。

(5)傳感器(sensor)。各種市售的傳感器可用于監(jiān)測(cè)電池的溫度、電流、化合物種類和輸出電壓值。

(6)熱量控制裝置。如隔熱層(insulator)、冷卻器(cooler)、熱交換器(heatexchanger)和通風(fēng)系統(tǒng)(ventilation system)。

(7)金屬或玻璃陶瓷外殼(housing)?？捎谑覝叵率褂玫牟牧?，例如：不銹鋼304。內(nèi)部接觸高溫燃料電池需要耐高溫的材料，因此，商業(yè)金屬合金最被看好，用以降低制造成本。2

組件要求由于SOFC是在1000℃下的高溫運(yùn)行，對(duì)組件所用的材料有以下要求：

①在氧化或還原氣氛中具有化學(xué)穩(wěn)定性；

②組件之間接觸處具有化學(xué)穩(wěn)定性；

③具有良好的導(dǎo)電性；

④一致的熱膨脹性能；

⑤電極必須是多孔結(jié)構(gòu)；

⑥在高溫下運(yùn)行必須保證良好的氣密性。1

特點(diǎn)固體氧化物燃料電池是一種理想的燃料電池，不但具有其他燃料電池高效、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

(1)固體氧化物燃料電池是全固體結(jié)構(gòu)，不存在使用液體電解質(zhì)帶來的腐蝕問題和電解質(zhì)流失問題，可望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命運(yùn)行。

(2)固體氧化物燃料電池的工作溫度為800～1000℃，不但電催化劑不需要采用貴金屬，而且還可以直接采用天然氣、煤氣和碳?xì)浠衔镒鳛槿剂?，?jiǎn)化了燃料電池系統(tǒng)。

(3)固體氧化物燃料電池排出高溫余熱可以與燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)組成聯(lián)合循環(huán)，大幅度提高總發(fā)電效率。

固體氧化物燃料電池技術(shù)的難點(diǎn)在于，它是在高溫下連續(xù)工作。在電池的工作條件下，電池的關(guān)鍵部件(陽極、隔膜、陰極和聯(lián)機(jī)材料等)必須具備化學(xué)與熱的相容性。即在電池工作的條件下，電池構(gòu)成材料問不但不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且熱膨脹系數(shù)也應(yīng)相互匹配。3

發(fā)展美國Westinghouse電氣公司從20世紀(jì)80年代開始研究管型固體氧化物燃料電池，1992年兩臺(tái)25kW管型固體氧化物燃料電池分別在日本大阪、美國南加州進(jìn)行了幾千小時(shí)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。從1995年起，Westinghouse電氣公司采用空氣電極作支撐管，取代了原先CaO穩(wěn)定的支撐管。這不但簡(jiǎn)化了固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)，而且電池功率密度提高了近3倍。該公司為荷蘭Utilities公司建造的100kW管式固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的電池效率為50%，熱利用率為25%，能量總利用率為75%。德國Siemens公司從1992年起，重點(diǎn)發(fā)展平板式固體氧化物燃料電池，如今該公司的平板式固體氧化物燃料電池功率已超過10kW，居世界領(lǐng)先地位。丹麥與澳大利亞分別進(jìn)行了平板式固體氧化物燃料電池的開發(fā)。日本Fuji與Sanyo也在進(jìn)行平板式固體氧化物燃料電池的開發(fā)，功率已達(dá)千瓦級(jí)。

我國中科院大連化物所從1995年開始進(jìn)行固體氧化物燃料電池的研究。先后研究了，/YSZ陽極制備方法和高溫?zé)o機(jī)密封技術(shù)，并組裝了平板式固體氧化物燃料單電池?，F(xiàn)已成功地在Ni-YSZ陶瓷陽極基底上制備出厚度在50μm以下的負(fù)載型YSZ致密薄膜，在工作溫度為800℃時(shí)，氫為燃料，空氣為氧化劑的薄膜型固體氧化物燃料單電池輸出功率密度已達(dá)0.2～0.3W/(kg/s)。同時(shí)與日本、英國等國家合作，進(jìn)行新型固體電解質(zhì)材料薄膜的研制及配套陰、陽極材料的研究與開發(fā)。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李斌 - 副教授 - 西南大學(xué)