固态氧化物燃料电池

使用固体氧化物为电解质且在高温下工作的燃料电池

固态氧化物燃料电池是指使用固体氧化物为电解质且在高温下工作的燃料电池。通常使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解质。其工作温度位于800~1000℃之间。

简介

固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，其工作温度位于800~1000℃。在这种燃料电池中，电动势来源于电池两侧不同的氧分压。其单体电池是由正负两个电极(负极为燃料电极，正极为氧化剂电极)以及电解质组成。阳极、阴极的主要作用是导通电子和提供反应气体、产物气体的扩散通道。固体电解质将两侧的气体分隔开来，由于两侧氧分压的不同，产生了氧的化学位梯度，在该化学位梯度的作用下，在阴极获得电子的氧离子经固体电解质向阳极运动，在阳极释放出电子，从而在两极形成电压。

固态氧化物燃料电池号称第三代燃料电池，电解质为固态、无空隙的金属氧化物，由氧离子在晶体中穿梭送达离子。如今技术已达成熟阶段。但由于仅有少数材料能在高温下工作且价格昂贵，因此朝中温型电池的方向发展。

固体氧化物燃料电池最适宜的用途是与煤气化和燃气轮机、汽轮机等构成联合循环发电系统，建造中心电站或分散电站。这样既能提高能源的利用率，又能消除对环境的污染。

原理

SOFC是以固态的氧化钇、氧化锆为电解质，这些氧化物在高温下能够传导氧离子，在电池中起着传导氧离子、分隔氧化剂(如氧)和燃料氢的作用。构成固体氧化物燃料电池的关键部件为阴极、阳极、固体氧化物电解质隔膜(如氧化钇稳定的氧化锆一YSZ)和双极板或连结材料。按照电池结构的不同，固体氧化物电解质可分为平板形结构和圆管型结构。

SOFC工作时，若以重整气(氢气和CO的混合物)为燃料，在电池内部发生以下反应。

在阴极，氧分子得到电子被还原为氧离子，即

氧离子在电解质隔膜两侧电位差与浓差驱动力的作用下，通过电解质隔膜中的氧空位，定向跃迁到阳极侧并与燃料进行氧化反应，即

总反应

固体氧化物燃料电池在600～1000℃条件下工作，不但电催化剂无需采用贵金属，而且还可以直接采用天然气、气化煤气和碳氢化合物作燃料，简化了电池系统。

组成

SOFC电池组为顺利发挥电能转换的功能，需包含下列组件：

(1)一个由固体电解质(solid electrolyte)和阴、阳双极(cathode and anode)所组成的电化学转换装置。电解质材料中，添加钇的氧化锆是发展得最成熟的。

(2)燃料的重整器(reformer)。这个装置包含催化剂、载体及容器。可使燃料转换为小的燃气分子，如甲烷，并附加于电池堆的前端，和燃料电池运行所产生的热量进行交换。

(3)气体与燃料输送通道(或称气体分配器。gas distributor)。通常使用金属作为输送管材料，以使反应物具有较佳的扩散性与输送性。

(4)电流收集端子(current collector)。就是俗称的电刷，通常由金属或电子导电性佳的氧化物或是石墨所制成，好的导电性是必需的。

(5)传感器(sensor)。各种市售的传感器可用于监测电池的温度、电流、化合物种类和输出电压值。

(6)热量控制装置。如隔热层(insulator)、冷却器(cooler)、热交换器(heatexchanger)和通风系统(ventilation system)。

(7)金属或玻璃陶瓷外壳(housing)。可于室温下使用的材料，例如：不锈钢304。内部接触高温燃料电池需要耐高温的材料，因此，商业金属合金最被看好，用以降低制造成本。

组件要求

由于SOFC是在1000℃下的高温运行，对组件所用的材料有以下要求：

①在氧化或还原气氛中具有化学稳定性；

②组件之间接触处具有化学稳定性；

③具有良好的导电性；

④一致的热膨胀性能；

⑤电极必须是多孔结构；

⑥在高温下运行必须保证良好的气密性。

特点

固体氧化物燃料电池是一种理想的燃料电池，不但具有其他燃料电池高效、环境友好的优点，而且还具有以下突出优点：

(1)固体氧化物燃料电池是全固体结构，不存在使用液体电解质带来的腐蚀问题和电解质流失问题，可望实现长寿命运行。

(2)固体氧化物燃料电池的工作温度为800～1000℃，不但电催化剂不需要采用贵金属，而且还可以直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作为燃料，简化了燃料电池系统。

(3)固体氧化物燃料电池排出高温余热可以与燃气轮机或蒸汽轮机组成联合循环，大幅度提高总发电效率。

固体氧化物燃料电池技术的难点在于，它是在高温下连续工作。在电池的工作条件下，电池的关键部件(阳极、隔膜、阴极和联机材料等)必须具备化学与热的相容性。即在电池工作的条件下，电池构成材料问不但不发生化学反应，而且热膨胀系数也应相互匹配。

发展

美国Westinghouse电气公司从20世纪80年代开始研究管型固体氧化物燃料电池，1992年两台25kW管型固体氧化物燃料电池分别在日本大阪、美国南加州进行了几千小时实验运行。从1995年起，Westinghouse电气公司采用空气电极作支撑管，取代了原先CaO稳定的支撑管。这不但简化了固体氧化物燃料电池的结构，而且电池功率密度提高了近3倍。该公司为荷兰Utilities公司建造的100kW管式固体氧化物燃料电池系统，设计的电池效率为50%，热利用率为25%，能量总利用率为75%。德国Siemens公司从1992年起，重点发展平板式固体氧化物燃料电池，如今该公司的平板式固体氧化物燃料电池功率已超过10kW，居世界领先地位。丹麦与澳大利亚分别进行了平板式固体氧化物燃料电池的开发。日本Fuji与Sanyo也在进行平板式固体氧化物燃料电池的开发，功率已达千瓦级。

我国中科院大连化物所从1995年开始进行固体氧化物燃料电池的研究。先后研究了，/YSZ阳极制备方法和高温无机密封技术，并组装了平板式固体氧化物燃料单电池。现已成功地在Ni-YSZ陶瓷阳极基底上制备出厚度在50μm以下的负载型YSZ致密薄膜，在工作温度为800℃时，氢为燃料，空气为氧化剂的薄膜型固体氧化物燃料单电池输出功率密度已达0.2～0.3W/(kg/s)。同时与日本、英国等国家合作，进行新型固体电解质材料薄膜的研制及配套阴、阳极材料的研究与开发。

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