固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池一、含义固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。二、工作原理电池含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成，氢气和氧气（空气）分别由阳极和阴极进入燃料电池。经催化剂的作用，氢气分解为氢离子和两个电子，其中氢离子迁移到薄膜的另一边，电子则经外电路形成电流后到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氢离子、氧气、电子发生反应生成水。因此水是反应的唯一排放物。SOFC采用固体氧化物作为电解质，在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起着传导O2-和分隔氧化剂和燃料的作用。在阴极，氧分子得到电子还原为氧离子；氧离子在电解质隔膜两侧电势差与氧浓度差驱动力的作用下，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。固体氧化物燃料电池工作原理示意图三、电池结构由于是全固体的结构，固体氧化物燃料电池具有多样性的电池结构，以满足不同需求。主要电池结构有管式、平板式、套管型、单块叠层结构及热交换一体化的HEXIS结构等等。不同结构类型的SOFC在结构、性能及制备等方面各具优缺点。管式SOFC管状结构SOFC是最早发展的一种形式，也是目前较为成熟的一种形式。单电池由一端封闭、一端开口的管子构成，如图2a所示。最内层是多孔支撑管，由里向外依次是阴极、电解质和阳极薄膜。氧气从管芯输入，燃料气通过管子外壁供给。目前管状结构单电池已经运行了数万小时。单电池通过阴、阳极间连接形成电池堆，如左图所示。■管型SOFC的优点：单电池间的连接体设在还原气氛一侧，这样可使用廉价的金属材料作电流收集体。单电池采用串联、并联方式组合到一起，可以避免当某一单电池损坏时，电池组完全失效。用镍毡将单电池的连接体联结起来，可以减小单电池间的应力。管型SOFC电池组相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组成大功率的电池组。管型SOFC一般在很高的温度下操作，主要用于固定电站系统，所以高温SOFC一般采用管型结构。■管型SOFC的缺点：电流通过的路径较长，限制了SOFC的性能。平板型SOFC平板型固体氧化物燃料电池的几何形状简单，其设计形状使得制作工艺大为简化。平板式SOFC结构组成如图3a所示。阳极、电解质、阴极薄膜组成单体电池，两边带槽的连接体连接相邻阴极和阳极，并在两侧提供气体通道，同时隔开两种气体。■平板型SOFC的优点：“三合一”组件制备工艺简单，造价低，由于电流收集均匀，流经路径短，使平板型电池的输出功率密度较管式高。■平板型SOFC的缺点：密封困难、抗热循环性能差及难以组装成大功率电池组。但是，当SOFC的操作温度降低到600~800℃后，可以在很大程度上扩展电池采用的选择范围、提高电池运行的稳定性和可靠性，降低电池系统的制造和运行成本。四、特点(1)运行温度高（一般为800－1000℃），阴、阳极的化学反应速率大，并接近于热力学平衡，电极处的极化阻抗小，可以通过大的电流密度，不需要贵重的催化剂；(2)由于固体氧化物电解质的透气性很低，电子电导率低，开路时电压可以达到理论值的96％；(3)由于SOFC运行温度高，便于利用高温废气，可实现热电联产，燃料利用率高；(4)全固体结构，避免了液态电解质对材料的腐蚀，解决了电解液的控制问题；(5)氧化物电解质很稳定，抗毒性好。电极有相对较强的抗污染能力；(6)可使用多种燃料，包括直接使用碳氢化合物；(7)不要求外围设备条件，诸如不需要湿度控制、空气调节等。五、SOFC的国内外研究与开发现状管型SOFC是目前最接近商业化的SOFC发电技术。西门子-西屋动力公司（SWPC）；日本的Kansai电力公司的管型SOFC已经进行了10529h的高电流密度放电试验；加拿大的Global热电公司在中温平板型SOFC研发领域具有举足轻重的地位；中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学物理研究所、中国科技大学等正在进行平板型SOFC的研发。我国SOFC的研制始于1971年,当时中科院上海硅酸盐研究所开展SOFC的电解质材料和电极材料的研究.近几年来,国内吉林大学,清华大学,华南理工大学,科技大学,中国科学院物理研究所,上海硅酸盐所,北京化冶所和大连化物所分别开展SOFC的相关材料,单电池组装及测试方面的研究工作.上海硅酸盐所在氧化锆电解质,电极材料和SOFC单电池制备研究方面开展了大量的工作,大连化物所90年代初开始固体氧化物燃料电池究,Pt/YSZ,LSM/YSZ,Ni2YSZ等电极制备,性能优化以及电极上电化学过程进行了大量深入的研究,提出LSM电极中氧空位的形成机理,LSM+YSZ复合电极中YSZ的作用机理.研制出平板式单电池,用H2或CH4作燃料功率密度达到0.15W/cm2.目前,正开展中温SOFC的研制,在多孔Ni2YSZ基膜上制备负载型YSZ膜(10～20μm)方面,已取得初步成效.中科院化冶所在1995年从俄罗斯引进了20W块状叠层电池组进行了运行试验,并设计了一种新型SOFC结构,申请了专利.华南理工大学成功研制出瓦级管式SOFC单电池,吉林大学正承担计委kW级SOFC电池组的研究工作.我国在“九五”期间,SOFC的研究与发展得到了重视,国家计委,科委,自然科学基金委以及其它部门分别立项,组织开展这方面的研究和攻关工作,经费投入也有较大的增加.