国外SOFC研究机构及研发状况

硅酸盐学报·542·2010年国外SOFC研究机构及研发状况彭珍珍1，杜洪兵1，陈广乐1，郭瑞松2(1.北京中材人工晶体研究院有限公司，北京100018；2.天津大学，先进陶瓷与加工技术教育部国家重点实验室，天津300072)摘要：在简单介绍固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcells，SOFCs)堆结构的基础上，重点详细介绍几个世界级具有堆发电能力的机构及其研发状况，指出研发机构与大型企业集团联合开发、锁定目标、重点突破是目前各发达国家研究的特点。关键词：固体氧化物燃料电池；电池堆；管式结构；板式结构；研究机构；输出功率密度；综合评述中图分类号：TM911.4文献标志码：A文章编号：0454–5648(2010)03–0542–07FOREIGNRESEARCHORGANIZATIONSANDTHEIRDEVELOPMENTSINSOFCTECHNOLOGIESPENGZhenzhen1，DUHongbing1，CHENGuangle1，GUORuisong2(1.ResearchandDevelopmentCenter,ResearchInstituteofSyntheticCrystals,ChinaNationalMaterialsGroupCorporation,Beijing100018;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineeringofTianjinUniversity,KeyLaboratoryofAdvancedCeramicsandMachiningTechnology,MinistryofEducation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Basedonbriefintroductionofsolidoxidefuelcells(SOFCs)stackdesigns,thecurrentstatusofSOFCstackresearchanddevelopmentinthemostfamousauthoritiesandinstitutesovertheworldisreviewed.Itispointedoutthattheassociationofinstitutesandenterprises,focusingtargets,andaddressingcertaintechnicalbarriersarethemainfeaturesofthecurrentSOFCresearcharoundtheworld.Keywords:solidoxidefuelcell;stacks;planar;tubular;organizations;outputpowerdensity;review固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcells，SOFCs)是将燃料中的化学能直接转化为电能的一类电化学装置，具有系统设计简单、能量转换效率高、环境友好、规模弹性大及寿命长等优点，被公认为21世纪的绿色能源。SOFC不仅能以氢气作燃料气，而且还适用于石油液化气、天然气及煤气等多种气体；既可以用作大型固定电站，也可以用作小型分散式热电联用装置(combinedheatandpower，CHP)和车用辅助电源(auxiliarypowerunit，APU)系统等，尤其作为社区热电联供装置，SOFC是所有燃料电池中的最佳候选者。[1–4]在矿物资源日趋贫乏和保护生态环境日益受到重视的今天，SOFC已备受关注并成为国内外竞相研究开发的热点课题。本文在简单介绍SOFC堆结构的基础上，重点详细介绍几个世界级具有堆电池发电能力的机构及其研发情况。1SOFC单电池及电池堆结构理论上，SOFC单电池的电压约1.2V，要达到能够实际应用的千瓦乃至兆瓦级发电机功率范围，需将单个电池按照串联和并联方式组装，这就涉及到电池的设计与连接。SOFC系统的发展过程中出现过多种设计，两种最基本的SOFC设计是管式和板式。管式SOFC以Siemens-Westinghouse的设计为代表，[1,5–6]如图1所示，可以看出：单电池由一端封闭、一端开口的管子构成；最内层是多孔支撑管，收稿日期：2009–04–14。修改稿收到日期：2009–08–09。基金项目：国家自然科学基金(50872090)资助项目。第一作者：彭珍珍(1967—)，女，博士，高级工程师。Receiveddate:2009–04–14.Approveddate:2009–08–09.Firstauthor:PENGZhenzhen(1967–),female,Doctor,seniorengineer.E-mail:[e-mail]第38卷第3期2010年3月硅酸盐学报JOURNALOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.38，No.3March，2010彭珍珍等：国外SOFC研究机构及研发状况·543·第38卷第3期图1管式结构SOFC与电池组[1,6]Fig.1Tubular-designsolidoxidefuelcell(SOFC)andstackbundle[1,6]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。单电池以并联和串联的形式组装成半刚性的管束，就构成发电机的基本模块。图2为板式设计SOFC单电池和电池堆结构，[7]可以看出：板式设计的电池组件几乎都是薄平板；联接到两电极上的槽形双极板形成气体流动通道，它不仅作为连接电池阳极和阴极的电连接器，而且也作为隔离燃料和空气的气体分离器。图2板式结构SOFC及电池组[7]Fig.2Planar-designSOFCandstack[7]开发SOFC结构的研究并非一帆风顺，高温管式SOFC具有可靠性高、无需密封的优点，但输出功率密度偏低；板式SOFC具有较高的输出功率密度，但连接和密封困难。目前，围绕提高管式SOFC的输出功率密度，改进板式SOFC的连接与密封等课题，各国的研究机构大显身手，并设计多种形式的SOFC，最引人瞩目的当属英国Rolls-Royce开发的集成板式SOFC(integratedplanarSOFC，IP-SOFC)，[7–8]据称该设计保留管式和板式设计的优点，并有效改进其缺点。此外，一些机构还设计微管式SOFC和蜂窝形SOFC，[9–10]这些均是在管式和板式结构基础上发展起来的，这里不再赘述。2世界主要研发机构及其最新研究进展2.1英国CeresPower成立于2001年的CeresPower集中了工程技术、油气发电、工业自动化以及新材料领域的诸多世界顶级研发专家，专业从事中低温SOFC产品开发，目标是开发1～25kW且适用于多种燃料气(石油液化气、天然气、甲醇及氢气等)的中温SOFC电池堆。其SOFC核心技术源于英国帝国理工大学，具有以下特征：[11–14]1)采用氧化钆掺杂氧化铈基材料(Ga2O3-dopedCeO2，CGO)作为电解质，该材料是目前所发现的具有最高氧离子电导率的稳定电解质，其缺点是在还原性气氛，Ce4+容易被还原为Ce3+，从而引起电子电导，降低电池的性能；但是如果控制温度在600℃以下，还原情况会大大降低以至可以忽略不计。Ceres电池堆的操作温度大约在500～600℃，采用Ni-CGO为金属陶瓷阳极，(La，Sr)(Co，Fe)O3与CGO的复合材料(LSGF/CGO)为阴极。2)采用不锈钢做为支撑体和连接材料，不锈钢材料为Ti–Nb稳定的17%Cr–Fe，该材料可提高电池堆的抗热震性能，减少电池内部的温度梯度。3)采用金属支撑体使电池的支撑功能和导电功能分离，因而可以进一步优化电池结构，实现电池性能的最优化；此外，该不锈钢材料的热膨胀系数与电极材料非常匹配[(12.5～12.8)×10–6K–1]，使电池堆的长期稳定性和快速启动得以保证。CeresPower单电池的有效面积达16cm2，电池堆在570℃的最高输出功率密度为0.4kW/cm2，密封性能良好，热启动快，仅需13min，2500h测试性能无衰减，25次热冲击和7次氧化还原循环后仅有3%的性能衰减。[8,14]2006年，CeresPower等采用核心SOFC电池堆技术和集成叠放式结构设计(见图3[13])联合开发住宅用1～25kWCHP系统。到2008年9月，用于热电联供系统的燃料电池堆已经组装和测试完成，提前完成既定目标。目前CHP系统的设计组装工作也已完成，正在进行整个系统的性能测试。2.2日本KEPCO–MMC电池堆KEPCO是日本最大的能源公司之一，该公司于硅酸盐学报·544·2010年图3CeresPower的燃料电池堆和热电联供系统[13]Fig.3SOFCstacksandcombinedheatandpower(CHP)unitbytheCeresPower[13]2001年开始与MMC合作开发600～800℃中温SOFC，2004年以来，在NEDO的资助下，致力于开发用于固定电站的10kW级板式中温SOFC以及10kW级CHP系统。KEPCO–MMC电池堆有如下特点：[15–18]1)电解质支撑结构，电解质材料为镓酸镧基材料[(La，Sr)(Ga，Mg)O3，LSGM]，阳极材料为高活性金属陶瓷Ni-SDC(Sm2O3-dopedCeO2，SDC)，阴极材料为Sm0.5Sr0.5CoO3–δ(SSC)，成品为φ120mm×200µm的圆片。2)采用金属分隔无密封设计(见图4[15])，分割体设有两个柔性臂，可以对管件和连接件施加压力，以保证电池堆结构的紧密性。3)采用热自供方式维持电池运行，燃料气在电极处参与电化学反应后，残余燃料可以在电池堆的外围燃烧，燃烧热用于维持电池堆的运行。图4KEPCO–MMC单电池与电池堆结构的概念图[15]Fig.4Conceptualdrawingofthesinglecellstack-unitandthecellstackbyKEPCO–MMC[15]KEPCO研发了第四代1kW级电池堆模块，全部采用燃料内重整和热自供维持方式。2006年，研发成功一组10kW级的电池堆系统，该系统由16个电池堆组成，每个电池堆共有34个单电池。系统的直流功率为12.6kW，发电效率达到燃料气高热值(highheatingvalue，HHV)的50%。2007年，采用该系统的10kW级CHP系统在10kW的交流输出功率的效率达到41%HHV，如将产生的废热以60℃热水的形式回收利用，则总热电效率达到80%HHV以上。目前正在考察CHP系统的长期稳定性，系统累计运行时间已达2500h以上。2.3德国Jülich研究中心Jülich研究中心(ForschungszentrumJülich，FZJ)隶属于德国Helmholtz研究联合会，是德国重点资助的15个机构之一，也是德国乃至欧洲最大的能源研究中心之一，机构内与燃料电池最相关的部门是能源系统材料与进程研究所。FZJ致力于SOFC的研发已有十多年历史。开发的电池为Ni-YSZ阳极支撑平板式设计，电解质和阴极材料分别为氧化锆稳定氧化钇(yttria-stabilizedzirconia，YSZ)和(La，Sr)MnO3(LSM)。电池的制备工艺均实现大规模商业化生产，尺寸有3种规格：5cm×5cm、10cm×10cm以及20cm×20cm。[19–22]FZJ电池堆有两种结构：一种为F型设计(见图5[19])，另一种为轻质金属片连接设计，其中F型设计采用微晶陶瓷密封，Ni–Cr金属合金连接，该合金(CroFer22APU)为特制，具有高电子电导和高热导率，热膨胀系数与堆组件匹配，而且在氧化还原气氛中的化学稳定性良好。由于采用厚重的金属连接件，因而堆质量高机械性能好，目前仅用于实验室堆性能测试，当然也可以用于固定式CHP系统。轻质金属片连接设计则主要配套1～10kW车载备用电源，较F型设计质量减轻80%以上，但机械性能成为设计组装