固體氧化物燃料電池

近幾十年來，隨著經濟的快速發展，我國已經成為一個能源生產和消費大國，隨之引起的資源消耗和環境問題日益凸顯，尋求和發展高效、清潔的新能源技術是解決上述問題的關鍵。燃料電池是一種通過電極反應直接將燃料的化學能轉化為電能的電化學裝置，燃料電池技術是繼水力、火力和核能之後的新一代發電技術。根據電解質的不同，燃料電池可分為多種類型，其中，固體氧化物燃料電池因具有能量轉化效率高(熱電聯供的轉化效率可達80%以上)、對環境友好、良好的安全性與適應性等優點而備受關注。

在國際上，美國、德國、加拿大、日本等國家都投入了大量的人力和財力對固體氧化物燃料電池技術進行研發，已經取得了令人矚目的成績。日本三菱重工開發的200kW固體氧化物燃料電池-MGT複合發電系統，已經連續運行超過4000h，日本分散式家用燃料電池系統ENE-FARM快速普及，終端用戶已達幾十萬套。雖然我國在固體氧化物燃料電池研發中處於追趕狀態，但已經有越來越多的高校和科研院所投入到固體氧化物燃料電池的研究工作中，國家也將發展百千萬級至兆瓦級固體氧化物燃料電池發電分散式能源系統列入技術攻關項目。

本書作者孫克寧及其團隊十幾年來一直致力於固體氧化物燃料電池關鍵技術的研究與開發，經過多年不懈努力和集體攻關，團隊在單體電池研發和電池堆的構建上開展了一系列創新性的工作，取得了較為突出的成績，積累了相當豐富的理論知識和實踐經驗。本書的撰寫立足於上述研究工作，同時對國內外知名研究團隊的最新研究成果進行了梳理和總結。筆者希望，這本書能為從事固體氧化物燃料電池領域研發工作的科研人員提供指導和幫助。

按所用電解質的不同，燃料電池可分為鹼性燃料電池(alkaline fuel cell，AFC)、磷酸型燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell，MCFC)、質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)等。目前，燃料電池的研究重點為SOFC和PEMFC，並向商業化發展。表1是目前各種燃料電池技術的發展狀態。

表1 各種燃料電池技術的發展狀態

SOFC 原理

SOFC 主要由固體氧化物電解質、陽極(燃料氣電極)、陰極(空氣電極)和材料組成。SOFC 的工作原理如圖1所示。

圖1 SOFC工作原理示意圖

SOFC結構類型

為了實際應用，SOFC單體電池需要做成電池堆以增加電壓和輸出功率。合理的SOFC結構應具有四個基本特徵，即性能可靠、便於放大、方便維修和價格低廉。SOFC的構型不同，電池的製作方法也不同。SOFC電池堆可以做成不同結構，如平板式、管式、套管式和瓦楞式等。但經過長期的發展和優化，目前採用的SOFC結構類型主要有平板式、圓管式和扁管式三種。

平板式SOFC的結構示意圖

管式SOFC的結構示意圖

SOFC特點及應用

SOFC 的優勢符合能源市場的自由化、環境意識的加強和分散式發電的趨勢。SOFC 系統最誘人的特性是效率高、燃料的適應性強及幾乎沒有顆粒物、NOx、SOx的排放。以燃氣機、燃氣渦輪機和組合循環裝置等有競爭力的系統設定的經濟和技術的規格為基準，SOFC 組合系統在電效率、部分負荷效率和排放方面都比現有的技術具有更明顯的優勢。SOFC 的具體特點如下。

01

高的工作溫度(一般在600°C以上)有效地提升了電極的反應活性，使其不必像其他低溫燃料電池那樣使用貴金屬催化劑，而代之以廉價的氧化物電極材料。

02

高溫工作拓寬了燃料的選擇範圍，價格相對低廉的烷烴類燃料可以在電池內部重整和氧化產生電能。這樣就避免了使用價格相對昂貴的氫氣作為燃料。同時，高溫工作大大提高了電池對硫化物的耐受能力，其耐受能力比其他燃料電池至少高兩個數量級。

03

SOFC 工作時產生大量的餘熱，可以實現熱電聯用，提高發電系統的效率，理論上電池的總效率可以達到80%左右。

04

SOFC 是全固態結構，可以避免使用液態電解質所帶來的腐蝕和電解液流失等問題，全固態結構還有利於電池的模塊化設計，提高電池體積比容量，降低設計和製作成本。

SOFC 發電系統有著廣泛的應用，目前已確定能使用SOFC 的市場包括家居、商業和工業熱電聯供、分散式發電、運輸領域的輔助電源裝置及輕便電源。SOFC作為移動式電源，可以為大型車輛提供輔助動力源。第一輛以SOFC 作為輔助電源系統(auxiliar power unit，APU)的汽車，由BMW與Delphi合作推出，於2001年2月16日在德國慕尼黑問世。作為美國能源部固體能源轉換協會的示範項目，美國汽車配件廠商戴姆勒公司在華盛頓由美國能源部主辦的展會上展出使用SOFC 的第二代輔助電源裝置，用煤氣作燃料。SOFC 輔助電源裝置質量為70kg，體積為44L，與第一代裝置相比，質量和體積均縮小了75%，SOFC 輔助電源裝置是針對轎車、商用車、軍用車及固定電源等用途設計的，輸出功率為5kW。

SOFC 應用的優點如下。

(1)可以使用與內燃機相同的烴燃料(如汽油、柴油)。

(2)可以提供有用的熱能。

(3)比現有的發電系統的效率高。

(4)排放低。

本文摘編自孫克寧著《固體氧化物燃料電池》文前及第一章，內容有刪減。

固體氧化物燃料電池

孫克寧 著

北京：科學出版社 2019.02

《固體氧化物燃料電池》是孫克寧教授團隊多年來從事固體氧化物燃料電池研究工作的總結，內容包括固體氧化物燃料電池所涉及的原理、技術及其主要應用領域等多個方面。全書共7章，第1章在回顧燃料電池發展歷史的基礎上，重點介紹固體氧化物燃料電池的國內外發展現狀、問題及挑戰；第2章介紹固體電解質的導電機制、關鍵材料及製備；第3章介紹陰極材料、結構、穩定性及其改進策略；第4章介紹陽極材料，重點對陽極的抗積碳進行了分析；第5章介紹連接體材料的種類、特性要求及改進方式；第6章介紹固體氧化物燃料電池研究中涉及的常用研究方法；第7章介紹固體氧化物燃料電池電池堆，並對各種電池堆的結構、特點分別進行介紹。

（本期編輯：安 靜）

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