固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池（SOFC）摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，人類對能源的需求量大幅度增加。而隨著化石能源（煤炭、石油、天然氣）的日漸枯竭，開發(fā)利用可再生資源的能源體系、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)成為人類社會迫切需要解決的問題。燃料電池是舉世公認(rèn)的高效、便捷及有益于環(huán)境的綠色能源裝置。燃料電池具有高效、環(huán)保、安全、可靠性高等特點，可同時解決'能源”和“環(huán)?！眱纱笫澜珉y題，是未來氫經(jīng)濟(jì)時代新興產(chǎn)業(yè)鏈的核心，將降低對石油進(jìn)口依賴，保障國家能源安全，減少溫室效應(yīng)，改善環(huán)境質(zhì)量。本文對燃料電池的基本概念，基本工作原理作了具體敘述，對其工作效率和提高工作效率的方法作了定量討論，燃料電池具有非同尋常的性能：電效率可達(dá)60%以上，而且可以在帶著部分負(fù)荷運行的情況下進(jìn)行維修，除了有低比率碳氧化物排放外幾乎沒有任何有害的排放物。文章介紹按溫度劃分的5種主要燃料電池（AFC、PAFC、MCFC、PEMFC、SOFC）的性能，重點介紹高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）的應(yīng)用及其發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:燃料電池；綠色能源；高溫固體氧化物燃料電池十—O-十—O-排放許物（水、二筮化碳）固體氧化物燃料電池的概述固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC）屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來會與質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池，簡稱PAFC)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池，簡稱MCFC)相比它有如下優(yōu)點：(1)較高的電流密度和功率密度；(2)陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降；(3)可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；(4)避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問題；(5)能提供高質(zhì)余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達(dá)80%左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；(6)廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽極，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)；(7)陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運行(600?1000°C)，加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡化了設(shè)備。固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳?xì)淙剂?。在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電?lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站，以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源，都有廣闊的應(yīng)用前景。SOFC的結(jié)構(gòu)組成固體氧化物燃料電池是一種新型發(fā)電裝置，其高效率、無污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對多種燃料氣體的廣泛適應(yīng)性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質(zhì)(electrolyte)、陽極或燃料極(anode，fuelelectrode)、陰極或空氣極(cathode，airelectrode)和連接體(interconnect)或雙極板(bipolarseparator)組成。固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽極為燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。在固體氧化物燃料電池的陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通人氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。單體電池只能產(chǎn)生1V左右電壓，功率有限，為了使得SOFC具有實際應(yīng)用可能，需要大大提高SOFC的功率。為此，可以將若干個單電池以各種方式(串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián))組裝成電池組。目前SOFC組的結(jié)構(gòu)主要為：管狀(tubular)、平板型(planar)和整體型(unique)三種，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成為SOFC的發(fā)展趨勢。固體氧化物燃料電池的開發(fā)始于20世紀(jì)40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃發(fā)展。早期開發(fā)出來的SOFC的工作溫度較高，一般在800-1000^0目前科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)成功中溫固體氧化物燃料電池，其工作溫度一般在800r左右。一些國家的科學(xué)家也正在努力開發(fā)低溫SOFC,其工作溫度更可以降低至650?700°C°工作溫度的進(jìn)一步降低，使得SOFC的實際應(yīng)用成為可能。固體氧化物燃料電池原理在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度最高，屬于高溫燃料電池。近些年來，分布式電站由于其成本低、可維護(hù)性高等優(yōu)點已經(jīng)漸漸成為世界能源供應(yīng)的重要組成部分。由于SOFC發(fā)電的排氣有很高的溫度，具有較高的利用價值，可以提供天然氣重整所需熱量，也可以用來生產(chǎn)蒸汽，更可以和燃?xì)廨啓C組成聯(lián)合循環(huán)，非常適用于分布式發(fā)電。燃料電池和燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機等組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不但具有較高的發(fā)電效率，同時也具有低污染的環(huán)境效益。常壓運行的小型SOFC發(fā)電效率能達(dá)到45%-50%。高壓SOFC與燃?xì)廨啓C結(jié)合，發(fā)電效率能達(dá)到70%。國外的公司及研究機構(gòu)相繼開展了SOFC電站的設(shè)計及試驗，100kW管式SOFC電站己經(jīng)在荷蘭運行。Westinghouse公司不但試驗了多個kW級SOFC，而且正在研究MW級SOFC與燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)。日本的三菱重工及德國的Siemens公司都進(jìn)行了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的試驗研究［2］。一般的SOFC發(fā)電系統(tǒng)包括燃料處理單元、燃料電池發(fā)電單元以及能量回收單元。圖一是一個以天然氣為燃料、常壓運行的發(fā)電系統(tǒng)?？諝饨?jīng)過壓縮器壓縮，克服系統(tǒng)阻力后進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱，然后通入電池的陰極天然氣經(jīng)過壓縮機壓縮后，克服系統(tǒng)阻力進(jìn)入混合器，與蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的過熱蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例為，混合后的燃料氣體進(jìn)入加熱器提升溫度后通入燃料電池陽極。陰陽極氣體在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電池發(fā)出電能的同時，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將未反應(yīng)完全的陰陽極氣體加熱。陽極未反應(yīng)完全的氣體和陰極剩余氧化劑通入燃燒器進(jìn)行燃燒，燃燒