新能源技術(shù)專題講座：新型固體燃料電池-21世紀(jì)的綠色能源

新型固體燃料電池——21世紀(jì)的綠色能源雷小平材料SOFC概念固體氧化物燃料電池(SOFC)是固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡(jiǎn)稱SOFC)屬于第三代燃料電池SOFC是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)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(huì)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優(yōu)點(diǎn)SOFC與第一二代燃料電池相比它有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)較高的電流密度和功率密度(2)陽、陰極極化可忽略(3)可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料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)燃料利用率高，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)SOFC原理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(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時(shí)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。SOFC原理圖SOFC結(jié)構(gòu)電解質(zhì)(electrolyte)、陽極或燃料極(anode，fuelelectrode)、陰極或空氣極(cathode，airelectrode)連接體(interconnect)或雙極板(bipolarseparator)組成。SOFC電解質(zhì)連接材料 SOFC電解質(zhì)材料主要為離子導(dǎo)電的氧化釔(或氧化鈧)穩(wěn)定的氧化鋯,及摻雜的氧化鈰或鎵酸鑭基材料。SOFC電極材料本身首先是一種催化劑?，F(xiàn)常使用的合金連接材料主要為包含Cr的Fe基合金材料。SOFC陽極SOFC陽極材料通常為金屬與電解質(zhì)摻雜的復(fù)合材料,最常用的陽極材料為Ni與電解質(zhì)相互混合的復(fù)合材料。對(duì)SOFC陽極材料，要求電子電導(dǎo)高，在還原氣氛中穩(wěn)定并保持良好透氣性。常用的材料是Ni粉彌散在YSZ中的金屬陶瓷。SOFC陰極陰極材料在高溫氧氣氛環(huán)境工作，起傳遞電子和擴(kuò)散氧作用，應(yīng)是多孔洞的電子導(dǎo)電性薄膜。要求陰極材料具有高電導(dǎo)率、高溫抗氧化性以及高溫?zé)岱€(wěn)定性，并且不與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。常用的陰極材料主要包括以下幾種:LSC、LSCF、LSF、LSM等SOFC大量實(shí)驗(yàn)證明:La1-xSrxMnO3(LSM），是較好的陰極材料。SOFC制備制備SOFC電極的方法很多，主要分為物理方法、化學(xué)方法以及陶瓷成型方法。制備SOFC電極薄膜的各種工藝方法的比較見下表。SOFC商業(yè)化進(jìn)程SOFC商業(yè)化進(jìn)程比人們預(yù)想的快得多在2003～2005年間，SOFC的費(fèi)用目標(biāo)為800美元/kW，2010年降到400美元/kW。一旦實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，高效、潔凈的能源――燃料電池時(shí)代就將到來。從SOFC的技術(shù)開發(fā)、實(shí)際應(yīng)用來看，固體氧化物燃料電池具有重要的環(huán)保意義、經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。主要國(guó)家及機(jī)構(gòu)的研發(fā)活動(dòng)1.管狀SOFC美國(guó)西屋電氣公司首先通過擠出成型方法制備多孔氧化鋁或復(fù)合氧化鋯支撐管，然后采用電化學(xué)氣相沉積方法制備厚度在幾十到1001μm的電解質(zhì)薄膜和電極薄膜，研制了管狀結(jié)構(gòu)的SOFC。2.平板狀SOFC平板型SOFC由于主要采用陶瓷成型工藝，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，又能獲得高的功率密度。近來倍受關(guān)注，有眾多的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)投入相當(dāng)?shù)呢?cái)力和人力進(jìn)行研制和實(shí)際應(yīng)用。加拿大的環(huán)球熱電公司、美國(guó)GE、SOFCo、Z－tek等公司也在進(jìn)行平板型SOFC千瓦級(jí)模塊的試運(yùn)行。

SOFC應(yīng)用前景現(xiàn)階段，對(duì)于SOFC的研究和開發(fā)旨在向所有可能的市場(chǎng)提供基本的標(biāo)準(zhǔn)組件，逐步取代現(xiàn)有的發(fā)電和供電方式。主要應(yīng)用大致分為以下三方面：1.固定電站固定SOFC電站主要是為家庭、偏遠(yuǎn)地區(qū)以及商業(yè)用電提供電源。它的高效率、無污染、無噪音以及熱-電共生對(duì)于家庭來說尤為適合。2.交通運(yùn)輸SOFC作為機(jī)動(dòng)車輛的輔助電源將有很好的應(yīng)用前景。據(jù)估計(jì)，每年可節(jié)約4.2億加侖柴油，并減少CO2排放量460萬噸。SOFC也可以用作為飛行器和船舶的輔助電源。美國(guó)波音公司和美國(guó)宇航局已經(jīng)開始了SOFC技術(shù)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的研究開發(fā)。.軍事應(yīng)用就像許多先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)都是在軍事上首先得到應(yīng)用一樣，SOFC技術(shù)也將是