中國粉體網(wǎng)訊  燃料電池與傳統(tǒng)的發(fā)電裝置不同,，它能直接將燃料的化學能轉化為電,，不用熱動力循環(huán)做功,，因而擺脫了卡諾循環(huán)的限制,，具有更高的發(fā)電效率,。

燃料電池的種類多,，目前主要有堿性燃料電池（AFC）,、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）等幾種類型。其中SOFC具有反應溫度高,、催化劑不含貴金屬,、燃料來源廣、能夠熱電聯(lián)供等優(yōu)點,，近年來其發(fā)展速度越來越快,。

工作原理

SOFC由氧電極(陰極) 、燃料電極(陽極) 和夾在其之間的致密離子導體(固體電解質(zhì)) 及連接陽極和陰極以收集電能的外部電路組成,。

以碳氫化合物為燃料的SOFC工作示意

工作過程中,，電極不直接參與反應，僅起催化劑作用,，并提供離子和電子傳輸,。如果使用碳氫化合物作為 SOFC 的燃料氣體，并假設燃料在工作過程中被完全氧化,，則陰極和陽極會自發(fā)發(fā)生以下反應：

陰極與氧氣接觸,，O₂分子利用來自陽極的電子還原為陰離子( O₂^－) 。隨后,，O₂^－離子穿過電解質(zhì)并進入陽極,，并氧化燃料產(chǎn)生水和二氧化碳，最后在陽極釋放電子,。產(chǎn)生的電子穿過外部電路并返回到陰極,。當燃料和氧化劑充足時，SOFC 可以繼續(xù)對外電路供電,。

關鍵材料

SOFC典型結構

固體氧化物燃料電池由陽極,、陰極,、電解質(zhì),、連接體及密封材料等部件組成。其中電極的主要功能是為電化學反應提供反應場所，并傳導電化學反應產(chǎn)生的(或需要的)電子,；電解質(zhì)的主要功能為傳導氧離子或質(zhì)子,；連接體的主要功能是將單電池連接，實現(xiàn)大功率輸出,，并隔斷空氣與燃料直接反應,；密封材料則是將燃料和空氣分隔密封在各自的流程區(qū)域內(nèi)。

目前陽極主要采用Ni-YSZ多孔金屬陶瓷,。

電解質(zhì)多為氧離子傳導性良好,、不透氣的固態(tài)氧化物電解質(zhì)，主要用陶瓷材料,，通常采用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）,，也可以是摻雜的氧化鈰、氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯,、摻雜的鎵酸鑭等,。

陰極催化劑一般采用鈣鈦礦氧化物與電解質(zhì)材料構成復合陰極，如廣泛使用的LSM-YSG復合陰極,，也可以是鈷酸鑭,、鈷酸鍶釤等鈣鈦礦。

SOFC組件結構

管式SOFC（a）和平板式SOFC（b）

目前市場上廣泛使用的SOFC單元的組件設計形式大體分為兩類,，即管式設計圖（a）和平板式設計圖（b）,。管式設計由于其良好的密封性能而具有良好的長期穩(wěn)定性，而平板式設計由于短的電流路徑而具有高的功率密度,，這兩種設計方式各有優(yōu)缺點,，因此可根據(jù)不同的應用場景選擇SOFC的設計類型。

優(yōu)勢

固體氧化物燃料電池與其它燃料電池相比,，主要有以下優(yōu)勢：

①SOFC是采用固體氧化物作為電解質(zhì),，具有全固態(tài)結構，因而無腐蝕,、無泄漏,、安全性高，可以單體設計,。

②SOFC工作溫度高（600~1000℃）,，在此溫度下，電極反應迅速,，且不需要使用貴金屬如Pt等作為電極催化劑,。

③發(fā)電效率高，不受卡諾循環(huán)限制,，且燃料利用率高,，高品質(zhì)余熱可以繼續(xù)發(fā)電,，也可以實現(xiàn)熱電聯(lián)供，能量利用率高達80%~90%,。

④燃料適用范圍廣,，由于工作溫度較高，可以直接使用諸如天然氣,、液化石油氣,、煤氣化氣等來自于化石能源的燃料，也可以使用乙醇,、沼氣,、生物質(zhì)氣化氣等來自于生物質(zhì)的燃料，還可以使用甲醇,、氨氣等未來利用“綠氫”和CO2反應得到的可再生燃料,。

應用場景

基于以上特性，SOFC具有廣闊的應用前景,。具體的應用場景有以下幾個方面：

小型家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)

小型SOFC家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)能夠為家庭住宅提供電能和熱水,，在節(jié)能減排以及電力的削峰填谷方面優(yōu)勢明顯。這方面日本已經(jīng)有了成功的先例,，其家用熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品“ENE Farm”自 2009年5月已經(jīng)累計銷售超過11萬臺,。

分布式發(fā)電

SOFC發(fā)電效率高、無噪音,、無污染排放,、功率范圍調(diào)整靈活，可以提供百kW到幾十MW功率的燃料電池系統(tǒng),，特別適合作為分布式發(fā)電或者數(shù)據(jù)中心的備用電源,。Bloom Energy公司開發(fā)的產(chǎn)品目前已在蘋果、谷歌,、易趣等眾多公司得到應用,，在美國安裝超過130MW的SOFC燃料電池。

交通領域

SOFC作為車輛,、輪船,、無人機等工具的輔助或者動力電源也得到了推廣應用。2016年日產(chǎn)發(fā)布了世界首輛SOFC作為動力源的汽車,，SOFC的燃料是生物乙醇,，續(xù)航里程可超過600km。Bloom Energy公司與三星重工合作,，計劃將產(chǎn)品應用于船舶電源,，預計到2027年，將有超過100艘郵輪需要超過4GW的電池訂單,。

大型發(fā)電站

CO₂近零排放的大型煤氣化燃料電池發(fā)電技術（IGFC）是將整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）與高溫固體氧化物燃料電池或MCFC相結合的發(fā)電系統(tǒng),，發(fā)電效率更高,，CO₂捕集成本低，是煤炭發(fā)電的根本性變革技術,。三菱日立電力則致力于SOFC聯(lián)合循環(huán)大型發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)，2018年實現(xiàn)商用250kW和1MW規(guī)格的聯(lián)合發(fā)電產(chǎn)品,。

反向電解制氫

SOFC正向運行可發(fā)電,，逆向運行可實現(xiàn)電解，即為固體氧化物電解池（SOEC）,。SOEC可以通過電解水制氫,，把與負荷不匹配而浪費的電能儲存到氫氣中，且電解效率高達85%～95%,，遠高于其他電解技術,。

參考來源：

1.張偉等《碳基固體氧化物燃料電池研究進展》

2.中國化工信息周刊《固體氧化物燃料電池，距離商業(yè)化差什么,？》

3.上海海事大學TISC《科技前沿速遞——船用固體氧化物燃料電池》

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）

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