單體固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC）屬於第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池一樣得到廣泛普及套用的一種燃料電池。
基本介紹
- 中文名：單體固體氧化物燃料電池
- 外文名：Solid Oxide Fuel Cell
- 簡稱：SOFC
- 性質：第三代燃料電池
原理,結構組成,特點,發展,存在問題,
原理
在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度最高，屬於高溫燃料電池。近些年來，分散式電站由於其成本低、可維護性高等優點已經漸漸成為世界能源供應的重要組成部分。由於SOFC發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，也可以用來生產蒸汽，更可以和燃氣輪機組成聯合循環，非常適用於分散式發電。燃料電池和燃氣輪機、蒸汽輪機等組成的聯合發電系統不但具有較高的發電效率，同時也具有低污染的環境效益。
一般的SOFC發電系統包括燃料處理單元、燃料電池發電單元以及能量回收單元。圖一是一個以天然氣為燃料、常壓運行的發電系統。空氣經過壓縮器壓縮，克服系統阻力後進入預熱器預熱，然後通入電池的陰極。天然氣經過壓縮機壓縮後，克服系統阻力進入混合器，與蒸汽發生器中產生的過熱蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例為，混合後的燃料氣體進入加熱器提升溫度後通入燃料電池陽極。陰陽極氣體在電池內發生電化學反應，電池發出電能的同時，電化學反應產生的熱量將未反應完全的陰陽極氣體加熱。陽極未反應完全的氣體和陰極剩餘氧化劑通入燃燒器進行燃燒，燃燒產生的高溫氣體除了用來預熱燃料和空氣之外，也提供蒸汽發生器所需的熱量。經過蒸汽發生器後的燃燒產物，其熱能仍有利用價值，可以通過餘熱回收裝置提供熱水或用來供暖而進一步加以利用。
SOFC簡單發電系統示意圖
結構組成
固體氧化物燃料電池是一種新型發電裝置，其高效率、無污染、全固態結構和對多種燃料氣體的廣泛適應性等，是其廣泛套用的基礎。
固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質（electrolyte）、陽極或燃料極（anode，fuel electrode）、陰極或空氣極（cathode，air electrode）和連線體（interconnect）或雙極板（bipolar separator）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，在原理上相當於水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質組成，陽極為燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑。工作時相當於一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。
在固體氧化物燃料電池的陽極一側持續通入燃料氣，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，並通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續通入氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，由於陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變為O，在化學勢的作用下，O進入起電解質作用的固體氧離子導體，由於濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發生反應，失去的電子通過外電路回到陰極。
單體電池只能產生1V左右電壓，功率有限，為了使得SOFC具有實際套用可能，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、並聯、混聯）組裝成電池組。 SOFC組的結構主要為：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製作成本低而成為SOFC的發展趨勢。
特點
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內阻降；（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、低溫燃料電池的酸鹼電解質或熔鹽電解質的腐蝕及封接問題；（5）能提供高質餘熱，實現熱電聯產，燃料利用率高，能量利用率高達80%左右，是一種清潔高效的能源系統；（6）廣泛採用陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，具有全固態結構；（7）陶瓷電解質要求中、高溫運行（600～1000℃），加快了電池的反應進行，還可以實現多種碳氫燃料氣體的內部還原，簡化了設備。
除了燃料電池的一般優點外，SOFC還具有以下特點：對燃料的適應性強，能在多種燃料包括碳基燃料的情況下運行；不需要使用貴金屬催化劑；使用全固態組件，不存在對漏液、腐蝕的管理問題；積木性強，規模和安裝地點靈活等。
固體氧化物燃料電池具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態、模組化組裝、零污染等優點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質氣等多種碳氫燃料。在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯供等民用領域作為固定電站，以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源，都有廣闊的套用前景。
發展
固體氧化物燃料電池的開發始於20世紀40年代，但是在80年代以後其研究才得到蓬勃發展。早期開發出來的SOFC的工作溫度較高，一般在800～1000℃。科學家已經研發成功中溫固體氧化物燃料電池，其工作溫度一般在800℃左右。一些國家的科學家也正在努力開發低溫SOFC，其工作溫度更可以降低至650～700℃。工作溫度的進一步降低，使得SOFC的實際套用成為可能。
存在問題
（1）啟動時間長。
因操作溫度在650～1000℃，為保護電池組件，升溫速率不能太快，5-10℃每分鐘升溫，啟動時間在65分鐘至200分鐘；
（2）成本高
常用電極材料含貴金屬、稀土元素，導致原料成本高；
（3）壽命
固體氧化物燃料電池的壽命仍需考證。
