固態氧化物燃料電池

固態氧化物燃料電池是指使用固體氧化物為電解質且在高溫下工作的燃料電池。通常使用諸如用氧化釔穩定的氧化鋯等固態陶瓷電解質。其工作溫度位於800~1000℃之間。

基本介紹

• 中文名：固態氧化物燃料電池
• 外文名：solid oxide fuel cell
• 簡稱：SOFC
• 工作溫度：800—1000℃
• 特點：環境友好、壽命長等
• 學科：材料科學技術

簡介

固態氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，其工作溫度位於800~1000℃。在這種燃料電池中，電動勢來源於電池兩側不同的氧分壓。其單體電池是由正負兩個電極(負極為燃料電極，正極為氧化劑電極)以及電解質組成。陽極、陰極的主要作用是導通電子和提供反應氣體、產物氣體的擴散通道。固體電解質將兩側的氣體分隔開來，由於兩側氧分壓的不同，產生了氧的化學位梯度，在該化學位梯度的作用下，在陰極獲得電子的氧離子經固體電解質向陽極運動，在陽極釋放出電子，從而在兩極形成電壓。

固態氧化物燃料電池號稱第三代燃料電池，電解質為固態、無空隙的金屬氧化物，由氧離子在晶體中穿梭送達離子。如今技術已達成熟階段。但由於僅有少數材料能在高溫下工作且價格昂貴，因此朝中溫型電池的方向發展。

固體氧化物燃料電池最適宜的用途是與煤氣化和燃氣輪機、汽輪機等構成聯合循環發電系統，建造中心電站或分散電站。這樣既能提高能源的利用率，又能消除對環境的污染。

原理

SOFC是以固態的氧化釔、氧化鋯為電解質，這些氧化物在高溫下能夠傳導氧離子，在電池中起著傳導氧離子、分隔氧化劑(如氧)和燃料氫的作用。構成固體氧化物燃料電池的關鍵部件為陰極、陽極、固體氧化物電解質隔膜(如氧化釔穩定的氧化鋯一YSZ)和雙極板或連結材料。按照電池結構的不同，固體氧化物電解質可分為平板形結構和圓管型結構。

SOFC工作時，若以重整氣(氫氣和CO的混合物)為燃料，在電池內部發生以下反應。

在陰極，氧分子得到電子被還原為氧離子，即

氧離子在電解質隔膜兩側電位差與濃差驅動力的作用下，通過電解質隔膜中的氧空位，定向躍遷到陽極側並與燃料進行氧化反應，即

總反應

固體氧化物燃料電池在600～1000℃條件下工作，不但電催化劑無需採用貴金屬，而且還可以直接採用天然氣、氣化煤氣和碳氫化合物作燃料，簡化了電池系統。

組成

SOFC電池組為順利發揮電能轉換的功能，需包含下列組件：

(1)一個由固體電解質(solid electrolyte)和陰、陽雙極(cathode and anode)所組成的電化學轉換裝置。電解質材料中，添加釔的氧化鋯是發展得最成熟的。

(2)燃料的重整器(reformer)。這個裝置包含催化劑、載體及容器。可使燃料轉換為小的燃氣分子，如甲烷，並附加於電池堆的前端，和燃料電池運行所產生的熱量進行交換。

(3)氣體與燃料輸送通道(或稱氣體分配器。gas distributor)。通常使用金屬作為輸送管材料，以使反應物具有較佳的擴散性與輸送性。

(4)電流收集端子(current collector)。就是俗稱的電刷，通常由金屬或電子導電性佳的氧化物或是石墨所製成，好的導電性是必需的。

(5)感測器(sensor)。各種市售的感測器可用於監測電池的溫度、電流、化合物種類和輸出電壓值。

(6)熱量控制裝置。如隔熱層(insulator)、冷卻器(cooler)、熱交換器(heatexchanger)和通風系統(ventilation system)。

(7)金屬或玻璃陶瓷外殼(housing)。可於室溫下使用的材料，例如：不鏽鋼304。內部接觸高溫燃料電池需要耐高溫的材料，因此，商業金屬合金最被看好，用以降低製造成本。

組件要求

由於SOFC是在1000℃下的高溫運行，對組件所用的材料有以下要求：

①在氧化或還原氣氛中具有化學穩定性；

②組件之間接觸處具有化學穩定性；

③具有良好的導電性；

④一致的熱膨脹性能；

⑤電極必須是多孔結構；

⑥在高溫下運行必須保證良好的氣密性。

特點

固體氧化物燃料電池是一種理想的燃料電池，不但具有其他燃料電池高效、環境友好的優點，而且還具有以下突出優點：

(1)固體氧化物燃料電池是全固體結構，不存在使用液體電解質帶來的腐蝕問題和電解質流失問題，可望實現長壽命運行。

(2)固體氧化物燃料電池的工作溫度為800～1000℃，不但電催化劑不需要採用貴金屬，而且還可以直接採用天然氣、煤氣和碳氫化合物作為燃料，簡化了燃料電池系統。

(3)固體氧化物燃料電池排出高溫餘熱可以與燃氣輪機或蒸汽輪機組成聯合循環，大幅度提高總發電效率。

固體氧化物燃料電池技術的難點在於，它是在高溫下連續工作。在電池的工作條件下，電池的關鍵部件(陽極、隔膜、陰極和在線上材料等)必須具備化學與熱的相容性。即在電池工作的條件下，電池構成材料問不但不發生化學反應，而且熱膨脹係數也應相互匹配。

發展

美國Westinghouse電氣公司從20世紀80年代開始研究管型固體氧化物燃料電池，1992年兩台25kW管型固體氧化物燃料電池分別在日本大阪、美國南加州進行了幾千小時實驗運行。從1995年起，Westinghouse電氣公司採用空氣電極作支撐管，取代了原先CaO穩定的支撐管。這不但簡化了固體氧化物燃料電池的結構，而且電池功率密度提高了近3倍。該公司為荷蘭Utilities公司建造的100kW管式固體氧化物燃料電池系統，設計的電池效率為50%，熱利用率為25%，能量總利用率為75%。德國Siemens公司從1992年起，重點發展平板式固體氧化物燃料電池，如今該公司的平板式固體氧化物燃料電池功率已超過10kW，居世界領先地位。丹麥與澳大利亞分別進行了平板式固體氧化物燃料電池的開發。日本Fuji與Sanyo也在進行平板式固體氧化物燃料電池的開發，功率已達千瓦級。

我國中科院大連化物所從1995年開始進行固體氧化物燃料電池的研究。先後研究了，/YSZ陽極製備方法和高溫無機密封技術，並組裝了平板式固體氧化物燃料單電池。現已成功地在Ni-YSZ陶瓷陽極基底上製備出厚度在50μm以下的負載型YSZ緻密薄膜，在工作溫度為800℃時，氫為燃料，空氣為氧化劑的薄膜型固體氧化物燃料單電池輸出功率密度已達0.2～0.3W/(kg/s)。同時與日本、英國等國家合作，進行新型固體電解質材料薄膜的研製及配套陰、陽極材料的研究與開發。