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(PEMFC)一樣得到廣泛普及套用的一種燃料電池。
基本介紹
- 中文名：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。
常壓運行的小型SOFC發電效率能達到45%-50%。高壓SOFC與燃氣輪機結合，發電效率能達到70%。國外的公司及研究機構相繼開展了SOFC電站的設計及試驗，100kW管式SOFC電站己經在荷蘭運行。Westinghouse公司不但試驗了多個kW級SOFC，而且正在研究MW級SOFC與燃氣輪機發電系統。日本的三菱重工及德國的Siemens公司都進行了SOFC發電系統的試驗研究[2]。
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O2-，在化學勢的作用下，O2-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。這些特點使總的燃料發電效率在單循環時有潛力超過60%，而對總的來說體系效率可高達85%，SOFC的功率密度達到1MW/M3，對塊狀設計來說有可能高達3MW/M3。事實上，SOFC可用於發電、熱電回用、交通、空間宇航和其他許多領域，被稱為21世紀的綠色能源。
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。
