固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池是一種新型發(fā)電裝置，其高效率、無污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對多種燃料氣體的廣泛適應(yīng)性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質(zhì)(electrolyte)、陽極或燃料極(anode，fuel electrode)、陰極或空氣極(cathode，air electrode)和連接體(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)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時相當于一直流電源，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(cè)持續(xù)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，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢的作用下，O2-進入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。

單體電池只能產(chǎn)生1V左右電壓，功率有限，為了使得SOFC具有實際應(yīng)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(lián)、并聯(lián)、混聯(lián))組裝成電池組。 SOFC組的結(jié)構(gòu)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制作成本低而成為SOFC的發(fā)展趨勢。

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(dǎo)致原料成本高;

3、壽命

固體氧化物燃料電池的壽命扔需考證。

在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度最高，屬于高溫燃料電池。近些年來，分布式電站由于其成本低、可維護性高等優(yōu)點已經(jīng)漸漸成為世界能源供應(yīng)的重要組成部分。由于SOFC發(fā)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(chǎn)蒸汽，更可以和燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán)，非常適用于分布式發(fā)電。燃料電池和燃氣輪機、蒸汽輪機等組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不但具有較高的發(fā)電效率，同時也具有低污染的環(huán)境效益。

常壓運行的小型SOFC發(fā)電效率能達到45%-50%。高壓SOFC與燃氣輪機結(jié)合，發(fā)電效率能達到70%。國外的公司及研究機構(gòu)相繼開展了SOFC電站的設(shè)計及試驗，100kW管式SOFC電站己經(jīng)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(fā)電系統(tǒng)。日本的三菱重工及德國的Siemens公司都進行了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的試驗研究[2]。

一般的SOFC發(fā)電系統(tǒng)包括燃料處理單元、燃料電池發(fā)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(fā)電系統(tǒng)?？諝饨?jīng)過壓縮器壓縮，克服系統(tǒng)阻力后進入預(yù)熱器預(yù)熱，然后通入電池的陰極。天然氣經(jīng)過壓縮機壓縮后，克服系統(tǒng)阻力進入混合器，與蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的過熱蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例為，混合后的燃料氣體進入加熱器提升溫度后通入燃料電池陽極。陰陽極氣體在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電池發(fā)出電能的同時，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將未反應(yīng)完全的陰陽極氣體加熱。陽極未反應(yīng)完全的氣體和陰極剩余氧化劑通入燃燒器進行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體除了用來預(yù)熱燃料和空氣之外，也提供蒸汽發(fā)生器所需的熱量。經(jīng)過蒸汽發(fā)生器后的燃燒產(chǎn)物，其熱能仍有利用價值，可以通過余熱回收裝置提供熱水或用來供暖而進一步加以利用。

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(yōu)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(zhì)內(nèi)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、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問題;(5)能提供高質(zhì)余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，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(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);(7)陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運行(600~1000℃)，加快了電池的反應(yīng)進行，還可以實現(xiàn)多種碳氫燃料氣體的內(nèi)部還原，簡化了設(shè)備。

除了燃料電池的一般優(yōu)點外，SOFC還具有以下特點:對燃料的適應(yīng)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(tài)組件，不存在對漏液、腐蝕的管理問題;積木性強，規(guī)模和安裝地點靈活等。這些特點使總的燃料發(fā)電效率在單循環(huán)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(shè)計來說有可能高達3MW/M3。事實上，SOFC可用于發(fā)電、熱電回用、交通、空間宇航和其他許多領(lǐng)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(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)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(zhì)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(lián)供等民用領(lǐng)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，都有廣闊的應(yīng)用前景。