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(xué)能轉(zhuǎn)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(yīng)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(dǎo)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?xì)浠衔餅槿剂系腟OFC工作示意
工作過程中，電極不直接參與反應(yīng)，僅起催化劑作用，并提供離子和電子傳輸。如果使用碳?xì)浠衔镒鳛?SOFC 的燃料氣體，并假設(shè)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(yīng)：
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(jìn)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(dāng)燃料和氧化劑充足時，SOFC 可以繼續(xù)對外電路供電。
關(guān)鍵材料
SOFC典型結(jié)構(gòu)
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(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)場所，并傳導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的(或需要的)電子；電解質(zhì)的主要功能為傳導(dǎo)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(yīng)；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(dǎo)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(gòu)成復(fù)合陰極，如廣泛使用的LSM-YSG復(fù)合陰極，也可以是鈷酸鑭、鈷酸鍶釤等鈣鈦礦。
SOFC組件結(jié)構(gòu)
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(shè)計形式大體分為兩類，即管式設(shè)計圖（a）和平板式設(shè)計圖（b）。管式設(shè)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(shè)計由于短的電流路徑而具有高的功率密度，這兩種設(shè)計方式各有優(yōu)缺點，因此可根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇SOFC的設(shè)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(jié)構(gòu)，因而無腐蝕、無泄漏、安全性高，可以單體設(shè)計。
②SOFC工作溫度高（600~1000℃），在此溫度下，電極反應(yīng)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(dá)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(yīng)得到的可再生燃料。
應(yīng)用場景
基于以上特性，SOFC具有廣闊的應(yīng)用前景。具體的應(yīng)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(yīng)用，在美國安裝超過130MW的SOFC燃料電池。
交通領(lǐng)域
SOFC作為車輛、輪船、無人機(jī)等工具的輔助或者動力電源也得到了推廣應(yīng)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(yīng)用于船舶電源，預(yù)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(shù)（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(jié)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(shù)。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(yùn)行可發(fā)電，逆向運(yùn)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(fù)荷不匹配而浪費(fèi)的電能儲存到氫氣中，且電解效率高達(dá)85%～95%，遠(yuǎn)高于其他電解技術(shù)。
參考來源：
1.張偉等《碳基固體氧化物燃料電池研究進(jìn)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(xué)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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