固体氧化物燃料电池
2024年固体氧化物燃料电池市场分析现状
2024年固体氧化物燃料电池市场分析现状
引言
固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效、清洁的能源转换技术，具有诸多优点。近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源政策的推动，SOFC市场迎来了
快速发展。本文将对固体氧化物燃料电池市场的现状进行分析，并探讨其未来发展趋势。
市场规模
固体氧化物燃料电池市场在过去几年中呈现出稳步增长的态势。根据市场研究机
构的数据，2019年全球固体氧化物燃料电池市场规模达到了X亿美元，并预计未来
几年将保持高速增长。市场规模的增长主要受到以下几个因素的影响：
1.政策支持：各国政府出台了一系列支持固体氧化物燃料电池技术发展的
政策，包括补贴、税收优惠等，为市场的发展提供了良好的政策环境。
2.环境要求：固体氧化物燃料电池作为一种低碳、无污染的能源转换技术，
受到了环保要求的推动，市场需求不断增加。
3.公共领域应用：固体氧化物燃料电池在公共交通、电网等领域的应用逐
渐增多，为市场的发展提供了新的机遇。
市场应用领域
固体氧化物燃料电池可广泛应用于多个领域。目前主要的应用领域包括以下几个
方面：
1.住宅和商业建筑：固体氧化物燃料电池可以用于供暖和热水系统，提供
高效、清洁的能源供应，满足建筑物的能源需求。
2.公共交通：固体氧化物燃料电池可以应用于公交车、出租车等交通工具，
以替代传统的燃油发动机，减少污染物排放。
3.电网能源储备：固体氧化物燃料电池可以将多余的电能转化为氢气，并
在需要的时候再将氢气转化为电能，用于电网的能量储备和调峰。
市场竞争格局
固体氧化物燃料电池市场目前存在着激烈的竞争。国内外的多家企业都进行了相
潍柴固体氧化物燃料电池
潍柴固体氧化物燃料电池
潍柴固体氧化物燃料电池
一、概述
潍柴固体氧化物燃料电池即Solid Oxide Fuel Cell，缩写为SOFC。
它是将化学能转换为电能的一种设备，它能够高效地将燃料和氧气反应，并生成电能、热能和二氧化碳。
二、技术原理
SOFC是一种高温燃料电池，工作温度通常在800°C以上，这样可使电极表面的反应更加快速，从而提高电池效率。SOFC的反应原理可以用
下面的方程式表示：
燃料：CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 2e
氧化物：O2 + 2e = O2-
三、应用领域
1. 领域
SOFC被广泛应用于固定电力系统、储能系统、移动电力系统、航空航
天和海洋开发等领域。
2. 优势
SOFC的优势包括高效、低污染、多样性、可靠性和长寿命等。SOFC还
可用于独立发电、分布式电源和电网的稳定性改善。
四、固体氧化物燃料电池的市场前景
1. 市场
全球SOFC市场规模将近2亿美元，未来将有着更广阔的市场。
2. 市场前景
由于SOFC的低成本、高效益和环保等优点，SOFC未来将成为可再生能源的重要组成部分。
3. 技术水平
目前，潍柴的SOFC技术已达到世界先进水平，并且已应用于多个领域。公司的SOFC正在不断发展性能和降低成本。
五、结尾
通过对潍柴固体氧化物燃料电池的了解，我们可以看到它在环保能源领域具有广泛应用的发展前景和潜力。未来，我们有理由相信，SOFC 将成为可再生能源领域中的一个重要组成部分，我们也期待着潍柴的SOFC技术在未来快速发展。
固体氧化物燃料电池的研究及其应用前景
固体氧化物燃料电池的研究及其应用前景
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是指一种
基于氧化物电解质的能源转换设备，具有高效率、低污染等优点，是解决能源和环境问题的重要途径。SOFC的研究从20世纪60年
代开始，经过几十年的发展，已经进入了工程应用阶段，具有广
泛的应用前景。
一、SOFC的原理及特点
SOFC是一种通过将氢、甲烷等燃料在电解质中氧化释放电子，并在电流作用下合成水和CO2的化学反应实现能量转换的设备。
氧化物电解质材料一般为ZrO2、Y2O3、Sc2O3等，核心部件是阳极、阴极、电解质和电极间隔等。SOFC的输出电压高，能达到
1.2V以上，而且效率高达50%-70%以上，远高于传统燃烧能源转
化的效率。
除此之外，SOFC还具有以下特点：①燃料多样性，可利用天
然气、甲烷、乙醇、乙烷等多种化合物；②低污染，SOFC的化学反应产物主要是水和二氧化碳，排放可控制在很小的范围内；③
稳定性高，SOFC的耐久性好，可以工作数万小时而未出现显著的
性能下降；④噪音低，没有传统燃烧式发电机的噪音和振动；⑤
经济性好，SOFC的综合能量转化效率高，可以降低能源成本。
二、SOFC技术研究的进展
随着燃料电池技术的不断发展，SOFC研究的重点逐渐由基础
研究及单电池研究转向系统研究和工程应用，进展迅速。在电解
质和电极材料、微观结构及界面反应、高温氧化、堆设计和制造
等方面有了很大的突破，SOFC的稳定性和耐久性得到了显著提升。
1. 电解质和电极材料
电解质材料是SOFC的核心，其稳定性和离子传导率等性能直
固体氧化物燃料电池开路电压的计算方法
固体氧化物燃料电池开路电压的计算方法下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。此文下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用。并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!
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固体氧化物燃料电池氧化物电解质
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的能源转换装置，其关键部件之一是氧化物电解质。氧化物电解质在SOFC中起着至关重
要的作用，它能够在高温下传导氧化物离子，并且具有较高的离子传
导性能和化学稳定性。
1. 氧化物电解质的基本原理
氧化物电解质是一种固体电解质，其主要功能是在高温条件下导电，
为氧化物离子的传输提供通道。在SOFC中，氧化物电解质通常采用
氧化锆、氧化钇稀土等材料制备而成。这些材料具有良好的离子传导
性能和化学稳定性，能够确保电解质在高温下不发生损坏和漏氧现象。
2. 氧化物电解质的优势
与液体电解质相比，固体氧化物电解质具有一系列的优势。固体氧化
物电解质具有较高的离子传导性能，可在高温下快速传输氧化物离子，从而提高燃料电池的效率。固体氧化物电解质具有较高的化学稳定性，能够在高温和氧化环境下稳定运行，不易受到腐蚀和损伤。固体氧化
物电解质还克服了液体电解质挥发和泄漏的问题，使得电解质的稳定
性得到了更好的保障。
3. 氧化物电解质的制备方法
目前，固体氧化物电解质的制备主要采用了固相烧结、溶胶-凝胶、离子交换膜等技术。固相烧结是一种较为传统的制备方法，通过将氧化
物粉末在高温下烧结成块状电解质材料。溶胶-凝胶法则是一种新兴的
制备方法，其可以通过溶胶的形式控制材料的形貌和结构，制备出具有较高表面积和较好性能的电解质材料。离子交换膜法则是一种较为新颖的制备方法，通过离子交换膜向电解质材料中引入其他元素，从而提高其离子传导性能。
4. 氧化物电解质在SOFC中的应用
固体氧化物电解质在SOFC中起到了至关重要的作用，其主要应用于电解质层的制备。电解质层是SOFC中的关键组成部分，它能够有效地传导氧化物离子，并将燃料气体和氧化剂气体隔离开来，防止两者之间的交叉污染。固体氧化物电解质的应用不仅能够提高电解质层的稳定性和传导性能，还能够为SOFC的长期稳定运行提供保障。
固体氧化物燃料电池需求
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固体氧化物燃料电池需求（大纲）
一、引言
1.1背景介绍
1.2固体氧化物燃料电池的定义及特点
二、固体氧化物燃料电池市场概况
2.1全球市场现状
2.2我国市场现状
2.3市场趋势及预测
三、固体氧化物燃料电池技术发展
3.1技术原理
3.2关键材料
3.3技术创新与突破
3.4国内外技术差距分析
四、固体氧化物燃料电池应用领域
4.1便携式电源
4.2电力调峰
4.3交通领域
4.4其他应用领域
五、固体氧化物燃料电池相关政策及产业环境
5.1国际政策环境
5.2我国政策环境
5.3产业环境分析
六、固体氧化物燃料电池产业链分析
6.1产业链构成
6.2上游原材料市场分析
6.3中游制造与组装市场分析
6.4下游应用市场分析
七、固体氧化物燃料电池市场竞争格局
7.1国际市场竞争格局
7.2我国市场竞争格局
7.3竞争态势分析
八、固体氧化物燃料电池市场驱动因素及挑战
固体氧化物电池
固体氧化物电池
固体氧化物电池（Solid Oxide Fuel Cell，缩写SOFC）是一种新型
高效率可再生能源利用技术，是目前最具前景的可再生能源转换系统之一。它是一种低温燃料电池，具有高效率、安全性、环保、长寿命等特点，可
以将燃料以及氧气转换为电能和热能。它的工作原理是，氧气和燃料混合
在一起，受到电极的电活动作用，发生直接的化学反应，形成水蒸汽，同
时释放出大量的电能和热能。
固体氧化物电池具有多种优势，比如可以使用多种燃料，比如煤气、
石油、液化石油气和天然气等；具有很高的热效率，可以达到80%以上；
可以获得较高的功率密度，相比于其他燃料电池，可以节省大量设备空间；它具有低成本、高可靠性和长使用寿命等优点。
固体氧化物燃料电池常用电极材料
固体氧化物燃料电池常用电极材料文档下载说明Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document 固体氧化物燃料电池常用电极材料can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know
different data formats and writing methods, please pay attention!固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的能源转换技术，其关键部件之一就是电极。电极在SOFC 中扮演着至关重要的角色，它们负责电子和离子的传输以及化学反应的催化。常用的SOFC电极材料通常是电导性能良好的材料，例如阳极常用的材料有NiYSZ（镍氧化钇
质子导体固体氧化物燃料电池
质子导体固体氧化物燃料电池
质子导体固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）
是一种能够将化学能直接转化为电能的高温燃料电池。相较于其他燃
料电池技术，SOFC具有高效率、低污染、多燃料适用性等优点，被广
泛认为是一种有潜力的清洁能源技术。
一、SOFC的基本原理
SOFC的工作原理基于氧离子导体材料。它由质子传导固体氧化物
电解质层和阴阳极两侧的电极组成。当燃料气体（如氢气、天然气等）通过阳极进入与电解质层接触的区域时，发生氧化反应，将氢气转化
为水蒸气，并释放出电子。同时，电解质层中的氧离子受到激活，并
通过质子传导固体氧化物电解质层向阴极迁移。在阴极一侧，氧离子
与电子再次结合，与进入燃料电池的氧气反应生成水蒸气。这个反应
过程中释放出的电子可以通过外部电路流动，产生电流，完成电能转化。
二、SOFC的优点
1.高效率：SOFC的能量转化效率可达50-70%，远高于燃烧发电等
传统能源转化方式。这主要归功于其高温操作，可在高达800-1000摄
氏度的条件下工作，从而最大程度地提高热能利用效率。
2.低污染：SOFC的主要排放物为水蒸气，几乎不产生二氧化碳等
温室气体以及大气污染物。在实际应用中，SOFC还可以通过余热回收、碳捕集与封存等技术进一步减少污染排放。
3.多燃料适用性：与其他燃料电池技术相比，SOFC的燃料适用性
更广泛，可以直接利用氢气、天然气、生物质气体等多种燃料。
4.长寿命：SOFC主要由陶瓷和金属材料组成，具有较高的耐久性。相对于其他燃料电池类型，SOFC的寿命更长，可达数万小时。
SOFC
(2)成膜技术：电解质和电极都是微米级的薄膜， 目前使用的压延法、等离子喷涂等方法，有的成 膜慢，有的成膜设备昂贵、成本高，有的元件间 结合不好、接触电阻高，需要不断完善成漠工艺 及降低成本。 (3) 电池结构：开发新的更先进的电池结构。选 择 SOFC 发电系统各部分的最合理组合，使电池 能量密度、系统效率更高。
(3) 材料热稳定性问题：阳极、阴极、联接体及电 解质的热匹配问题。在电他的制作过程及长时间使 用过程中，应不因为热膨胀系数相差过大产生热应 力导致裂纹、分层甚至剥离而使电池出现机械失效。 2电池元件制备工艺
(1)原料粉体制备：各种原料粉末的物化性能(包括 原料的纯度、细度、颗粒分布、比表面、添加剂 ) 都直接影响材料的显微结构，进而影响材料的性能。 严格控制原料的制备工艺，保证性能稳定并降低生 产成本是重要的研究方向。
管型SOFC的主要特点： 电池组装相对简单 ( 如不涉及高温密封这一技术 难题 ) ，容易通过电池单元之间并联和串联组合 成大功率的电池组。 管型 SOFC 一般在很高的温度 (900 一 1000℃)下进 行操作，主要用于固定电站系统，所以高温 SOFC一般采用管型结构。 管型结构的缺点是电流通过电池的路径较长，限 制了SOFC的性能。
氧离子在氧浓度差和电位差作用下，通过电解质中的 氧空穴定向迁移，到达阳极后与燃料发生氧化反应。
固体氧化物燃料电池工作原理示意图
什么是 SOFC
什么是 SOFC
固体氧化物燃料电池是使用固体氧化物（陶瓷）电解质把燃料和空气隔开，使其不能直接燃烧。但是空气中的氧可以在阴极上变成氧离子，氧离子通过电解质传输到阳极，在阳极上与燃料反应的同时放出电子，从而产生电流。由于燃料的化学能是直接转化为电能，不经过热能转换，转换效率不受到卡诺循环效率的限制，所以发电效率高。
与其它种类的燃料电池相比，SOFC在较高温度（600-1000度）下运行，使得电极反应快而不需要贵金属催化剂，并且其高温废热可以用来推动燃气轮机或蒸汽轮机进一步发电。因此，SOFC是发电效率最高的燃料电池。它的全固体结构除了给设计带来方便以外，还大大降低了构成材料之间的反应，可实现长寿命。最重要的一点是，它的较高运行温度使得燃料的内部重整成为可能，从而可以直接使用各种各样的燃料（例如甲烷，甲醇，酒精，煤气，石油液化气，和各种燃油）。因此，SOFC是解决能源需求和环境保护之间矛盾的最有效方法之一。
能源材料固体氧化物燃料电池(SOFC)
降低SOFC的成本是实现大规模应用的必要条件。通过开发低成本制备工艺、优化材料配 方、提高材料利用率等方式，可以降低SOFC的制造成本。
规模化应用
随着技术的不断成熟和成本的降低，SOFC有望在未来实现规模化应用。在分布式发电、 移动电源、电动汽车等领域，SOFC具有广阔的应用前景。
SOFC市场前景
瓷薄膜等。
连接材料
01
适用范围
连接材料主要用于固体氧化物燃料电池中的电极与电解质、电极与电极
之间的连接，要求具有较高的电子导电性和稳定性。
02
常见种类
常见的连接材料包括银、镍和不锈钢等金属材料以及钙钛矿型复合连接
材料。
03
发展趋势
为了提高SOFC的连接性能，研究者们正在探索具有高电子导电性、高
稳定性和低成本的的新型连接材料，如碳基复合连接材料、陶瓷基复合
市场发展趋势
未来，随着SOFC技术的不断成熟和成本的降低，其市场规模有望持续扩大。国内外市场将共同推动 SOFC技术的普及和应用，为人类社会的可持续发展做出贡献。
05
SOFC的挑战与解决方案
技术挑战
01
电池效率
目前SOFC的效率仍受限于电极反应 动力学和热力学过程，需要进一步研 究和改进。
02
稳定性与寿命
国内外市场需求
随着环保意识的提高和能源结构的转型，国内外市场对清洁能源的需求不断增加。SOFC作为一种高效、清洁的能源 转换技术，具有广泛的市场应用前景。
新能源材料固体氧化物燃料电池(SOFC)
域具有举足轻重的地位； 中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学
物理研究所、中国科技大学等正在进行平板型SOFC 的研发。
精品课件
四、SOFC的应用
精品课件
第二节 SOFC电解质材料 固体电解质是SOFC最核心的部件。 电解质必须具备以下条件： 高的离子电导率和可以忽略的电子电导率； 在氧化和还原气氛中具有良好的稳定性； 能够形成致密的薄膜； 足够的机械强度和较低的价格等。
关，电导率取极值时，掺杂量随离子尺寸增大而减小。
精品课件
在ZrO2-M2O3体系中，1000℃时最大电导率、 电导率最大时M2O3含量与M3+离子半径的关系
精品课件
掺杂离子与晶格离子尺寸相差越大，空位移动所要 克服的应变能越大，移动速度越小；
➢ 低温时：[VO]TBexp(R ETa ) Ea：缔合能
精品课件
加入氧化钇稳定剂，可以将立方氧化锆稳定到室温， 同时产生氧空位，氧空位浓度由掺杂量确定。
氧离子电导率为：σ=nqμ n：可移动氧空位浓度；μ：氧空位迁移率；q：氧 空位带电量。
T A[VO](1[VO])exp(R E T)
[VO]：可移动氧空位分数。 E：导电活化能
精品课件
YSZ的电导率与氧化钇的浓度有关；与掺杂剂阳离子大小有
固体氧化物燃料电池
三、电池结构
由于是全固体的结构，固体氧化物燃料电池 具有多样性的电池结构，以满足不同需求。 主要电池结构有管式、平板式、套管型、单 块叠层结构及热交换一体化的HEXIS结构等 等。不同结构类型的SOFC在结构、性能及 制备等方面各具优缺点。
管式SOFC
管状结构SOFC是最早发展的一种 形式，也是目前较为成熟的一种 形式。单电池由一端封闭、一端 开口的管子构成，如图2a所示。 最内层是多孔支撑管，由里向外 依次是阴极、电解质和阳极薄膜。 氧气从管芯输入，燃料气通过管 子外壁供给。
池组。管型SOFC一般在很高的温度下操作，主要用于固定电站
系统，所以高温SOFC一般采用管型结构。
■
管型SOFC的缺点：
电流通过的路径较长，限制了SOFC的性能。
平板型SOFC
平板型固体氧化物燃料电池的几何 形状简单，其设计形状使得制作工 艺大为简化。平板式SOFC结构组 成如图3a所示。阳极、电解质、阴 极薄膜组成单体电池，两边带槽的 连接体连接相邻阴极和阳极，并在 两侧提供气体通道，同时隔开两种 气体。
五、SOFC的国内外研究与开发现状
管型SOFC是目前最接近商业化的SOFC发电技术。西 日本的Kansai电力公司的管型SOFC已经进行了10529h的 高电流密度放电试验； 加拿大的Global热电公司在中温平板型SOFC研发领域具有 举足轻重的地位；
固体氧化物燃料电池的原理及制备方法
固体氧化物燃料电池的原理及制备方法固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、环保的电化学能量转换装置，其原理是通过固体电解质将燃料气体电化学地氧化为电能。SOFC可
以使用多种燃料，包括氢气、甲烷、一氧化碳和气体混合物等，具有高能
量转换效率、低污染排放和灵活的燃料选择性的优点。下面将详细介绍SOFC的原理及制备方法。
一、固体氧化物燃料电池的原理
固体氧化物燃料电池的主要组成部分包括阳极、阴极和固体电解质。
阳极和阴极通常由氧化物制成，如镍-钇稳定的锆酸盐（Ni-YSZ）和镍-钇
稳定的钛酸盐（Ni-YST）等。固体电解质通常采用氧化物，如钇稳定的锆
酸盐（YSZ）和钇稳定的钛酸盐（YST）。燃料气体进入阳极一侧，经过反
应生成电子和离子。离子由固体电解质传输到阴极一侧，并与阴极上的氧
气反应生成氧化物。在此过程中，产生的电子从阳极流向阴极，形成电流，完成能量转化。
二、固体氧化物燃料电池的制备方法
1.固体氧化物燃料电池的制备通常采用厚膜、薄膜或集流片技术。
厚膜法：
（1）固体电解质制备：将所需氧化物材料粉末与溶剂混合，制备成
高粘度的稀浆状物料。然后，在导电基片上涂覆一层稀浆，并通过烘干和
烧结等步骤得到固体电解质薄片。
（2）阳极和阴极制备：将阳极和阴极所需的氧化物材料和导电剂混合，制备成稀浆状物料。将阳极和阴极材料分别在固体电解质薄片的两侧涂覆，通过烘干和烧结等步骤得到阳极和阴极的厚膜。
（3）组装：将制备好的固体电解质薄片、阳极和阴极按照一定顺序叠放，并采用高温烧结将其固定在一起。
薄膜法：
（1）固体电解质制备：将所需氧化物材料制备成溶液或高分散的悬浮液，利用溶胶-凝胶制备方法，通过旋涂或喷涂等工艺在导电基片上制备出一层薄膜状的固体电解质。
固体氧化物燃料电池国家战略_解释说明以及概述
固体氧化物燃料电池国家战略解释说明以及概述
1. 引言
1.1 概述
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells，简称SOFC）作为一种高效、清洁、可持续的能源转换技术，近年来备受关注。它采用固态氧离子传递机制，在高温条件下将化学能直接转化为电能，具有高效率和低碳排放的优势。SOFC 不仅可以应用于传统能源工业和交通领域的革新升级，还有巨大的潜力在分布式发电、新能源储存和微型供电等领域发挥作用。
1.2 文章结构
本文将从以下几个方面对固体氧化物燃料电池国家战略进行深入探讨。首先，在引言部分给出了该文章的概述，并详细介绍了文章的主要内容以及目录结构。其次，在第二部分中，我们将解释固体氧化物燃料电池的基本原理，包括其定义、工作原理以及反应方程式，并阐述其特点与优势。然后，在第三部分中，我们将着重说明固体氧化物燃料电池在国家能源战略中扮演的地位和发挥的作用，对比其他清洁能源技术，并强调国家政策支持和战略规划。接着，在第四部分，我们将总结过去几年固体氧化物燃料电池国家战略的执行情况，并展望其未来发展前景和规划目标。最后，在结论部分，我们将对主要观点进行总结，并探讨固体氧化物燃料电池国家战略的意义和提出相关建议。
1.3 目的
本文旨在深入探讨固体氧化物燃料电池国家战略，解释其原理与特性，并探究其在国家能源战略中的重要地位及作用。此外，本文还将回顾过去几年该战略的执行情况，并对未来的科技突破和应用进展进行展望。通过本文的撰写，旨在为读者提供关于固体氧化物燃料电池国家战略方面的全面了解，并提出相应的建议和意见以促进其持续发展与推广。
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目录
1引言 (2)
1.1燃料电池的概念及特点 (2)
1.2固休氧化物燃料电池 (4)
1.2.1固休氧化物燃料电池的结构类型及其特点 (4)
1.2.2 SOFC工作原理 (5)
2固体燃料电池多物理场模拟 (6)
2.1控制方程 (6)
2.1.1动量守恒方程 (6)
2.1.2能量守恒方程 (6)
2.1.3质量守恒方程 (6)
2.1.4导电方程 (7)
2.2物理模型 (7)
2.3数学模型 (8)
2.3.1气体输运控制方程 (8)
2.3.2导电控制方程 (8)
2.4边界条件 (9)
3结果与讨论 (11)
3.1电势分布 (12)
3.2不同阳极厚度燃料电池的浓度分布 (12)
3.2.1不同阳极厚度燃料电池的电势分布 (14)
3.3阴极厚度对燃料电池性能影响 (15)
3.4连接体宽度变化对浓度、电势分布的影响 (18)
4 结论 (19)
固体氧化物燃料电池仿真
摘要
燃料电池是将化学反应的化学能直接转变为电能的装置。和传统的热机相比,燃料电池具有更高的电效率,并且燃料电池是一种环境友好的发电方式。固体氧化物燃料电池(SOFC)属于高温燃料电池,除具有燃料电池的一般特点外,其高温排气也可以进一步加以利用。本文建立了描述平板式SOFC的物理数学模型,使用多物理场耦合模拟软件Comsol对其进行模拟计算。通过改变阳极和阴极厚度、连接体rib宽度等，研究其对固体氧化物燃料电池内燃料浓度、电势分布等的影响。模拟结果显示：当燃料沿燃料通道方向流动未出现低燃料浓度区或产物浓度区时，电池电势在燃料流动方向上变化不大；阳极厚度的增加对反应物在垂直于燃料流动方向的分布几乎没有影响，随着阳极和阴极厚度及连接体宽度的增加，燃料电池的性能更好。本模拟可以为燃料电池的设计提供参考。
关键词：固体氧化物燃料电池Comsol
1引言
随着全球工业化的加速及人们生活水平的不断提高,人类对能源的需求持续增长。目前全球能源的大部分来自化石燃料的燃烧过程，全世界对化石燃料利用的持续增长导致了温室气体排放的增加,美国能源部预计,2015年全球的排放量要比1990年增加60%;燃料燃烧过程产生的氮氧化物,硫氧化物,未燃尽的碳氢化合物等是主要的大气污染物。因此,解决能源需求的增长和由此造成的环境问题的关键就是改善能源结构问题,研究开发清洁能源技术。而燃料电池技术正是符合这一需求的高效洁净能源。
1.1燃料电池的概念及特点
燃料电池是把化学反应的化学能直接转化为电能的装置。与传统的发电方式相比较,关键的区别是燃料电池的能量转化过程是直接的。燃料电池需要清洁的
燃料比如天然气作为反应气体,像煤和生物质这样的燃料可以通过部分氧化或气化转化成合成气后供燃料电池使用，与一般电池一样,燃料电池也是由阴极，阳极，电解质构成的。燃料通入燃料电池的阳极后被氧化成阳离子并释放出电子,氧气或空气在燃料电池的阴极得到电子后形成阴离子,阴离子通过电解质向阳极扩散,并同阳极的阳离子发生电化学反应。电子由电池的阳极通过外电路到达电池的阴极从而形成回路。图1给出了氢一氧燃料电池的工作原理示意图
图1 燃料电池的工作原理示意图
虽然燃料电池和电池都是将化学能转化成电能的装置,但不同之处在于燃料电池是能量转化装置,而电池是能量存储装置。对于电池,其化学能被存储在电池中,当电池内储存的化学反应物耗尽时,电池就不能再发出电能"而对于燃料电池,其所需的燃料和氧化剂只有当燃料电池发电时,才从外部供给燃料电池,燃料和氧化剂是独立于燃料电池本身的,只要不断向其供给燃料和氧化剂,就可以连续不断的发电。
燃料电池的种类很多,分类方法也有多种。可以根据其温度分为低温(25100)中温(100500)和高温(5001100)燃料电池最常用的分类方法是根据电解质的性质,将燃料电池划分为五大类:碱性燃料电池(AFC),磷酸燃料电池(PAFC),质子交换膜燃料电池(PEMFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)表1给出了主要燃料电池极其特性
表1 主要燃料电池极其特性
固体氧化物燃料电池(SOFC)是八十年代发展起来的一种高温燃料电池,通常被视为固定发电厂的候选,是一种最有前途的高效，洁净发电技术之一。SOFC的自身特点决定了它在许多领域有着广泛的应用前景,如：
(1)固定式大型电站；
(2)中小型分散型电站或备用电源；
(3)移动式辅助电源，便携式电源；
(4)军事，航天航空应用等。
1.2固休氧化物燃料电池
1.2.1固休氧化物燃料电池的结构类型及其特点
SOFC的结构包括几何构型和组装方法,它是电池制备工艺的基础和SOFC技术创新的主要方面。合理的SOFC结构应具有四个基本特征,即性能可靠，便于放大，方便维修和价格低廉。SOFC的构型不同,对其研究的内容和电池的制作方法也不同，虽然SOFC的研究过程中先后出现了多种构型的SOFC,但经过长期的发展和优化,目前采用的SOFC结构类型主要有管式，平板式和瓦楞式三种。三种SOFC电池结构如图2，图3，图4所示,三种SOFC电池结构的优缺点如表2所示。
图2 管式SOFC电池组的结构图3 平板式SOFC电池组的结构
图 4 瓦楞式SOFC电池组的结构
1.2.2 SOFC工作原理
SOFC与其他燃料电池的主要区别在于它采用固体氧化物电解质，其内输运的离子为氧离子。为了减小离子在电解质的运动阻力。一般在比较高的温度下工作(500～1000℃)。
在阴极，空气中的氧气结合外电路输运过来的电子，在电极催化作用下，形成氧离子：
1
+2e−→ −
在电化学势的驱动下,氧离子通过固态电解质被传输至阳极。在那里氧离子在阳极催化作用下与那里的燃料（比如H2，CO）发生电化学反应，生成相应的产物（比如水蒸气和CO2，同时伴随着电子的释放：
H+ −→H+2e−
+ −→+2e−