SOFC

平板式结构
德国西门子公司、美国 Z-tek 公司和日本富士电机 公司等机构正在大力研制一种平板式 SOFC 。这种电 池由阳极／电解质／阴极构成的薄片状电他及薄的带 筋洞的双向板联接体按顺序依次排列而成，如图所示, 由于厚度大于200m的单个电池可能起自支撑作用， 联接体两面的筋洞构成了氧化剂气体及燃料气的通道， 并作为双向气体的分离器。平板式设计允许几种不同 方式将气体输入、导出燃料电池。
目前 SWPC 电池的预期寿命为 l0 年，未来商品化 50FC发电系统的寿命预计达到10一20年。 此外，该公司为了降低制造成本和提高电池组的输 出功率密度，已用空气极支撑结构替代多孔支撑管 结构。除了 SWPC 和日本的几家公司外，国际上 SOFC 的研发主流是中温 SOFC 电池组的研制与新 材 料 的 开 发 。 加 拿 大 的 Global 热 电 公 司 在 中 温 SOFC研发领域具有举足轻重的地位。 Global的研 发方向为中温平板型 SOFC，主要面向分散供电、 家庭热电联供市场。
高温下可以允许使用不纯的燃料气体，使 SOFC 与洁 净煤发电技术可以结合起来， FC 反应释放的热量可 以供煤气化和烃类合成所需的能量。 燃料的纯度要求不高使 FC 在使用诸如柴油、甚至煤 油等重燃料操作方面极具吸引力。以天然气为燃料的 发电厂则完全可以免去脱硫系统。
• 电解质稳定：固体电解质通常很稳定，固体电解质 的组成不随燃料和氧化剂的组成而变化的。由于没有 液相的存在，避免了腐蚀和电解液泄漏的发生。
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。
或CH4为燃料时：
总的反应：
SOFC的优点： •工作温度高（800~10000C）：高温可以保证燃料 的快速氧化，且不需要昂贵的电催化剂；SOFC的 工作电压可以达到理论开路电压的 96% ，少量的 电压损失是由于电解质内存在少量的电子电导和 连接不紧密引起的。由于不存在电阻压降，SOFC 具有很高的工作电流密度。 • 燃料多样化：由于SOFC是基于氧离子而不是基 于任何来自燃料气的其它离子传输导电的，原则 上任何气体燃料都是可以的，如 H2 ， CH4 ， CO 等。
平板型SOFC的空气电极／YSZ固体电解质燃 料电极烧结成一体，组成“三合一”结构 (Positive electrolyte negative plate，PEN) 。 FEN 间用开设导气沟槽的双极板连接，使之 相互串联构成电池组。空气和燃料气体在驯 的两侧交叉流过。P2N与双极板间通常采用高 温无机猫合材料密封，以有效地隔离燃料和 氧化剂。平板式SOFC的优点是PEN制备工艺 简单，造价低。由于电流收集均匀，流经路 径短，致使平板型电池的输出功率密度也较 管式高。
最常见的方式是燃料气从电池堆的一向流进，从相反 方向流出；氧化剂从另一向流进，从反方向流出。其 他的几何流通分布还有平行流动、径向流动及轴向流 动，相应的电池内部设置不同的进、出口装置。
相对于管式设计，平板式设计省去了阻碍气体流动 的支撑管，有更好的性能及更高的功率密度。 由于平面型设计中电流的流向基本垂直于电极面， 而电极层的内部电阻损失与电池面积无关，电池元 件可制作的相当薄以便减少内电阻，并使低温操作 成为可能。 平板式电他的制造比较简单。两部分密集元件、 电解质和联接体可单独制作，避免了共烧结LaCrO3 联接体的困难，并有多种工艺可供选择。
必需说明的是，电子、阳离子、阴离子可以成为载流子， 电子空穴、阳离子缺位、阴离子缺位也可以是载流子。
SOFC固体电解质的分类：
目前主要有两种：它可分为莹石结构的固体氧化物 电解质，如Y2O3和CaO稳定的ZrO2。
另一种是近年才有突破的钙钛矿结构的电解质，如 锶镁搀杂的镓酸镧（LaGaO3）。
ZrO2 是目前应用最广的 ，已有 5m ， 20m 厚的 ZrO2 ，输出功率密度高达2w/cm2。
•结构紧凑，抗毒性好
固体电解质与分类：
材料中有电流流过即意味着有带电质点的定向移动。带 电质点携带电荷进行定向输送就形成了电流，称为“载 流子”。载流子可以是电子，也可以是离子或离子团。
金属导电的载流子是电子，金属称为第一类导体；而载 流子是离子的材料称电解质，电解质称为第二类导体。
本世纪初能斯特研究发现一些固体也具有离子导电的性 质。新的发现拓展了人们的视野，逐步将电解质、带电 离子和溶液的概念引入到固体物质中。通常把具有某种 离子或载流子的固体物质称为固体电解质。
虽然 Y2O3 稳定的 ZrO2不是电导率最高的。但 YSZ 资源充足价格低廉，所以是目前最常用的固体电 解质材料。
在SOFC的结构设计中，由于固体电解质的电阻率高， 因此，固体电解质应尽可能的薄。最早的电解质是挤 压成型的，而挤压工艺不可能生产足够薄的电解质层。 后来西屋公司研究出薄膜制备技术，使 SOFC 的制造 手段有了新的突破。 除了电解质要求尽量薄外， SOFC 的结构设计还要 求结构紧凑、密封性能好、比体积／能量高、电解质 电阻低、气体隔流能力强、各组分化学相容性、热膨 胀性能匹配，有足够的机械强度，制造成本适中。 目前研究的电池结构形式有管式(Tubular design)、叠 层 波 纹 板 式 (monolithic design) 和 平 板 式 (planar design)。
(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。
固体氧化物燃料电池
WSOFC
DC
燃烧室
AC
IR-SOFC
空气 天然气 换热器1
吸收式 制冷机
转换器
废气 换热器2 供热
冷水
燃料电池总能系统的结构示意图
目前该公司已经形成 l Mw/ 年的生产能力，并 开始向市场提供5kw汽车辅助电源。 在欧洲，包括德国、法国、荷兰、英国、西斑 牙、丹麦等多个国家开展 SOFC 的研究与开发。 主要研究进展如下表所示。
技术开发课题
SOFC 处于技术不很成熟的阶段，要进入实用化还有 很多难题需要解决．综合起来有下面的几个方面。
美国阿贡国家实验室还研究开发了叠层波纹板式 SOFC 电池堆，并开发出适合于这种结构材料成 型的浇注法和压延法。 这种结构可省去支撑体，使电池能量密度显著提 高，是比较有前途的SOFC结构。
SOFC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。西门子-西屋(Siemens Westinghouse)动力公司 (SWPC)是高温管式SOFC技术的先锋。 该公司已经制造和运行了多套标称功率至 220 kw 的完整电站系统。 如该公司于 1998 年 3 月生产了置于南加利福尼亚 Edison 的 25kw 联合循环 SOFC 发电系统；于 2001 年在荷兰成功地完成了 100kw 电站的连续 16612h 的运行试验；薄壁多孔支撑管型SOFC单电池已经 连续试验运行7年以上(＞69000h)。
固体氧化物燃料电池 （Solid Oxide Fuel Cells, SOFC）
固体氧化物燃料电池采用固体氧化物为电解质。固 体氧化物在高温下具有传递 O2-的能力，在电池中起 传递O2-和分离燃料和氧化剂的作用。 以氢气为燃料时，在阴极：
2 O2c 4e 2Oe
下标分别表示在阴极中的状态和在电解质中的状态
(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。
平板型 SOFC 的主要缺点是密封困难、抗热循 环性能差及难以组装成大功率电池组。但 是．当 SOFC 的操作温度降低到 600 一 800℃后， 可以在很大程度上扩展电池材料的选择范围、 提高电池运行的稳定性和可靠性，降低电池系 统的制造和运行成本。所以，近年来研究与开 发的中温SOFC大都采用平板型结构。
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。
叠层波纹板式结构 叠 层 波 纹 板 式 SOFC 是 1983 年 美 国 阿 尔 贡 (Argonne)国家实验室首次提出的设计，并研制了4 叠层的小尺寸电池 (5cm×3cm) 以证明这种设计的 可行性。这种电池呈片状 , ，其中电池元件互相支 撑，因而省去了支撑元件。其优点是； (1) 省去文 撑结构，体积小、重量轻，能量密度高； (2) 不用 高温封接、结构牢固；3)有效面积增大，内阻小， 效率高。 叠层波纹板式 SOFC有两种设计：一种是并流式， 另一种是错流式。下图是两种结构的剖面图。
1 材料的选择：
(1) 电解质问题： SOFC 的电解质是氧离子导体，目前 常用的是 YSZ陶瓷，相对来说电阻率还比较高，并且高 温的力学性能也不理想。提高电解质的电导率及力学性 能或者研制新的性能更佳的电解质材料是一个重点课题。 (2)电极材料问题 SOFC的阴极材料和YSZ电解质在高 温下长时间工作后会产生界面反应，降低电池性能，尤 其是降低阴极的导电性。电极的极化引起的极化损失以 及阴极材料的抗氧化性能也是需要解决的问题。
通常采用的结构类型有管型和平板型两种。两种 电池结构各自具有不同的特点，因而应用的范围 也不同。 管型SOFC电池组由一端封闭的管状单电池以串 联、并联方式组装而成。每个单电池从内到外由 多孔支撑管、空气电极、固体电解质薄膜和金属 陶瓷阳极组成。多孔管起支撑作用，并允许空气 自由通过，到达空气电极。空气电极支撑管、电 解质膜和金属陶瓷阳极通常分别采用挤压成型、 电化学气相沉积(EVD)、喷涂等办法制备，经高温 烧结而成。 在管型SOFC中，单电池间的连接体设在还原气氛 一侧，这样就可以使用廉价的金属材料作电流收 集体。