固体燃料电池

现状，种类，发展方向，

前言部分

固体燃料电池的简介：

燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效的转化为电能的发电装置。根据所使用的电解质种类的不同，燃料电池可分为：（1）低温燃料电池，诸如固态高聚物电解质燃料电池（PEMFC）及碱性燃料电池（AFC）；（2）磷酸盐酸性燃料电池（PAFC）；（3）熔盐碳酸盐燃料电池（MCFC）；（4）固体氧化物燃料电池（SOFC）等。其中固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。它被认为是最有效率的和万能的发电系统，特别是作为分散的电站，目前正在引起各国科学家的广泛兴趣。它是将燃料和氧化剂气体，通过一种离子传导陶瓷并产生电能的全固态能量转换装置，所以又被称为陶瓷燃料电池。

SOFC主要包括电解质和两个电极。在阴极，空气中的氧离解转换成氧离子，通过两个电极间的固体电解质膜迁移，与阳极／电解质界面上的燃料反应。在外电路，从阳极到阴极的电子流产生直流电。固体电解质是SOFC的最核心的部件。它的性能不但直接影响电池的工作温度及电能转换效率，还决定了所需的相匹配的电极材料及其相应制备技术的选择。目前发现的可能用于SOFC的氧离子导体主要有萤石相结构的ZrO2基、CeO2基、Bi2O3基材料和钙钛矿型结构的LaGaO3基材料等。

除了燃料电池的一般优点外，SOFC还具有以下特点：对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行；不需要使用贵金属催化剂；使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题；积木性强，规模和安装地点灵活等。这些特点使总的燃料发电效率在单循环时有潜力超过60％，而对总的来说体系效率可高达85％，SOFC的功率密度达到1MW／M3，对块状设计来说有可能高达3MW ／M3。事实上，SOFC可用于发电、热电回用、交通、空间宇航和其他许多领域，被称为21世纪的绿色能源。

固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景.

固体氧化物燃料电池的种类：

固体燃料电池的优势：

SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池，简称PAFC)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池，简称MCFC)相比它有如下优点：(1)较高的电流密度和功率密度；(2)阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；(4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；(5)能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统；(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；(7)陶瓷电解质要求中、高温运行(600～1000℃)，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

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固体燃料电池存在的问题：

在SOFCS 系统中, 电解质的主要作用是传导离子和隔离气体, 它决定着电池的整体性能, 因此电解质材料的研制是SOFCS 研究开发的关键. 传统使用的8YSZ ( 掺杂摩尔分数为8% 的Y2O3 稳定的ZrO2)电解质材料只有在1 000℃左右才能具有足够高的氧离子电导率,燃料电池系统在如此高的温度下运行会带来一系列问题, 诸如电极烧结, 电解质- 电极界面反应,热膨胀系数不匹配等, 这不仅增加了电池制作成本, 并且加速了燃料电池系统的老化。若能将工作温度降低至800 以下, 则可大大降低电池制作成本并延长其使用寿命. 但此温度下8YSZ电解质材料电导率很低, 必须大幅度降低YSZ薄膜厚度或寻找其他具有更高氧离子导电率的替代材料. 因此研究开发适合于中温固体氧化物燃料电(IT-SOFCS)( 600~ 800 )使用的电解质就成为人们的首选目标. 人们在寻找替代材料的研究中发现, 掺杂CeO2 基固体氧化物在中温范围内具有比其他材料都有优势的氧离子电导率。

燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效的转化为电能的发电装置。

根据所使用的电解质种类的不同，燃料电池可分为：

（1）低温燃料电池，诸如固态高聚物电解质燃料电池（PEMFC）及碱性燃料电池（AFC）；

（2）磷酸盐酸性燃料电池（PAFC）；

（3）熔盐碳酸盐燃料电池（MCFC）；

（4）固体氧化物燃料电池（SOFC）等。

SOFC是继PAFC、MCFC之后的能量转换效率最高的第三代燃料电池系统，被认为是最有效率的和万能的发电系统，特别是作为分散的电站，目前正在引起各国科学家的广泛兴趣。它是将燃料和氧化剂气体，通过一种离子传导陶瓷并产生电能的全固态能量转换装置，所以又被称为陶瓷燃料电池。

SOFC主要包括电解质和两个电极。在阴极，空气中的氧离解转换成氧离子，通过两个电极间的固体电解质膜迁移，与阳极／电解质界面上的燃料反应。在外电路，从阳极到阴极的电子流产生直流电。固体电解质是SOFC的最核心的部件。它的性能不但直接影响电池的工作温度及电能转换效率，还决定了所需的相匹配的电极材料及其相应制备技术的选择。目前发现的可能用于SOFC的氧离子导体主要有萤石相结构的ZrO2基、CeO2基、Bi2O3基材料和钙钛矿型结构的LaGaO3基材料等。

除了燃料电池的一般优点外，SOFC还具有以下特点：对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行；不需要使用贵金属催化剂；使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题；积木性强，规模和安装地点灵活等。这些特点使总的燃料发电效率在单循环时有潜力超过60％，而对总的来说体系效率可高达85％，SOFC的功率密度达到1MW／M3，对块状设计来说有可能高达3MW／M3。事实上，SOFC可用于发电、热电回用、交通、空间宇航和其他许多领域，被称为21世纪的绿色能源。

SOFC今后的研究开发主要集中在以下几个方面：

1.新型电极材料和其他电池构件的开发。

修饰SOFC的其他部件，使系统结构达到最佳化，以配合燃料电池的中温操作；开发中温条件下有一定活性同时与电解质在性能上相匹配的电极材料；改善电极的微结构。其中纳米电极是一个可行的路线。它颗粒小，可增加三相界（催化活性中心）的长度和电极／电解质的接触面积，大大降低了界面电阻；也可降低电极厚度，使气体更容易扩散到三相界面处，减小由于电极浓差极化造成的电池效率的降低。

2.质子导体及质子－离子混合导体电解质的开发。

由质子导体作电解质，水将在氧化剂的一侧产生，因此将不会出现用氧离子导体作电解质那样，经过燃料电池反应后须将水从燃料中除去。当使用甲烷等碳氢气体时，只有这些燃料热解得到的氢可认为是质子导体燃料电池的燃料，而其余部分可作为有用的重整产物而保留下来，例如乙烷经电池反应重整后可得到乙烯。某些电化学反应必须使用质子导体材料。如：工业中H2S废气用这种燃料电池来处理，可以在发电的同时，得到有用的副产品S2 。