根據(jù)電解質(zhì)材料的不同，通常可以將燃料電池分為五大類，即堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。

AFC和PAFC是早期的燃料電池，目前受到的關(guān)注程度較低；MCFC雖然表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性，但是高成本限制了它的商業(yè)化發(fā)展；目前人們關(guān)注的熱點主要是PEMFC和SOFC。

 

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是繼磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池之后的第三代燃料電池，是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置，被稱為未來世界十大科技之首和21世紀(jì)的綠色能源。

SOFC研究背景

能源是人類生存、生活與發(fā)展的主要基礎(chǔ)。眼下煤炭、石油和天然氣等化石能源日益枯竭，所探明的儲量將在短短幾十年內(nèi)用完；此外這些燃料燃燒產(chǎn)生并且排放出大量的溫室氣體二氧化碳和有毒有害氣體硫氧化物、氮氧化物、懸浮顆粒等對大氣、淡水資源、土地造成嚴(yán)重污染。

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，對能源的需求將持續(xù)快速增長。而我國能源結(jié)構(gòu)不合理，相較于世界其他國家，我國過分依賴于化石能源。在“碳達峰碳中和”的背景下，尋找可持續(xù)的替代能源成為關(guān)系我國安全的重大戰(zhàn)略問題。

 

世界部分國家能源比例構(gòu)成

固體氧化物燃料電池最早由Nernst在1899年提出，但由于受技術(shù)復(fù)雜性、材料加工手段的限制，發(fā)展緩慢。直到20世紀(jì)六七十年代由于航天業(yè)的需求以及80年代以后，為了開辟新能源，緩解石油緊缺帶來的能源危機，固體氧化物燃料電池才得到了蓬勃發(fā)展。目前，世界許多國家紛紛瞄準(zhǔn)了21世紀(jì)新能源的市場，都在引進或聯(lián)合開發(fā)SOFC。

美國在2000年左右成立了Solid State Energy Conversion Alliance（SECA）的專門機構(gòu)；歐盟則通過第六框架計劃和第七框架計劃支持SOFC發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用；日本于2005年啟動了“先進陶瓷反應(yīng)器”項目，目標(biāo)就是開發(fā)SOFC陶瓷反應(yīng)系統(tǒng)。

SOFC結(jié)構(gòu)及工作原理

SOFC單電池的主體部分由陽極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成。SOFC根據(jù)電解質(zhì)傳導(dǎo)離子種類，可分為質(zhì)子導(dǎo)體SOFC和氧離子導(dǎo)體SOFC，其中氧離子導(dǎo)體SOFC被廣泛研究和應(yīng)用。

 

氧離子導(dǎo)體SOFC結(jié)構(gòu)及原理圖

SOFC電解質(zhì)采用固態(tài)氧化物，電解質(zhì)在SOFC運行中表現(xiàn)出傳導(dǎo)O2－和隔離空氣端、燃料端的作用。目前，Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（YSZ）是研究最深入、使用最廣泛的電解質(zhì)材料。

SOFC陽極可以催化氧化燃料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并將釋放出的電子傳導(dǎo)至外電路。陽極通入燃料氣，如氫氣、天然氣、甲烷、煤氣等，處于還原氣氛。富氫化合物儲量豐富、成本低、便于儲存運輸，是目前SOFC使用最多的燃料，是最有可能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的燃料。

SOFC陰極主要作用是催化還原氧氣成氧離子，并將其傳送至電解質(zhì)。陰極通入氧氣或空氣，處于氧化氣氛。

SOFC的工作原理相當(dāng)于水電解的“逆”過程。外電路傳導(dǎo)來的電子在SOFC陰極被氧原子獲得轉(zhuǎn)變?yōu)镺2－，然后在化學(xué)勢的驅(qū)使下，進入固體電解質(zhì)中，在固體電解質(zhì)中在離子導(dǎo)電作用下遷移到電解質(zhì)的陽極一側(cè)。外電路獲得O2－，并與還原氣體在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)釋放出電子，這樣便形成了閉路的直流電路循環(huán)。

SOFC優(yōu)勢

（1）SOFC環(huán)境友好。以富氫氣體為燃料時，由于它的能量轉(zhuǎn)化率高，其二氧化碳排放量比熱機過程低40%；以純氫為燃料時，它的反應(yīng)產(chǎn)物僅為水。

（2）不需要貴金屬催化劑，大大降低了成本。

（3）SOFC是全固態(tài)結(jié)構(gòu)，沒有因使用液體電解質(zhì)帶來的腐蝕和電解液流失的問題，可望實現(xiàn)長壽命運行。

（4）理論上只要燃料和氧化劑連續(xù)供應(yīng)，SOFC就能連續(xù)不斷地向外輸出直流電。

（5）SOFC排出的高質(zhì)量余熱可與燃氣、蒸汽輪機等構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)，提高總發(fā)電效率，使總能量利用率達到80%以上。

SOFC應(yīng)用

（1）熱電聯(lián)產(chǎn)/分布式發(fā)電

日本NEDO推進的家用熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品“ENE Farm”被公認為世界上最成功的固體氧化物燃料電池商業(yè)化項目，自2009年5月進入市場以來累計銷售已超過11萬臺。其主要為公寓型和獨棟型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作出了很大貢獻。

美國Bloom Energy公司在固體氧化物燃料電池分布式發(fā)電方面是發(fā)展最好的企業(yè)。Bloom Energy公司自2001年成立以來，共募集12億美元，在美國安裝超過130MW的SOFC，為沃爾瑪、宜家、谷歌、聯(lián)邦快遞、美國銀行、可口可樂、AT＆T和Adobe等多家公司提供燃料電池。

 

google總部的Bloom energy發(fā)電系統(tǒng)（來源：仙存妮.固體氧化物燃料電池技術(shù)發(fā)展概述及應(yīng)用分析）

（2）汽車增程器

在交通領(lǐng)域，日產(chǎn)是最有代表性的企業(yè)。2016年日產(chǎn)汽車在巴西奧運會上發(fā)布了世界首款由固體氧化物燃料電池驅(qū)動的原型車。該原型車采用生物乙醇作為燃料發(fā)電。酶生物燃料電池原型車以100%的乙醇為原料為24kWh的電池充電，續(xù)航里程可超過600km。

（3）大型發(fā)電站

日本三菱重工20世紀(jì)80年代開始研究SOFC大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)，2014年與日立制作所合并業(yè)務(wù)，成立了三菱日立電力系統(tǒng)株式會社，致力于SOFC聯(lián)合循環(huán)大型發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)。

其研發(fā)的200kW SOFC-MGT（微型燃氣輪機）2012年在東京燃氣的千住科技中心內(nèi)，連續(xù)運轉(zhuǎn)4000多小時，該系統(tǒng)的工作溫度約為900℃，發(fā)電效率為50.2％（LHV）；2015年其開發(fā)的加壓SOFC-MGT混合發(fā)電系統(tǒng)也開始在九州大學(xué)示范運行。

SOFC存在問題

傳統(tǒng)SOFC為電解質(zhì)支撐型，為保證電池有足夠的機械強度，電解質(zhì)厚度需達到200μm以上。為了降低電池內(nèi)阻和提高電池輸出性能，電池需要在1000℃的高溫下工作。

但高溫下長期工作時，電極材料和電解質(zhì)材料的穩(wěn)定性不能充分保證，而且電池堆的連接體材料和密封材料的性能也容易衰退。若使用碳基燃料，會在陽極發(fā)生裂解反應(yīng)，形成積炭，導(dǎo)致電池性能衰減。

目前一些研究者發(fā)現(xiàn)，如果SOFC能夠把工作溫度降到500-800℃，不僅能夠讓其保持能量轉(zhuǎn)化效率和熱力學(xué)導(dǎo)電效率，而且一些價格低廉價材料可以直接用作SOFC的支撐體，比如不銹鋼材料，做為支撐體既能提高SOFC的抗震強度，又能與電池材料之間保持良好的熱匹配性和化學(xué)兼容性。這樣能夠大幅度的降低SOFC的制備和運行成本，同時高溫下存在密封問題也能解決。當(dāng)溫度降低到一定程度，很多的不良反應(yīng)就可以避免，電池系統(tǒng)的各組成部件之間的熱應(yīng)力也減小，這樣能夠很好的解決電池材料在長期工作中因高溫而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形與老化的問題，從而能夠在很大程度上推動SOFC的商業(yè)化。

但是隨著溫度降低，一些問題也暴露出來：

（1）溫度降低使電極催化活性降低，尤其是陰極的氧還原反應(yīng)速率顯著下降，這使電池的功率密度大幅下降。

（2）溫度下降會使電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)能力降低，如經(jīng)典的氧離子導(dǎo)體材料Y0.08Zr0.92O2（YSZ）在1000℃時的離子電導(dǎo)率為0.092S/cm，當(dāng)溫度降到800℃時只有0.02S/cm，導(dǎo)致電解質(zhì)的歐姆電阻加大。

解決方向：

（1）研究和開發(fā)具有高離子電導(dǎo)率的中低溫電解質(zhì)材料。

（2）降低電解質(zhì)的厚度，制備電極支撐的電解質(zhì)薄膜。

（3）提高陰極和陽極性能，降低電極過電位。

寫在最后

發(fā)達國家一直對我國進行固體氧化物燃料電池的技術(shù)封鎖，我國固體氧化物燃料電池商業(yè)化應(yīng)用進程緩慢。近幾年，國內(nèi)出現(xiàn)了一批固體氧化物燃料電池生產(chǎn)企業(yè)，開始進行商業(yè)化示范運行項目。相信隨著我國研發(fā)和創(chuàng)新能力的不斷增強，以及國內(nèi)外合作交流的進一步開放，我國固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)在未來幾年將會實現(xiàn)快速發(fā)展。

參考來源：

1、徐傳偉.固體氧化物燃料電池及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)

2、陳孔發(fā).氧化鋯電解質(zhì)薄膜燃料電池及其電極優(yōu)化研究

3、榮爽.氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯固體電解質(zhì)的制備

4、周娜.以生物質(zhì)為燃料的固體氧化物燃料電池研究

5、徐宏等.固體氧化物燃料電池用鋯基電解質(zhì)材料研究概述

6、仙存妮.固體氧化物燃料電池技術(shù)發(fā)展概述及應(yīng)用分析

7、劉志軍.鈰酸鋇-鋯酸鋇基質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池的制備及性能的研究