燃料电池报告 固态氧化物燃料电池 (电池堆结构)
固体氧化物燃料电池的系统结构及其研究进展
西安工程科技学院学报Jo urnal of Xi ’an University of Engineering Science and Technology 第21卷第2期(总84期)2007年4月Vol.21,No.2(Sum.No.84) 3综 述3文章编号:16712850X (2007)022******* 收稿日期:2006212212 通讯作者:张暴暴(19672),男,山西省太原市人,总后勤部军需装备研究所军用汉麻材料研究中心高级工程师.E 2mail :cobra_zhangbb @ 固体氧化物燃料电池的系统结构及其研究进展侯丽萍1,张暴暴2,3(1.北京市东直门中学,北京100012;2.华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074;3.总后勤部军需装备研究所军用汉麻材料研究中心,北京100082)摘要:固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置,具有高效率、零污染、超静音等特点.本文从原理入手介绍了固体氧化物燃料电池的系统结构和技术发展.关键词:固体氧化物燃料电池;系统结构;技术发展中图分类号:O 646.21 文献标识码:A0 引 言能源日趋紧张,化石燃料行将耗尽,氢能作为未来能源的有效解决方案逐渐得到重视,氢必将成为世界燃料和能源的主流.氢基燃料电池作为氢能领域重要技术支撑经历了第一代磷酸燃料电池(PA FC ),第二代熔融碳酸盐燃料电池(MCFC ),发展到了第三代固体氧化物燃料电池(SO FC )[1].SOFC 由于有很多相对优势而得到关注.与以燃烧为基础的传统发电方式相比,SOFC 没有燃烧过程和机械运动,极大地降低了化石燃料在能量转换中的能量损失和对生态环境的破坏,从而使其具有运转稳定、高效率(40%～60%)、零污染、无噪音等特点;与低温工作的质子膜燃料电池(PEM FC )相比,除其高效率外,SOFC 还避免了只能使用贵金属电极材料(如Pt )的局限性,消除了CO 对电极的毒化,降低了对燃料质量的要求,增加了燃料选择的灵活性(如天然气、煤气、生物质气体、柴油以及其他碳氢化合物);与相对高温工作的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )相比,SO FC 具有更高的功率密度,没有液态的熔盐腐蚀介质,避免了燃料电池材料的热腐蚀.因此,国内外出现了大量资金支持SOFC 研发的趋势.图1 固体氧化物燃料电池典型结构1 SO FC 运行原理与电池构件固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell ,SOFC )是通过氢氧反应将化石燃料中的化学能直接转换为电能的电化学装置,其结构简单,由两个多孔电极与电解质结合成三明治结构,仅有4个功能组件:阴极、阳极、电解质和连接体(见图1)[2].空气流沿阴极注入后,氧分子在阴极和电解质间,从阴极取得4个电子而分裂成2个氧离子渗透、迁移至电解质和阳极之间,与氢发生反应释放H 2O 、CO 2和热.电子通过阳极、外电路回到阴极产生电能.各种燃料电池的反应原理见表1.这种反应中包括燃料或氧气(通常是空气),电解质(固体或液体)和电极3种物质的接触,三相接触是燃料电池设计的关键技术之一.有效的电池必须维持阳极反应释放能量的反应速率,一般有3种提高反应速率的方法,即使用催化剂、提高反应温度、增大电极面积[3].SOFC 的关键技术体现在电池构件的材料选择方面,每种材料必须具有正确的化学特性、结构特性和电特性,才能使其具备在电池中的功能.为得到高的电流密度(mA/cm 2)和比功率(W/kg ),SO FC 需维持高温运行(属于高温电池,达到1000℃).因此,电池构件的热膨胀系数应尽量一致或接近,以便减少相互之间的热应力,否则会导致电池爆裂和机械失效.此外,电池的空气通道需要保证适时适量的氧气(空气)输入,而燃料通道则需避免.因此,SOFC 的密封和密封材料的选择也是至关重要的.表1 各种燃料电池的反应原理燃料电池阳极反应阴极反应移动的离子质子交换膜燃料电池(PEM )H 2→2H ++2e -1/2O 2+2H ++2e -→H 2O H +碱性燃料电池(AFC )H 2+2(O H )-→2H 2O +2e -1/2O 2+H 2O +2e -→2(O H )-(O H )-磷酸燃料电池(PA FC )H 2→2H ++2e -1/2O 2+2H ++2e -→H 2OH +熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )H 2+CO 2-3→H 2O +CO 2+2e -CO +CO 2-3→2CO 2+2e -1/2O 2+CO 2+2e -→CO 2-3CO 2-3固体氧化物燃料电池(SOFC )H 2+O 2-→2H 2O 2e -CO +O 2-→CO 2+2e -CH 4+4O 2-→2H 2O +CO 2+8e -1/2O 2+2e -→O 2-O 2-为达到上述效果,SOFC 系统中阳极支撑体采用摩尔分数8%的Y 2O 3掺杂于ZrO 2陶瓷(厚度1mm ),阳极功能层为10～20μm 厚度的NiO +YSZ 薄膜.电解质选用YSZ ,与阳极功能层粘合.阴极为陶瓷钙钛矿ABO 3,在A 位和B 位用锶、钙、钡、镍、镁、钴低价阳离子代替,形成掺杂锰酸镧LaSrMnO 3、LaS 2rCo FeO 3、LaCoNiO 3合金陶瓷阴极.目前,这种电池材料选择在离子电导率、成本和性能匹配等方面效果最佳.图2 SOFC 结构和多孔陶瓷合金电极微观表征模拟SOFC 系统中有2个构件,即阳极和电解质都选择钇稳定氧化锆(Yttria Stabilized Zirconia ,YSZ ).但是,二者的微观形态有显著差异.作为阳极的YSZ 必须有多孔结构以便氧离子通过,为了有此效果,SOFC 的阳极一般都采用镍掺杂钇稳定氧化锆(Ni 2YSZ )陶瓷合金(如图2[2]).镍作为催化剂的同时还可以增大反应接触面积,YSZ 为体结构支撑镍粉,按照一定比例充分混合烧结,并与YSZ 有接近一致的热膨胀系数.Ni 2YSZ 陶瓷合金阳极的微孔结构使得其真实表面积达到表观面积的上千倍(如图3),维持电池的正常运行,而电解质呈相对致密结构迫使反应产生的电子走外电路发电.2 SO FC 单电池、电堆、电站技术及其发展三明治结构的SOFC 阳极、电解质、阴极通过连接体(也称双极板)串连在一起形成一定额定发电量的电堆(发电模块),几个电堆可以组合成更大规模的电站.一套完整的SOFC 发电系统除电堆(阳极、电解质、阳极、连接体、电路)外,还包含燃料供应系统(燃料重整器、喷射循环器、集电管路)、供气系统(泵、加862 西安工程科技学院学报 第21卷图3 SOFC 微观表征热器、压缩机、鼓风机、循环管路)、控制系统(电压调节转换器、逆变器、电动机).SOFC 发电系统的副产品是高品质热能,因此汽轮机的热电联产是能源高效利用的有效方式.1937年前后,诞生了由Bauer 和Preis [4]开发的第一个以氧化锆为电解质的SO FC.然而,直到60年代,美国的Westinghouse 公司才开始了具有商业前景的SOFC 电堆的研究和开发.出于对未来能源战略、国家安全和环境保护的考虑,世界上许多国家,尤其是发达国家如美国、欧洲、日本、澳大利亚、韩国等都相继制定了长期研究开发计划,力求在未来的10～15年中,促成SOFC 技术商业化.1999年,美国能源部启动了称之为SECA (Solid State Energy Conversion Alliance )的研发计划,集政府、工业界、大学和研发机构于一体,加速SO FC 的商业化,从而带来了SOFC 技术发展的新时代.SECA 的目标是通过政府和产业界共同投入5.14亿美元,在2012年前后将SO FC 的制备成本降低至400美元/kW ,年产5万套工作寿命大于4万h 的3～10kW 的发电系统.图4 SOFC 发电系统到目前为止,SOFC 在技术上经历了从高温(1000℃左右)到中低温(500～850℃[5])、从管式到平板式等不同设计.Westinghouse 公司率先开始了大直径(22mm ×1.8m [6])管式SOFC 的研制,于1997年成功地展示了第一个高温管式(1000℃左右)SOFC 发电站,并已积累了2万h 以上的运行经验.但是,由于建造(＄100000/kW )、维护和运行成本太高,商业化十分艰难.该SOFC 电堆成本高的主要原因在于高温对用于SOFC 的材料,尤其是连接体,提出了非常苛刻的要求,在商业化的进程中面临着极大的难题.管式SO FC 最大的特点是不需要高温密封,并可望建成大功率的电站.但是,它的功率密度很低(～0.2W/cm 2[6]).目前这种SOFC 主要由Siemens 2Westing 2house 继续开发.在SECA 计划中,Siemens 2Westinghouse 公司专注于开发新型扁管式SOFC ,运行温度也从1000℃降至800℃,以期提高功率密度、降低制造成本.2005年底的评估结果表明,Siemens 2Westinghouse 公司的SO FC 在性能和成本上尚未达到SECA 一期目标.平板式SO FC 是目前最主流的SOFC 类型,工作温度在500～800℃,已成为SO FC 发展的主流.其主要优点是单电池具有高的功率密度,并且制作成本低;其主要难点是高温密封困难.在美国SECA 计划中,就有General Elect ric (GE )公司、Cummins 公司、Delp hi 公司和FuelCell Energy 等4家公司重点对平板SOFC 进行攻关,将成为美国SOFC 的生产基地.GE 公司已于2005年底建成了净功率5.4kW (甲烷重整气)、发电效率41%(L HV )、电堆可用率(Availability )90%、衰减率为1.8%/500h 的SOFC 平板电堆,电堆成本约为＄724/kW (以50000台/年计),全面达到并超过了部分SECA 一期指标,GE 也是SE 2CA 计划中目前惟一一个达到SECA 一期目标的公司,已于2005年底顺利率先转入SECA 二期.平板式SO FC 既适合于小型分散发电(1～10kW ),也在大型固定发电领域展示着广阔的应用前景.2005年,美国能源部在SECA 计划之下,启动了碳基IGFC (Integrated gasification f uel cell )研究项目,GE H P GS 、FuelCell Energy 和Siemens Power Generation 等3家公司获得为期10年的政府资助,研究开发100MW 级SO FC.美国能源部的这一举措开拓了平板式SOFC 的另一重要发展方向.在20世纪90年代后期,人们逐渐认识到降低SO FC 工作温度的必要性.中温平板式SO FC (700～800℃)已被纳入美国能源部SECA 计划,是目前国际SO FC 研究的前沿和热点.其最突出的优点是在保962第2期 固体氧化物燃料电池的系统结构及其研究进展证高功率密度的同时,可使用不锈钢等合金作为连接体材料,降低了对密封等其他材料的要求,可采用低成本的陶瓷制备工艺,可望大幅降低SOFC的制造成本.其应用前景是作为固定或移动电源,用于家庭、商业、交通运输和军事等不同领域;满足电网不能覆盖的偏远地区(如山区、草原、海岛、军事设施、航标等)的用电需要以及补充大都市的电力不足.与此同时,为用户提供热水和取暖.在中低温SOFC材料方面,迄今为止,已经积累了大量的研究工作,涉及到电解质、阳极、阴极、连接体和密封等材料.然而,其中许多材料仅能在某些性能上满足SOFC的要求,而同时又存在着这样或那样的缺陷.YSZ是应用最为广泛的电解质材料.随着工作温度的降低,其离子导电性逐渐下降,在低于700℃的工作温度下,很难满足SOFC的性能要求[7217].总的说来,就目前的技术水平看,还没有一套完全满足中低温SO FC工作条件和性能要求的材料组合[12].我国最早关于SO FC的研究始于1970年代.从1990年以后,在国家科技部、国家计委(现国家发展与改革委员会)、中国科学院、教育部所属高校、地方政府等的资助下,中科院上海硅酸盐所、华中科技大学、吉林大学、中国科学院工程研究所(原化冶所)、中国科学技术大学、中国矿业大学、中科院大连化物所、华南理工大学、中科院山西煤炭所等多家研究机构对在SOFC关键材料和制备工艺等方面相继开展了探索和研究工作,积累了宝贵的经验,掌握了SOFC关键粉体、大面积支撑体、密封、金属连接级的制备技术,具备了建造SO FC电堆和系统的基础与能力.然而由于起步晚、投入少,我国SO FC研发的总体水平与美国、德国、日本等发达国家的先进水平存在着一段不小的差距,尤其是在电堆设计、组装与系统集成等方面差距较大.近几年国内相继引进一些在国外著名SO FC研发机构工作过,对SOFC研究(尤其是SOFC电堆组装与系统集成方面)经验丰富的人才回国,使我国与国际SOFC先进水平的差距大为缩短.结合国内已有基础,我国已具备快速追赶国际先进水平的基础.参考文献:[1] 储怡.固体氧化物燃料电池[J].佳木斯大学学报,1999,17(2):1842186.[2] CHRISTOP H E.Spectroscopic ellipsometry porosimetry applied to solid 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ane)的卑微而孤独的家庭女教师对于真诚的爱情,人与人之间的理解和完美的幸福生活的强烈渴望,以及为了实现自身价值而进行的自觉的奋斗.由此可以看出,新的文学批评方法可以使人们对作品有不同的理解,使学生的眼界更为宽广.在英美文学教学中运用文论教学可以教会学生一种认知方式,一种文学鉴赏方法.我国古代有这样一句话,“授人鱼,不如授人以渔”.因此,在教学中,要特别注重文论在教学实践中的作用.教师通过借鉴不同的文艺批评理论,采用文本分析的方法对所讲的文学时期的作家作品进行案例分析与研究的同时,培养了新的阅读思考习惯和思维模式,这正是文学教学的目的所在.面对信息时代的挑战,面对市场经济的冲击,在教学中只有以变应变,对教学理念、教学模式、教学方法等进行深入的调查和大胆的改革,通过对多媒体技术在教学中的运用,以及文学批评方法的介绍及运用,才能真正帮助学生在语言掌握方面有所长进.同时,学会一定的文学评论方法,继而培养和提高学生的自学能力,提高学生的人文素质.参考文献:[1] 崔少元.后现代主义与欧美文学[M].北京:中国社会科学出版社,2002.[2] 张庆宗.英语教学法[M].湖南:湖南人民出版社,2004.[3] 苏卉.外国文学教学如何面对现代化[J].外国文学研究,2002(2):1452148.编辑:董军浪;校对:武 晖(上接第270页)[16] M Mogensen,P V Hendreksen.In high temperature solid oxide f uel cells:f undamentals,design and applications[M].Oxford:Elsevier,2003.[17] Sandrine Colson2Inam.Solid oxide f uel cells2ready to market[J/OL].(2003212203)[2006210212].http://www.cell2.System structure and research development of solid oxide fuel cellsHOU L i2pi ng1,Z H A N G B ao2bao2,3 (1.Dongzhimen Middle School,Beijing100012,China;2.College of Material Science&T echnology,Huazhong University of Science and T echnology,Wuhan430074,China;3.The Research Center of China2Hemp Materials,The Quartermaster Institute of the General Logistic Department of PL A,Beijing100082,China)Abstract:Solid oxide f uel cells is an elect rochemical device t hat convert s t he chemical energy in f uels into electrical energy by exploiting t he nat ural tendency of oxygen and hydrogen to react.These cells are be2 coming increasingly pop ular due to t heir many asset s,such as high efficiency(40%～60%),clean,reli2 able and almo st entirely non2polluting.K ey w ords:SO FC;system st ruct ure;technical develop ment编辑、校对:武 晖。
固体参考资料氧化物燃料电池(SOFC)
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。
它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。
这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。
本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目，并提出了值得深进研究的课题。
关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)，现状，发展1．固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。
以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。
1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58 %，猜测有看达到70 %。
接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。
同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外，加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. )，美国GE、Z2tek 等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。
燃料电池-固体氧化物燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池 (Molten carbonate fuel cell MCFC) -----熔融的锂钾或锂钠碳酸盐为电解质
固体氧化物燃料电池 (Solid oxide fuel cell----- SOFC) --------氧化钇稳定的氧化锆膜为氧离子导体Βιβλιοθήκη SOFC阳极材料的基本要求：
（1）稳定性 在燃料气氛中，阳极材料必须在化学性质、 形貌和尺度上保持稳定。
（2）电导率 阳极材料在还原气氛中要具有足够高的电子 导电率，以降低阳极的欧姆极化，同时还具备高的氧离子 导电率，以实现电极立体化。
（3）相容性 阳极材料与相接触的其它电池材料必须在室 温至制备温度范围内化学上相容。
轧膜常用黏结剂为聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯等有机高分子化合物，有时还加入 分散剂，增塑剂等 轧膜成型的优点是工艺简便，轧出的膜片表面光滑，均匀，致密 反复轧膜，常会引入少量杂质，有时对产品电性能产生不利影响 费时也较长，不便连续化操作 主要用于薄片状电容器坯片、压电陶瓷扬声器(蜂鸣片)、滤波器坯片和厚膜电 路基板坯片等
燃料电池-固体氧化物燃料电池
（4）热膨胀系数 阳极材料必须与其他电池材料热膨胀系 数相匹配。
（5）孔隙率 阳极必须具有足够高的孔隙率，以确保燃料 的供应及反应产物的排出。
（6）催化活性 阳极材料必须对燃料的电化学氧化反应具 有足够高的催化活性。
（7）阳极还必须具有强度高、韧性好、加工容易、成本低 的特点。
固体氧化物燃料电池 （ Solid oxide fuel cell---- SOFC ）
固体氧化物燃料电池(SOFC)
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。
它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。
这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。
本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目，并提出了值得深进研究的课题。
关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)，现状，发展1．固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。
以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。
1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58 %，猜测有看达到70 %。
接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。
同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外，加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. )，美国GE、Z2tek 等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。
说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理(一)
说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理(一)说明固体氧化物燃料电池的结构和工作原理介绍固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种高效、低污染的能源转换设备。
它利用固体氧化物作为电解质，将化学能转化为电能，广泛应用于电力和燃料领域。
结构固体氧化物燃料电池的主要结构有以下几个部分：1.阳极：阳极是燃料一侧的电极，常用材料是镍（Ni）或含铈质的材料。
它具有良好的催化性能，能够使燃料与电解质进行反应。
2.阴极：阴极是氧化剂一侧的电极，常用材料是钇稳定氧化锆（YSZ）等，能够吸收氧气并与电解质发生反应。
3.电解质：电解质是固体氧化物燃料电池中的核心部分，常用材料有钇稳定氧化锆、钡稳定氧化钇（BCY）等。
它具有高离子电导率和低电子导率，能够传输氧离子并阻止电子的流动。
4.连接体：连接体用于连接阳极和阴极，常用材料是钇稳定氧化锆等，具有导电性质。
5.当前集流体：当前集流体用于收集由电解质传输的氧离子，并将其导入外部电路。
6.电极反应层：电极反应层位于阳极和阴极的界面上，能够促进燃料和氧化剂的反应。
工作原理固体氧化物燃料电池的工作过程可以分为以下几个步骤：1.燃料（如氢气、天然气等）被供应到阳极一侧，同时氧化剂（如氧气）被供应到阴极一侧。
2.在阳极上，燃料发生氧化反应，产生电子和氧离子（O^2-）：H_2 + 2O^{2-} -> 2H_2O + 4e^-3.氧离子通过电解质传输至阴极。
在传输过程中，电子通过外部电路流动形成电流，完成能量转换。
4.在阴极上，氧离子与氧化剂反应生成氧气：O^{2-} + 1/2O_2+ 2e^- -> O_2-5.这个过程持续进行，从而形成稳定的电流输出。
固体氧化物燃料电池具有高能量转换效率、低排放和燃料灵活性的特点，在电力和燃料领域具有广阔的应用前景。
它被广泛应用于发电站、交通工具、家用电器等领域，为可持续能源发展做出了重要贡献。
固体氧化物燃料电池结构组成
固体氧化物燃料电池结构组成固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效能的能源转换设备。
其结构组成包括阴、阳极、电解质和集流板等四个关键部分。
下面我将分别介绍这些部分的作用和组成。
一、阳极阳极是将燃料（如氢气、天然气、甲烷等）引入该电池的部分。
阳极是由稳定的陶瓷材料制成，以确保其具有良好的耐高温性、化学惰性和导电性。
在SOFC中，阳极的主要功能是将燃料导入电解质层，并在阳极和电解质层之间产生电子。
由于阳极必须保持足够的导电性和化学惰性，因此常常涂覆一层纯金属或合金。
二、电解质SOFC 的电解质层是一种高温固体堆栈，可以使燃料气体在与氧气的反应中释放能量。
电解质层的特殊设计确保阴、阳极之间的离子（通常是氧离子）在燃料反应中迅速、稳定地传输。
电解质层是通过多种陶瓷材料（如 YSZ / ScSZ / LaCoeO / YDC等）制成的薄膜组成的，厚度只有数微米或更少。
三、阴极阴极是SOFC中将氧气引入电池的部分。
阴极主要是由稳定的陶瓷材料制成，并涂覆了葡萄糖或稳定的萘基物质，以增加氧气的扩散点。
阴极的主要功能是将氧气引人电解质层，在此过程中，阳极产生的电子与氧气反应，产生电流和水分子。
四、集流板集流板是介于阴极和阳极之间的部分，并且通常由金属材料制成。
集流板的主要功能是将电或热能从电池输出到负载或系统中。
以上是SOFC的四个主要组成部分。
其它有助于SOFC性能的辅助材料包括导极和膜金属。
当这些组件组装在一起时，它们可以形成由多个单元组成的堆叠结构，最终构成SOFC。
整个SOFC的设计和制造需要高科技的专业知识和技术，因此其成本昂贵。
但是，由于它的高效能和环保特性，SOFC仍然是一种可能的未来能源技术。
固体氧化物燃料电池电堆
固体氧化物燃料电池电堆固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一类高效能、稳定性良好、使用寿命长的燃料电池。
SOFC 採用固体电解质板，通常是由氧化物制成，作为电池的电解质层。
在两面固体电解质板之间是阳极和阴极，形成一个电池单元或电池堆。
电解质板可以在高温下（700℃-1000℃）传递离子。
这些离子可能是氢气、碳气化物、または甲烷等燃料分子中的氢离子，也有可能是与空气中氧气反应排放出的氧化离子和负电荷。
通过这种方式，可以将化学能转化为电能，并输出热能和水蒸气。
工业领域和燃料电池汽车中SOFC 主要应用于高温、大功率、固定输出的使用场景，如工业领域的能量、材料制造或储存等方面。
SOFC 能够在700℃-1000℃ 的高温环境中运行，可以输出至少数十千瓦的功率，并且具有高效率和高可靠性。
例如，SOFC 在市电停电时可以作为应急电源使用。
此外，SOFC 还可以作为燃料电池汽车的一个支持系统，从而大大提高氢气燃料电池汽车的续航里程。
SOFC 的优势与挑战与其他类型的燃料电池相比，SOFC 具有以下优点：● 高效能和高效率：SOFC 可以在燃料转化为电力和热能时实现高效能和高效率，因此SOFC 的能源使用性能超过其他类型的燃料电池。
此外，SOFC 可以将余热转化为电力，从而提高了总效率。
● 可靠性高：SOFC 没有移动部件，因此具有较高的可靠性和寿命。
此外，SOFC 可以长时间运行，不需要频繁的维护保养。
在合适的条件下，SOFC 可以运行数万小时以上。
● 适用性广：SOFC 能够利用各种类型的氢燃料，如纯氢气或从天然气、煤气或生物质中提取的氢气。
此外，SOFC 还可以通过氢和二氧化碳的混合物产生燃料电池输出，从而促进可持续发展。
SOFC 同时也存在一些挑战：● 高温：SOFC 必须在高温环境（700℃-1000℃）下运行，在运行和停机过程中，SOFC 必须进行缓慢加热和冷却，以避免热震和断裂。
固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）作为一种高效、清洁的能源转换技术，在冷热电联供系统中具有广阔的应用前景。
冷热电联供系统是一种集成化的能源利用方式，通过优化热电联产过程，实现能源的高效利用。
SOFC 作为冷热电联供系统的组件之一，具有高效、低排放、灵活性强等优势，因此在能源系统中发挥着越来越重要的作用。
1.SOFC概述SOFC是一种以固体电解质为基础的燃料电池，其主要组成部分包括阳极、阴极和电解质，其中电解质通常为氧化物。
在工作过程中，燃料（通常为氢气、甲烷等）在阳极处发生氧化反应，产生电子和离子，电子通过外部电路形成电流，离子穿过电解质到达阴极，在阴极处与氧气发生还原反应。
这种电化学过程产生的电能可用于供电或其他电力需求，同时SOFC还能够产生高温废热。
2.冷热电联供系统中的应用前景2.1高效能源转换SOFC具有高效率的能源转换特性，其电-热转换效率可达60%以上。
通过将SOFC与其他能源设备集成，如燃气轮机、蒸汽轮机等，可以实现更高效的能源转换，提高整个系统的总体能源利用效率。
2.2低排放与环境友好与传统发电方式相比，SOFC的燃烧过程不仅效率更高，而且排放的主要产物为水蒸气和二氧化碳。
SOFC在冷热电联供系统中的应用有助于减少温室气体排放，符合环保和可持续发展的要求。
2.3灵活性与响应速度SOFC具有较高的热响应速度，可以在短时间内达到额定功率，使其在应对电力需求波动、应急电力供应等方面具备灵活性。
这使得SOFC在冷热电联供系统中能够更好地适应复杂多变的能源需求。
2.4分布式能源系统SOFC可以被部署在分布式能源系统中，通过小型化、模块化的设计，实现能源的近端生产与使用，减少能源传输损失。
这种分布式部署方式有助于提高电力系统的鲁棒性和可靠性。
3.具体应用案例3.1工业厂区冷热电联供将SOFC集成到工业厂区的能源系统中，通过利用SOFC产生的废热供热，同时利用其电力输出满足工业生产的电力需求。
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2)扁平管內可採用較薄的空氣電極 , 以降低濃度極化提高 輸出功率。
電池堆結構(9)
3)扁平管可以有效減少了管與管間的閒置空間 , 相同輸出 功率下可以節 省電池堆所需的空間 , 式傳統圓管的1/3長。 4)由於肋條已經隔出空氣流道 , 扁平管無須供應空氣之氧 化鋁導管。 在單位質量的輸出功率 , 扁平管較傳統圓管SOFC高 出 約 77% , 在 單 位 體 積 輸 出 功 率 的 改 進 程 度 則 可 達 到 185% ; 此外 , 在固定的輸出功率之 下 , 扁平管SOFC所需的單電池數明顯較少。
電池堆結構
• 管式與平板式SOFC之電池堆比較
• 管式SOFC電池堆結構 • 平板式SOFC電池堆結構 • 其他型式之SOFC電池堆結構
電池堆結構(1)
管式與平板式SOFC之電池堆比較
由於構成SOFC的所有元件都是固體，因此電池 結構與外型具有多樣性，可依照不同需求與環境 進行設計，目前常用的設計有管式結構與平板式 結構兩種，兩者之製程技術、密封技術、以及電 阻等特徵之比較如表
電池堆結構(26)
電池堆結構(27)
固態氧化物燃料電池堆經過消費者,日新月異之需求,加上各 公司之研發設計求新求變之精神 ,從 PEN傳統矩形式及波浪 式,一在研發改善目前已有圓盤式及圓柱型式燃料電池堆 ,設 計者構思回收餘熱再利用。 目前科技發展迅速，固態氧化物 SOFC 燃料電池以慢慢進 入一般家庭生活必備 , 想必在不久之後固態氧化物 SOFC 燃 料電池將可發展使用於食衣住行各方面相關產品上。 目前市場上二次電池已發展相當快速，成為日常不可或缺之 電力來源，鎳氫；鎳鎘；鋰電池等鎳氫及鎳鎘等相關產品屬 於記憶性電池使用需作放電程序方可延常使用壽命。 鋰電池目前使用率很高，行動電話、筆記型電等均已使用 因為不屬於記憶性燃料電池，電池不需放電，使用壽命長， 使用時間較一般鎳氫及鎳鎘等電池長。
電池堆結構(24)
電池堆結構(25)
另一款類似HEXIS結構之圓柱型SOFC電池堆。此圓 柱型結構的SOFC電池堆為Technology Management , Inc. (TMI)所開發之新產品。 TMI的整合型SOFC系統設計中，將燃料重整器置於底 座內，由25個圓盤狀的電池單元堆疊而成之圓柱型電 池堆，並組立於重整器上面。 燃料氣體與水同時經過燃料處理器，從圓柱上方沿著 中心軸進入燃料電池堆，以放射狀方式流過陽極圓盤。 空氣則從底座進入燃料電池，與燃料氣體方向相反， 沿著圓柱中心兩側以放射方式通過陰極圓盤。 未反應燃料氣體則與圓環外空氣進行燃燒，餘熱供燃 氣蒸氣重整反應的熱源，進口空氣用來冷卻電池堆。 TMI的SOFC特色與硫化物容忍度高，使用含量 300ppm H2S的氫氣燃燒時，用轉時間可超過1,000小 時。
電池堆結構(13)
平板式SOFC之PEN板組成
早期平板式SOFC PEN板及目前PEN板之比較
特徵 種類
早期PEN板 900 ~ 1000℃ 特殊材料 高 厚 高
近代PEN板 700 ~ 800℃ 一般不銹鋼 低 薄 低
操作溫度 雙及連接材料 歐姆電阻 電解質 製作成本
電池堆結構(14)
將原先電解質支撐設計變更為陽極支撐厚度增加， 將電解質隔膜製作很薄以降低歐姆電阻增加功率密度。 左圖堆疊SOFC操作溫度只需700~800℃，如此低溫操作 環境可以直接使用金屬雙極連接材料，例如不銹鋼，金 屬雙極板耐久性比陶瓷好，並作為承受結構元件使電池 堆的抗破壞及抗熱應力增加，不僅降低成本、降低電阻， 並可解決熱膨脹問題。
電池堆結構(16)
雙極連接板
多次燒結製程
陽極 漿料 製備
連接板 (沖壓)成型
連接板 切割
表面塗層
(銅膜)
銅鋅合 金焊
電解質 漿料 製備 組裝 脫模/ 裁切
陰極 漿料 製備
帶鑄
真空電漿 鍍層
燒結 1400℃
品管 裂痕檢驗
網印
燒結
磨邊
滑鑄
網印
真空電漿 鍍層
漿塗
漿塗 電池堆組裝
電池堆結構(17)
˙單次燒結平板SOFC PEN板製程 先將陽極、電解質、以及陰極層以帶鑄法製作成帶 狀薄層 ,然後將三種薄層依序堆疊或滾壓成PEN板 , 最後再以兩種不同的壓力進行一次燒結。分析結果 顯示 , 平板SOFC以單次燒結製程的製作成本大約 較多次燒結製程低10%左右。
電池堆結構(12)
平板式SOFC電池堆結構
平板式SOFC的設計是先將空氣電極、固態電解質、 以及燃料電極燒結為一體型成三合一結構 PEN(positive electrode-electrolyte-negative electrode plate) , 然後在PEN板與PEN板之間以雙 面皆刻有流道的雙即連接板串聯 , 空氣和燃料氣體 則分別從雙及連接板兩面的氣體流道中交叉流道。
密封之問題,目前全世界固態氧化物燃料電池研究有70%集中在平板式固 態氧化物燃料電池的開發工作。
電池堆結構(3)
管式SOFC電池堆結構
雙極連結材料 空氣電極 電解質
燃料電極
西門子西屋公司圓管式固態氧化物燃料電池與系統示意圖
電池堆結構(4)
圓管式SOFC之組成
如下圖所示 , 每跟管子都是一個單電池 , 從裡到外分別由空 氣電極、電解質、燃料電、以及雙極連結材料等四層所組 成。 離開燃料電極的未完全反應之燃料氣體可以有兩種不同的 處理方式 , 一種是與空氣在燃燒室混合後進行燃燒 , 所得餘 熱可作為燃料電池進口空氣預熱之用 , 第二種則是將其導回 燃料氣體迴路中在 重新進入燃料電池進行電化學反應,如圖所示
電池堆結構(2)
特徵 製程技術 密封技術 內電阻 成本 操作溫度 管式SOFC 複雜 (擠壓成型、電化學沉積、 電漿噴塗、漿塗等) 容易 高 高 1000℃ 平板式SOFC
簡單 (帶鑄、燒結)
困難 低 低 800℃以下
平板式SOFC的主要缺點是高溫密封困難 , 熱循環差 。過去幾年間 ,
許多公司已成功開發出玻璃或陶瓷的複合無機密封材料,解決SOFC高溫
電池堆結構(10)
圓管SOFC與扁平管SOFC電流路徑及性能比較
電池堆結構(11)
圓管SOFC與扁平SOFC性能之比較 (操作溫度 : 950℃ , 操作電壓 : 0.65V)
特徵 種類
圓管SOFC EDB/Elsam
a
扁平管SOFC HPD4b 50 HPD4 50 HPD12 50
電池長度
150
電池堆結構(22)
電池堆結構(23)
•瑞士Sulzer Hexis公司開發一種以中空圓盤式PEN板所堆疊 而成的SOFC, 又稱熱交換一體成型電池堆(heat exchange integrated stack , HEXIS)。
•HEXIS的PEN板也是一種平板式結構,與傳統方型或矩形不 同之處是PEN板的形狀是環狀圓盤。
電池堆結構(7)
傳統及扁平SOFC之比較:
電池堆結構(8)
西門子西屋HPD SOFC的設計中 , 將傳統SOFC圓管扁平 化 , 並且在空氣電極中間加裝肋條隔板 , 以提供電流捷徑 並作為空氣流到之用 , HPD SOFC的設計有以下幾項優點:
1)扁平管可以縮短電流平均路徑長度並同時增加電流路徑 截面積 , 如此 可以降電池歐姆阻抗、增加輸出功率。
•燃料氣體與空氣在圓盤式設計的電池內的流動方式與平板 式SOFC有所不同,HEXIS的環狀圓盤不但是具有連結陰極、 陽極和分配氣體作用,而且本身也是一個熱交換器。 •燃料氣體從圓盤中心的燃料氣體共用管道進入陽極圓環,放 射狀地通過燃氣通道後從圓盤外緣出口排出,然後與從空氣 氣體通道出口排出的剩餘空氣混合後至後燃器內進行燃燒, 餘熱則以熱回收系統回收使用。
10kW之電池數
單電池輸出功率(W) 比功率(W/kg) 單位體積輸出功率(W/L)
79
126 113 136
114
88 191 297
73
136 203 409
49
205 200 388
a : 在荷蘭EDB/Elsam運轉之110-Kw常壓型圓管SOFC系統。 b : High Power Density SOFC , 下標表示所使用肋條數。
電池堆結構(5)
電池堆結構(6)
SOFC結構設計重點
一般而言 , 在高溫操作下的SOFC其電極極化並不大 , 造成電位損失主要來自於各元件的歐姆阻抗 , 因此 , 選擇高導電度材料以及降低各元件之厚度成為SOFC 結構設計的重點。 SOFC 的歐姆阻抗將有 45% 來自陰極、 18% 來自陽極、 12%來自電解質、而剩下25%則來自雙極連接材料。 針對圓管式SOFC高歐姆阻抗的問題 , 西門子西屋公 司提出扁平管固態氧化物燃料電池(flat-tube SOFC)的 設計 , 又稱作HPD SOFC , 下圖所示
電池堆結構(18)
單次燒結製程
電解質 漿料製備 帶鑄 滑鑄 雙極連接板 連接板 (沖壓)成型 組裝 帶鑄 滑鑄 陽極 漿料製備 帶鑄 滑鑄 脫模/裁 切 滾軋 堆疊 脫模/裁 切 電池堆組裝 燒結 品管 裂痕檢驗 磨邊 連接板 切割 表面塗層 (銅膜) 銅鋅合 金焊
陰極
漿料製備
電池堆結構(19)其他型来自之SOFC電池堆結構大功率的平板SOFC電池堆組合與其他類型的燃料電池樣 , 由PEN板與雙極連接板依序堆疊成多層三明治結構 , 如圖 示,PEN板間以金屬雙極板連結,金屬板的流場結構以沖壓 成壓型。由於PEN板屬於陶瓷材料,質地脆弱結構強度不 足,抗拉伸強度一般只有抗壓強度的20%,不易製程大面積 的PEN板,依目前技術PEN板最大面製作面積25㎝╳25㎝。
電池堆結構(20)
電池堆結構(21)
波浪狀 PEN 板固態氧化物燃料電池又稱單塊疊層結 構 固態氧化物燃料電池模塊(monoblok layer built , MOLB) 有效工作面積大 , 功率密度較高 , 主要缺點 : 製 作技術困難,由於電解質材料脆性很大,波浪狀的PEN 板必須經過共同燒結一次成型,燒結條件的控制要求 十分嚴格。