沈元興

固體氧化物燃料電池的研究

沈元興

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108）

固體氧化物燃料電池（SOFC）作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換裝置，由于其具有高能量利用率、環(huán)境友好、燃料選擇廣泛等特性，已經(jīng)引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)保問(wèn)題關(guān)注的升溫，友好型能源的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)成為國(guó)家能源發(fā)展的重要方向，在國(guó)家政策的推動(dòng)下，高校和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也加大了研究力度，爭(zhēng)取在環(huán)境友好型能源的開(kāi)發(fā)利用上搶占先機(jī)。文章主要針對(duì)目前SOFC的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)SOFC未來(lái)的發(fā)展提出合理化建議。希望通過(guò)以上的論述，能對(duì)SOFC的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

固體氧化物；燃料電池；研究

前言

隨著科技和工業(yè)地快速發(fā)展，能源和環(huán)境污染問(wèn)題也隨之日益凸顯。為了確?？萍己凸I(yè)綠色協(xié)同發(fā)展，環(huán)保型能源的開(kāi)發(fā)利用刻不容緩，世界各國(guó)也都在有針對(duì)性的頒發(fā)相關(guān)政策，鼓勵(lì)高校和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)加強(qiáng)研發(fā)力度，以加快推進(jìn)綠色能源的發(fā)展。SOFC作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，且一次發(fā)電效率為40%～60%，熱電聯(lián)供效率可達(dá)80%以上，被譽(yù)為21世紀(jì)最重要的綠色能源技術(shù)之一，已經(jīng)成為各國(guó)學(xué)者的主要研究對(duì)象。[1-4]對(duì)于SOFC而言，高純度的H2是最理想的燃料，由于SOFC的燃料適應(yīng)性較強(qiáng)，除H2外SOFC可直接利用烴類(lèi)、甲醇、炭等作燃料，可大大降低運(yùn)行成本。目前SOFC依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化主要是因?yàn)?，要保證SOFC的穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境溫度較高，這就要求SOFC在穩(wěn)定工作之前，需要額外對(duì)SOFC提供熱源，該過(guò)程將消耗大量的能量，而且高溫環(huán)境下，對(duì)SOFC的材料要求較高，材料的特性將直接決定SOFC性能、成本和使用壽命。SOFC在溫度較低的環(huán)境下進(jìn)行工作時(shí)，其電學(xué)性能和電極催化活性會(huì)大幅降低、歐姆電阻和電池電極的極化電阻顯著増加，導(dǎo)致SOFC能量密度迅速下降，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換。因此，需要尋找合適的SOFC電解質(zhì)和電極材料，來(lái)改善高溫SOFC和低溫SOFC的缺陷，以提高SOFC的整體性能，使其商業(yè)化成為可能。

1 SOFC的電解質(zhì)材料研究

SOFC的類(lèi)型如圖1所示，根據(jù)SOFC電池組的結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同可分為管狀型、平板型和整體型三種。根據(jù)其工作溫度不同可分為低溫、中溫和高溫三種。其中，低溫型SOFC的工作溫度為300~600℃、中溫型SOFC的工作溫度為600~800℃、高溫型SOFC的工作溫度為800~1000℃[5]，工作溫度不同的SOFC，對(duì)其電解質(zhì)材料的要求差異較大，而電解質(zhì)材料將直接影響SOFC的性能。電解質(zhì)不僅要隔絕燃料和助燃劑，還要將氧離子從陰極傳導(dǎo)至陽(yáng)極。因此良好的電解質(zhì)材料必須滿(mǎn)足：在強(qiáng)氧化還原氣氛下穩(wěn)定存在、擁有足夠高的離子電導(dǎo)率（通常要求要大于0. S/cm）、易于薄膜化加工以及具有較高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)良性能。

圖1 SOFC的類(lèi)型

1.1 中低溫SOFC的電解質(zhì)材料研究

隨著SOFC工作溫度的降低，電解質(zhì)材料電導(dǎo)率也將隨之下降，這將會(huì)導(dǎo)致歐姆損失急劇增加。要想實(shí)現(xiàn)SOFC低溫高性能工作，首先要減少SOFC內(nèi)部歐姆電阻，從而減少歐姆損失。研究表明使用具有高氧離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)材料以及電解質(zhì)材料的薄膜化是實(shí)現(xiàn)SOFC中低溫化的主要途徑[6]。中低溫電解質(zhì)材料主要有：螢石型電解質(zhì)、鈣鈦礦型電解質(zhì)、磷灰石型電解質(zhì)以及復(fù)合型電解質(zhì)等，具體參數(shù)如表1所示。

從表1可知，鈣鈦礦型電解質(zhì)（ABO3）在中低溫條件下電導(dǎo)率較高，是作為中低溫SOFC較佳的電解質(zhì)材料。

由于高溫對(duì)SOFC各部件的熱穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度、電子導(dǎo)電率、熱膨脹匹配以及化學(xué)穩(wěn)定性等要求較高，使得電解質(zhì)材料選用受限，且創(chuàng)造高溫環(huán)境不僅需要消耗大量的能量而且會(huì)導(dǎo)致SOFC的電池性能下降。由于高溫SOFC存在著諸多明顯的缺陷，因此，隨著研究的不斷深入，高溫SOFC將逐漸被中、低型SOFC所取代。適當(dāng)?shù)慕档蚐OFC的工作溫度不僅可以提高電極的穩(wěn)定性、延長(zhǎng)電池壽命，而且更廣的材料選擇范圍可大大降低SOFC的制造成本，更有利于其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。

表1 中低溫SOFC電解質(zhì)材料及性能

2 SOFC的電極材料研究

電極材料也是影響SOFC性能的關(guān)鍵因素，其中陽(yáng)極和陰極材料一般均需要滿(mǎn)足以下幾種特性：（1）較高的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率；（2）較高的工作穩(wěn)定性；（3）與SOFC中的鄰近組元材料化學(xué)相容，且與其他組元的熱膨脹系數(shù)相匹配；（4）具備多孔結(jié)構(gòu)，易于氣體進(jìn)出等。

2.1 SOFC陰極材料研究

SOFC的陰極也被稱(chēng)為氧電極，是氧分子被還原為氧離子的場(chǎng)所。早期的SOFC常以Pt和Au等貴重金屬作為陰極材料，主要是由于此類(lèi)材料在1000℃的環(huán)境下仍能保持較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率，確保SOFC的穩(wěn)定工作。但采用貴重金屬作為陰極材料也存在高溫易燒結(jié)，使得孔隙受堵，以及成本高等缺陷。鈣鈦礦型（ABO3）氧化物材料的出現(xiàn)，則有效地彌補(bǔ)了這些缺陷。其中，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)摻雜鈷酸鑭（LaCoO3）作為陰極材料，在中低溫下具有良好的性能，是目前最有應(yīng)用前景的中低溫SOFC陰極材料之一[15]。

2.2 SOFC陽(yáng)極材料研究

SOFC需要陽(yáng)極材料滿(mǎn)足以下幾種特性：1）在強(qiáng)還原氣氛下仍能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；2）具有較高的混合電導(dǎo)率；3）具有較高的燃料催化能力；4）有較強(qiáng)的抗積碳和抗硫中毒性能。

除Pt和Au等貴重金屬之外，Ni、Fe、Co等金屬元素在早期常被作為SOFC的陽(yáng)極材料，但由于都存在著高溫易揮發(fā)、易燒結(jié)等不穩(wěn)定因素未能得到廣泛應(yīng)用。Ni是一種很好的催化劑，但純Ni無(wú)法在高溫下穩(wěn)定工作。為了利用Ni良好的催化特性，將Ni與其他物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合作為陽(yáng)極材料，成為廣大學(xué)者研究SOFC陽(yáng)極材料的出發(fā)點(diǎn)。其中Ni與 YSZ（Y2O3摻雜ZrO2）復(fù)合作為陽(yáng)極材料，則大大改善了采用純Ni時(shí)的高溫易揮發(fā)、易燒結(jié)等不穩(wěn)定因素。

除此之外，雙鈣鈦礦型電極材料由于具備較高的混合電導(dǎo)率，快速地氧離子擴(kuò)散系數(shù)及表面交換動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及極強(qiáng)的抗積碳能力和抗硫中毒能力等優(yōu)點(diǎn)，也在SOFC的電極材料中受到廣泛關(guān)注。

3 不同燃料的SOFC特性

SOFC的性能除了與電解質(zhì)和電極材料有關(guān)之外，燃料的類(lèi)型也是影響SOFC性能的重要因素。SOFC的燃料適應(yīng)性非常廣，氫氣、天然氣、甲烷等氣體燃料、甲醇、乙醇等液體燃料以及固體炭都可以作為SOFC燃料。使用不同燃料時(shí)，SOFC性能如表2所示。

表2 不同燃料的SOFC性能

從表2可知，在同一條件下采用氫氣作為燃料時(shí)，SOFC的最大功率密度最大，這也進(jìn)一步表明高純度的氫氣SOFC是最理想的燃料。為了加快氫能的發(fā)展，截至2019年底，我國(guó)已累計(jì)建成61座加氫站，加氫站的擴(kuò)建將會(huì)使得獲取氫氣的成本大大降低，這也使得氫氣作為SOFC燃料商業(yè)化成為可能。除此之外，液體燃料甲醇最大功率密度較高，且液體燃料易于儲(chǔ)運(yùn)、成本較低，也是一種良好的SOFC燃料。固體炭作為SOFC燃料一直是廣大學(xué)者的主要研究對(duì)象之一，雖然固體炭燃料易于儲(chǔ)運(yùn)且獲取成本低，但由于其最大功率密度偏低、阻抗偏高以及燃料利用率偏低，使得采用固體炭直接作為SOFC的燃料時(shí)，SOFC的性能較差。隨著世界各國(guó)學(xué)者對(duì)直接炭SOFC研究的不斷深入，相信直接炭SOFC的不足將會(huì)得到改善。

4 結(jié)論

綠色發(fā)展是全世界的共同目標(biāo)，SOFC作為第三代燃料電池，與第一代燃料電池（磷酸型燃料電池PAFC）和第二代燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池MCFC）相比，具有燃料使用范圍廣、燃料利用率高、成本低等明顯優(yōu)勢(shì)，被稱(chēng)為21實(shí)際的綠色能源。但工作溫度偏高一直是制約SOFC發(fā)展的主要因素。隨著SOFC研究的不斷深入，目前中低溫SOFC的性能已經(jīng)得到很大提升，相信在全世界學(xué)者的共同努力下，SOFC工作溫度與性能之間的矛盾將會(huì)進(jìn)一步得到改善，SOFC的商業(yè)化也必將成為可能。

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Research on Solid Oxide Fuel Cell

Shen Yuanxing

( Fuzhou Vocational and Technical College, Fujian Fuzhou 350108 )

As a new type of energy conversion device, solid oxide fuel cell (SOFC) has attracted wide attention from scholars because of its high energy efficiency, environmental friendliness and wide fuel selection. With the warming of environmental protection issues in various countries around the world, the development and utilization of friendly energy has become an important direction for national energy development. Under the impetus of national policies, universities and related research institutions have also increased their research efforts and strived for environmentally friendly The development and utilization of energy will take the lead. This paper mainly analyzes the current development status of SOFC and proposes rationalization suggestions for the future development of SOFC. I hope that through the above discussion, it can promote the development of SOFC.

Solid oxides; Fuel cells; Research

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.002

TM911.4

A

1671-7988(2021)07-03-04

TM911.4

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1671-7988(2021)07-03-04

沈元興（1992.08-），男，助教，碩士研究生，就職于福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：汽車(chē)新能源、汽車(chē)制造。