固態氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell，簡稱：SOFC）是一種電化學轉換設備，跳过了传统发电模式的燃烧和机械过程，將燃料直接轉換為電能，极大提高能量转化效率。燃料電池因電解質材料的不同而不同；固態氧化物燃料電池分为固態氧化物和陶瓷電解質。此類燃料電池的優點包括热电联产的高效率、长效穩定性、燃料多元性、减排以及相對較低的成本。最大的缺點是其较高的工作温度需要更長的啟動時間以及高温带来的機械方面和化學方面相容性的問題。SOFC可以为民用 、商业 、军事和交通运输等提供电源，对于缓解能源危机 、满足电力需求、保护生态环境以及国家安全都具有重大意义 。相比于同样在高温下运行的熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），SOFC功率密度非常高，也排除了液态熔盐热腐蚀的可能性。然而，硫毒化的影响无可避免，一般通過吸附床或其他方式在進入電池之前除硫。
重整
由于SOFC工作在高温下，轻型的烃类燃料诸如甲烷、丙烷、丁烷等等，可以在阳极进行内部重整。另外也可以通过将更重的碳氢化合物进行外部重整获得燃料，如汽油、柴油、喷气燃料或者生物燃料等。烃类燃料在SOFC阳极上游装置中与空气以及蒸汽反应，重整得到的产物包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷蒸汽等。SOFC可以通过燃料电池内部的电化学氧化放热提供给蒸汽重整这个吸热反应，提高效率。此外，诸如煤和生物质的固体燃料可以气化得到合成气，可以在整合煤炭氣化燃料電池系統（Integrated Gasification Fuel Cell, IGFC）为SOFC提供燃料。
启动
SOFC启动过程的升温需要通过均匀调节热膨胀精准控制加热过程。平板式SOFC电堆需要约一小时的时间的加热才可以达到正常的工作温度。微型管状燃料电池将启动时间提高到几分钟的程度。
复合发电系统
SOFC複合燃氣渦輪機（Gas Turbine）或蒸汽渦輪機（Steam Turbine）複合發電系統技術近幾年開始發展。SOFC-GT-ST複合發電系統以天然氣或煤炭氣化合成氣作為燃料，與空氣各自通入電堆陽極與陰極進行電化學反應發電後，排出的廢熱與額外通入的燃料氣再混合通入燃氣渦輪機中進行第一階段的燃氣發電。隨後燃氣發電後的廢熱導入熱回收蒸汽產生裝置產生過熱蒸汽推動汽渦輪機作第二階段發電，最後排出廢熱。整個複合發電過程有效再提高整體系統效率。
优点
SOFC独立发电，分散发电，可以节省电力传输的成本，应用广泛，从車輛輔助動力裝置到定置型發電系統，輸出功率可從100 W到2 MW，对于电网不可及的偏远地区，以及输电系统已经固定的大城市来说有非常重要的作用。SOFC可適用的燃料選擇範圍廣泛，包括天然气、沼气、氢气、煤气、甲醇和柴油等。電極觸媒不需使用貴金屬，降低製作成本。SOFC的工作不受氣候狀態的限制，可不間斷連續運轉。
缺点
目前SOFC高温下运行时，阳极会发生CO歧化以及碳氢化合物的热解，最终产生积碳，造成性能衰减。实际操作中为了避免阳极积碳，而且防止重整吸热对电池造成过冷效应，普遍将燃料外部预重整后再进入电堆。目前SOFC使用具有催化能力的金屬（例如Ni）作為陽極材料，因为镍对氢的氧化具有优异的电化学活性和电子导电性。NiO还原后的Ni金属能够在高温下催化氢气氧化以及烃类的蒸气重整，但金屬鎳的熱膨脹係數較大，電解質不易燒結于陽極，因此多添加30~40wt%的電解質形成陶金材料，以降低陽極的熱膨脹係數，並且使陽極具有部分傳導離子之能力。
2017年，日本京瓷推出3 kW的SOFC应用于小型商业领域。
2018年，三菱日立电力系统公司实现商用250 kW和1 MW规格的联合发电。
2020年，Bloom Energy公司与三星重工合作，将SOFC应用于船舶电源。
现状
目前中国SOFC产业与先进水平仍有较大差距，尚未出现商业化系统，产业链不完善，并且参与的企业较少。100 kW的大功率SOFC系统的设计开发需要解决热平衡系统和电源系统及提升控制策略。电堆发电过程中功率密度增加后热管理困难，使发电效率下降。
结构
SOFC由燃料处理、热处理及换热、电堆发电、电能输出以及电力控制模块组成。电堆发电模块外的模块统称外部辅助设备（BOP）。不同于其他类型的燃料电池，SOFC具有多样的形状结构。大多数类型的燃料电池采用典型的平板式几何结构设计，是电解质夹在电极之间的夹层型的几何结构。SOFC 也可以制成管式结构，其中空气或燃料通过管内，而另一种气体沿管外通过。管式SOFC的优点是可以更容易将燃料中的空气隔绝。平板式的性能目前优于管式，因为平板设计的电阻相对较低。其他结构包括改进平板燃料电池设计（Modified Planar Fuel Cell Designs，MPC 或 MPSOFC），使用波状结构取代平板电池的传统结构。由于具有平板电池的（低电阻）和管状电池的优点，这种设计有一定的前景。
多數SOFC以主流材料Ni/YSZ（陽極）為基材搭配LSM（陰極）、YSZ（電解質）以平面堆疊經高溫燒結完成，稱為平板型陽極支撐電池。另一類為平板型電解質支撐電池。
单电池制备工艺以及新材料的出现下，平板式单电池使SOFC的工作温度由管式SOFC的1000°C降低到600~800°C，并且输出功率密度不低于管式SOFC。平板式SOFC的连接体连接相邻单电池的阳极和阴极，分配气体并且传导电子。电堆具有较为简单的结构，便于装配。单电池可由传统的陶瓷工艺制备，电解质与电极厚度小到几微米，降低内耗。传统的阴极材料由钙钛矿结构组成。阳极材料一般由金属陶瓷组成。含Cr的铁素体不锈钢可以作为电堆材料。
连接体
在平板型SOFC的燃料和氧化劑可以被安排成特定的流道，對於電池堆中溫度與電流分佈有很大的影響。不同流動型態包括Z型流道（Z-flow），蛇行流道（Serpentine-flow）等。流場用來增加SOFC的氣體分佈均勻性並且促進電池間的热传递。另外流場通常設計成具有足夠的壓降以順利經過電池，促進流體在電堆內的均勻性。連接体要求高電子導電度、低離子導電度、低氣體穿透性、工作溫度及氣氛下穩定。SOFC使用的陶瓷材料以鑭鉻氧化物(LaCrO3)為主。运行过程需要注意避免电堆阴、阳极进出口气体温度梯度过大，易导致电堆因受热不均而产生电池片热应力损坏。
生产
传统的单电池生产采用陶瓷工艺制作生胚再经烧结制成多孔电极和致密电解质一体单电池片。共烧结是目前降低成本的的技术难关之一，因为电极材料与电解质热膨胀系数的差异以及可能的高电阻化合物的形成限制了其共烧结的应用。SOFC工作温度与室温的热循环稳定性也是一大挑战。另外单电池的生产也需要解决工作过程中的局部过热问题。通过电堆内部Ni催化剂进行燃料重整，平衡电极热量的同时提供氢气，也值得深入研究。
意义
供电方面，SOFC逐渐将传统的城市中心供电体系改变为分散供电体系，也可以作为车辆驱动外的辅助电源。环境方面SOFC能充分利用化石能源，有效降低发电过程中的氮氧化物、碳氧化物的形成，降低污染。
参阅
- 輔助動力系統
- 微型热电联产
参考
外部链接
*[http://www.fossil.energy.gov/programs/powersystems/fuelcells/fuelcells_solidoxide.html US Department of Energy page on SOFCs]
*[http://www.netl.doe.gov/research/coal/energy-systems/fuel-cells/ National Energy Technology Laboratory website on SOFCs]
*[https://web.archive.org/web/20090606191408/http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-f02-sofc.htm An article in Encyclopedia at YCES]
*[https://web.archive.org/web/20080218055544/http://www.iit.edu/~smart/garrear/fuelcells.htm Illinois Institute of Technology page on SOFCs]
*[https://web.archive.org/web/20130124034344/http://www.ecw.org/prod/207-R.pdf Assessment of Solid Oxide Fuel Cells in Building Applications Phase 1: Modeling and Preliminary Analyses]
*[http://www.csa.com/discoveryguides/fuecel/overview.php CSA Overview of SOFCs]
评论 (0)