固体氧化物燃料电池SOFC

固ft氧化物燃料雷池（SOFC）研究迤展和樊展勤竦官甬英王峰妻哪淑芬2003.1-2003.9文献飘研幸艮告------SOFC研究暹展和樊展勤魅竦官甬英王峰妻哪淑芬摘要毫瓢疑fW,燃料雷池是21世幺己的新的二次能源装置，是解决能源利用效率低和璟境污染曼重fW堰的高新技街，保持人I®文明持SBT展的有效手段。雎然在把燃料雷池推向崖it化方面，K子膜燃料雷池跑在前面，但由於固ft氧化物燃料雷池（SOFC）具有比其高得多的能量利用效率，世界各K投入了大量人力、物力和财力来研究樊展SOFC。固ft氧化物燃料雷池是所有燃料雷池中能量利用效率最高的，可逵90%甚至超谩100%,彝雷效率也能高逵70%,因此在大量消耗能源的重力系统和交通^^俞系统有很大的兢事力，其鹰用潜力很大。作卷固定彝雷站的彝霜檄用大功率管式^言十SOFC和平板式^音十SOFC已迤入批量生崖，家庭辨公本晏瞽院商店等褐立用户的数千瓦至数十千瓦重力外加数十千瓦至数佰千瓦热量的熟重耳第供系统（CHP）的平板式^音十SOFC和在^^俞工具上作卷牵甫助重源用的数千瓦至数十千瓦的It助重力罩元（APU）的板式SOFC也已建立了中生^^。SOFC装置能否象手檄那棣亲y市埸接受，信昌维是市埸的接受程度而道又取决於SOFC的性能格比。多数市埸研究者言，SOFC装置能象手檄那棣在数年内卷市埸所接受，而且市埸封SOFC装置需求的容量非常大。要把道些崖品成功推向市埸的信霰t是SOFC的裂造成本，降低裂造成本可徙雨方面著手，一是使用低格原材料和降低SOFC的^^成本，二是使SOFC崖品能大批量生滥。不少公司正在拢造雨彳固方向努力。本^研幸艮告把重黠放在典固ft氧化物燃料雷池相^材料特别是重解K材料和雷趣材料的研究樊展和SOFC的^制技循噂T展造雨方面。在已研究樊展的六^固ft氧化物燃料雷池重解K中，金乙穗定氧化金告（YSZ）、稀土金腐搀东隹氧化金市（RDC）、城土搀东隹^酸（LSG）、搀东隹氧化K子僖醇SOFC重解K等五^是真正的重解K材料，另一^是材料^言十就是把前五解K材料薄膜有逗择地^合起来形成多唇薄膜重解K。在五解K材料中，彝现最早研究得最多和最成功、也是粽合性能最好和唯一在商品化崖品中使用的是YSZ。它具有作卷SOFC雷解的黑乎所有所需要的特性如在高温下有高的氧化子重醇率但没有霜子重醇率、有高化阜和物理稳定性、高的檄械弓金度、高熟稳定性、典其他雷池^件很低的化阜反鹰性、易加工性和逾中的格等。唯一的不足是它的氧蹄子重醇率不别高，通常需要在高1273K左右的高温下操作，道一不足是可以通谩降低其膜厚度来克服的。但是即便把YSZ重解K的膜厚度降低到5-10微米，卷了逵到足别的霜池性能其操作温度仍须在1023K以上；由於高温操作曾带来一些比较殿重的fW堰如雷池材料和加工成本大幅上升以及晨期高温操作曾带来其他雷池^件性能的逐渐下降等，因此希望樊展能在中温下操作的SOFC重解以降低材料和加工成本，例如使用便宜的金腐材料作卷耳帑结器材料。除YSZ外其他四解材料的氧蹄子雷醇率都比YSZ高，有可能使用做中温SOFC的雷解封氧化金市基重解研究樊现金1搀亲隹的氧化金市（CGO9182和CGO8282）有比YSZ高的蹄子雷醇率和较好的其他粽合性能。到目前卷止，研究彝现CGO的唯一fW题是在高温逮原氯氛下Ce+4曾被逮原卷Ce+3醇致重解子重醇率的滥生使雷池性能燮壤，因此操作温度不能超谩873K甚至773K。如何抑制四金楠t子的逮原是把金市基重解推向用化的逮有待迤一步研究改迤；封搀东隹^酸II基（如LSGF和LSGC等）雷解其氧蹄子重醇率比YSZ高一彳固数量级以上且没有霜子霜醇率，是趣有希望的一槿中温SOFC重解K。研究彝琨，LSG解材料的唯一fW题是他凭在高温逮原氯氛下Ga曾蒸樊醇致整偃解物料化^横的改建。因此，以搀亲生陵酸材料作卷重解K的SOFC雷池，其操作温度一般不鹰超谩1073K，保的温度是不超谩973K,卷了用仍需金崔邹t蒸樊fW题作深入的研究；封氧化^基材料，雎然其氧蹄子重醇率是所有已研究谩的固ft材料中是最高的，但是由於其在逮原氯氛下结情趣不稳定，只能在有保畴才能使用即只能作卷多唇重解K中一唇来使用；封子僖醇的醇ft,能用作SOFC重解的是它伸中的高温子Sft（HTPC）,而能在673K-973温度靶圉内霜醇率逵到0.1S/cm的只有金市酸蜜，道一温度乾圉正好是余色大多数催反鹰的操作靶圉。WBaCeO3能在773K-873K温度靶圉内鹰用，但卷保持其K子醇保持有高至数十大氯屋的水蒸汽屋力。另一子醇ft是蜜-氧化物褛合物，它的温度靶圉典HTPC相同而K子重醇率相封要低一些，但他凭有可能作卷化阜反鹰器的重解K,可以在崖生重力的同畴生滥有用的化阜品或消除污染物（如H2S）。造些逮有待更深入的研究；多唇重解K,卷樊挥中温重解K高氧蹄子雷醇率的特黑占的同畴克服中温重解K存在的fW题，提出了使用曼屑和多唇重解K的解决辨法。雎有不少事利亵表，但如何使曼唇和多唇重解K的性能僵於罩唇霜解仍有^多fW题需要研究如不同重解K材料的匹配和最佳相封厚度的碓定等。SOFC雷池中除了重解材料外逮需要除趣、随趣和曼趣板即耳帑接器三槿材料。封耳第结器材料比较曾罩，高温畴使用搀东隹的斜酸中温畴希望能使用便宜的金腐材料如不^金机封隔趣材料，一般的规划是使用金腐镖+重解K的金腐陶瓷材料，封CGO重解也可使用Sr和Fe在A和B位元部分取代La和Co的金丐歙碱型氧化物金古酸HLaCoO,LSCF,它也可用作隙趣材料，在直接以天然氧卷燃料的雷池中!!示较好的性能。封除趣材料的研究相封较多，高温SOFC的除趣，Sr搀亲隹的^酸II的粽合性能最好。雎然使用其他搀亲隹剜可以在相富程度上提高隙趣的重性能，但是由於雷池的90%的重量在除趣，其格成本上的考更卷重要。但是随著操作温度的降低，^酸II基除趣的重性能已不能满足SOFC的要求，因此封中温SOFC用的除趣材料迤行了官午多研究。封CGO重解K,使用Sr搀亲隹的金古酸HLSC、Sr和Fe搀东隹的金古酸HLSCF以及用II系金腐取代LSCF中的HLnSCF都是性能很好的囹!材料。如果以薄膜YSZ作卷重解K的中温SOFC,用Sr搀亲隹的金I酸HLSF作除趣映雷池的粽合性能要比LSC除趣好^多。卷了增加封氧的吸附解蹄活性，可以使用前述的除趣材料+重解K+金艮的混合物作卷除趣，在某些情况下可以取得更好的霜池性能。因此，封使用不同重解K的中温SOFC的隙趣材料逮有相富大的研究空［W。SOFC雷池和雷池堆的^制技街在很大程度上曾影警雷池的整ft性能。SOFC的^制技街除上是陶瓷薄膜的裂倩技街，一般情况下可以借用陶瓷^制技街和微重子的薄膜裂倩技街。由於在SOFC中重解和曼趣板是^密的而除趣和随趣是多孔性的，需要有在^密薄膜上裂倩多孔薄膜的技街，也需要有多孔薄膜上裂^密薄膜的技街。雎然卷裂倩各^薄膜已樊展出音午多精巧和相IhOt的技街，但卷了降低SOFC的^^成本希望探用低成本的陶瓷薄膜裂倩技街，如带ii、it液浸STirS、育隘罔印刷和等蹄子噫ir等技街。卷迤一步降低^制谩程的能耗，最希望探用的是共技衍即重解趣薄膜屋在一起。探用什麽檬的^制技街典SOFC装置的音十形式有信机文中介貂了管式^言十、平板式言十和管式-平板式^言十使用的基本裂倩技街。典固ft氧化物燃料雷池的樊展和商it化密切相^的fW题，除本文押述的SOFC重解K材料、霜趣材料和雷池的^制技街外，固ft氧化物重解K理^、固ft氧化物溶液基磁研究、SOFC用燃料的加工技街、氢氧的生崖和分蹄以及SOFC市埸；分析等fW题也是趣卷重要的。有可能的音舌也鹰封道些fW题迤行辞系田的^查研究以利於SOFC的更笺IT的樊展和封SOFC技循^的更全面的瞭解。基於封大量SOFC文献的查研究及分析，结合我凭的除情况，形成封SOFCKir研究的某些思考和初步建it如下：我凭目前正在K展的纳米陶瓷和相信昌醇重材料的研究的逗题和研究思路方向瓢疑正碓的，鹰研究mr新的中温氧化金市基雷解及相鹰的中温雷趣材料如可能，力量迤行能抑制^蒸彝的搀亲生陵酸II基重解K、除趣和隔趣材料的研究，mr研究完全由^酸II基材料（曼趣板材料除外）横成的固tt氧化物燃料雷池，研究它凭作卷氧分蹄材料的可能性；一定研究力量迤行固ft氧化物K子醇ft材料的研究，目檄是用它横成同畴能樊雷和生崖有用化阜品（或消除污染物）的SOFC,她研究它凭作卷氢分H器的可能性；利用成熟的固ft氧化物重解KYSZ研究樊展可靠和廉的SOFC模^的^制技街以及反鹰物流供鹰、操作控制和功率^整等SOFC装置不可缺少的It助技淅目金景摘要TOC\o"1-5"\h\z前言1一、SOFC的僵势2二、不同^言十SOFC的樊展及鹰用5（一）管式^言十SOFC的樊展及鹰用5（二）平板式^音十SOFC的樊展及鹰用9（三）其他形式的SOFC18三、重解K材料20（一）、氧化金告基重解K20（二）、氧化金市基雷:解K22（三）、^酸II基（LaGaO3）重解K34（四）、氧化^基重解K45（五）、K子僖醇重解K471、使用温度低於373K的K子醇重材料502、使用温度在373K-463K^的K子醇霜材料503、使用温度在463K-623K^的K子醇甯材料514、使用温度大於463K的K子醇重材料51（六）、重解K的多唇化53四、雷趣材料和速接器材料56（一）、高温（1173-1273K）雷趣材料和耳帑结器材料571、除趣材料572、随趣材料613、耳帑结器材料63（二）、中温（873K-1123K）雷趣材料和耳帑结器材料641、除趣材料642、隔趣材料803、耳帑结器材料81五、固ft氧化物燃料雷池的^制技街81（一）、管式SOFC的基本制工蓼841、空氟重趣（BS）的^制852、空氟重趣（BS）的^制863、重解K的沉稹864、霜池典霜池［W的接斶865、燃料霜趣的沉稹866、燃料霜趣的86（二）、平板式SOFC的^制方法861、隔趣板的裂倩872、重解K薄膜的裂倩873、除趣薄膜的裂倩874、耳帑结器的^制875、板式SOFC雷池堆的密封886、室^制SOFC的某些有意羲的结果88六、要黑占和结束言吾97A、SOFC的僵势和鹰用97B、SOFC的重解K材料98C、SOFC雷池的其他相^材料989999100D、SOFC9999100余吉束亘吾参考文献、乙刖百重力供鹰和货物人是现代生活的基够，而造雨者也是最主要的耗能大户，典能源的巨大消耗聚密相信队筮所周知，^事俞行棠的能量利用效率是低的。在21世幺己的一彳固聚迫和晨期的冏题是能源和璟境冏题，即如何第余勺有限的能源资源和如何降低二氧化碳和其他污染物的排放。在富今的ior世界上，能源冏题可叙述卷：封樊逵k家如何减少^的能耗，封樊展中k家如何建立起最先迤的有效利用能源的tt系。卷逵到道彳固要求，我凭急需在樊雷和^事俞丽彳邮滇域中mr高能源利用效率的高新技循:。就彝雷:技循1的球!畤4犬熊而言，先il的^合迪I圈(ACCadvancedcombinedcycle)也即燃氯檄和蒸氯透平檄的^合樊雷系统，其樊雷的效率已能超谩50%作卷一槿高新技街，固fl氧化物燃料雷:池(solidoxidefuelcell)SOFC富其典氯tl透平檄相结合liil定II行畴能提供使用碱物燃料畴的最高彝雷效率65-70%。但是，ACC^nm合SOFC勺高效率不可避免地使系统缺乏操作弹性。换句言舌道些^合系统不可能随重力负荷的大燮化而有所改建(醇致效率的趣大降低)，因卷它俯是由雨彳固褐立系统^合而成的。卷了满足重力的峰值H荷，常探用抽水蓄能彝存重能，或使用次级雷池来It存重能。雎然不能否定It存重能的辨法在力分怖中的作用，但道不是一彳固聪明的辨法，因卷它也是需要消耗重能的。常然也能用其他辨法来替代It存重能，如探用日常停K(DSSdialystopandstart)操作模式和樊的波勤操作，道雨彳固辨法目前在大型彝雷摩中也探用，但是，封大型彝雷透平檄使用停K和波勤操作是非常瞿富的。如何满足重力负荷波勤的要求是现代重力系统I1以避K的fW题。封能源的末端使用而言，其要求不是稳定的，特别是封家庭、辨公室、商店等地方以及^事俞埸合。如果有小规模但又是高效的樊雷檄，就很逾合於负荷波勤的要求。很受推蔚的一槿方式是熟重耳帑供，因卷它能在很大程度上提高能源效率。可以颈料SOFC能比现畴的系统提供更高的效率，不^是或是熟重耳帑供的情形都市道棣。如果能把樊重檄的大小降到数千瓦而且又是高效的，道棣的樊霜檄就能卷筮多的使用者采接受，例如家庭、商店、辨公盛、小工等等。因此探用ACC和/或SOFC-OI透平用於基本荷而把分散且能波勤操作的SOF明於峰荷的^合^^是比较理想的，合樊雷系统可能是21世幺己信身维能源系统之一。^似地，能源效率趣端低的^事俞系统也^^改迤，道偃IfW题也是典减少有害污染物K如SO、NO和熟浮微粒(SPM密切相^的。提高效率和消除污染是SOFC勺雨大特出僵黑占，但封典有快速改彝要求的汽事SOFCt不具有僵势。相反次级雷池在^^^用中有很强的兢事力，因卷它能It存低谷畴多绘的重力而且不排放污染物。已有很多幸艮告指出聚合物重解K膜燃料雷池(PEMFC受到很大的重视，因卷它能消除或降低次级雷池汽事存在的不少fW题，特别是在充重畴^、自身重量和高格方面。但是，PEMFC1有自身的冏题即如何在汽事上重整燃料，因卷PEMFCR能用氢作燃料。如果我凭使用甲醇作燃料因卷它易於重整，但是我伸曾因合成甲醇而损失很多天然氧和/或石油的能量。此外我建立一套甲醇分配系统。造些fW题在所需的“氢燃料汽事”情形中是曾建得比较殿重的fW题。^^注意到，在以煤卷主要能源系统中，甲醇或二甲醛徙污染的IB占看是可以别接受的液ft燃料。煤氧化可以消除来自煤的污染物，而甲醇和二甲醍是煤氟醇化而来的液ft燃料。如果把我凭的注意力集中於效率，柴油檄提供的效率比PEMFCE高。柴油檄的fW题是它曾排放污染物如熟浮®(粒物SPM^氮氧化物NO。探用高氧/燃料比燃^能别减少SPM勺生成，而且在高氧氯氛下生成的NO能用添加尿素来消除它。如果柴油檄能消除污染满足污染物排放规定，优效率的IB占看PEMFC1法典柴油檄兢争，只有SOFCWH曾典柴油檄兢事。一、SOFC的侵势燃料雷池是一彳固在把化阜能直接醇化卷霜能的同畴提供一定量的热能的装置。雎然其基本原理早在十九世纪就已^提出，^谩三起三落的彝展直到上彳固世幺己九十年代才得以高速的樊展。其中的一彳固最重要原因是人伸逐IB忍^到，随著现代文明特别是现代工it的樊展封人舜oa以生存的璟境造成了愈来愈I!以接受的破壤。资源利用的低效率和它的大量消耗殿重影警人^文明的持樊展，非常有必要研究和彝展高效低污染的彝雷系统和能量醇换装置。而燃料雷池正好是道棣一^装置。已mr和正在mr的燃料雷池，按所用的雷解分^有^性燃料雷池（AFC）、高分子重解K或K子交换膜燃料雷池（PEFC或PEMFC）、磷酸鞭燃料雷池（PFC）、熔融碳酸鞭燃料雷池（MCFC）和固ft氧化物燃料雷池（SOFC）。前三^即AFC、PEMFC和PFC腐低温型的燃料雷池，它伸的操作温度低於573K,彳麦即MCFC和SOFC腐高温型燃料霜,操作温度高於873K,其中高温SOFC的操作温度卷1173-1273K。热力阜分析指出[1],燃料雷池不像各I®熟檄那檬效率受卡圈的限制，不管是低温型的逮是高温型的其樊雷效率一般都可以逵到40-70%,能量利用效率一般高於50%,高的可逵90%,甚至超谩100%o就各^燃料雷池系统而言，高温型燃料雷池的彝雷效率和能量利用效率都要!!著地高於低温型燃料雷池。封低温型，由於燃料需要外重整（有资料指出，燃料迤行外重整畴的效率一般要比内重整低5-7%）再加上系统内部的消耗如循璟凰扇和控制系统以及燃料雷池崖生的高嫡值的低温座热不能再用於樊重，因此其效率只能逵到40%;而高温型的燃料雷池不彳堇可以典透平檄耳帑用而其滥生的是低嫡值的高温座热能用於再樊雷或用作燃料重整的热能，使其樊雷效率可超谩70%,熟效率可大於80%（道是美K能源部自1999以来追求的目檄）。热力阜分析逮指出，如果把燃料霜池用作卷^合供重和供热的熟重装置（CHP,combinedheatandpower）,即」其雷:效率可超谩50%而能量效率可逵到90%,也即此畴的热能利用占40%富高温SOFG口透平檄耳帑合用作卷熟重耳第供装置畴，重效率可逵到70%能量利用效率也是90崛口都能利用彳堇占20%如果再加上热泵，它消耗燃料能量的7%雎使重效率降至63%但能使都利用增加13%使其利用的热能利用逵到^燃料能量的40%因此道I®SOFCm透平檄再加热泵系统的^能量利用效率能逵到103%由於能量利用效率大幅度提高使化石燃料的消耗得以大幅度下降，优而使排放的温室和污染也能有很大的减少。上述的言寸^^明，雎然所有燃料霜池的理^效率是一檬的在50-60%,但封燃料雷池系统而言，在所有各^燃料雷池系统中SOFCF口MCFC勺理^^效率和理^能量效率是最高的，而SOFC勺操作温度又高於MCFC因此SOFC勺理^^效率和理^能量效率也高於MCFC它封璟境改善的贡献也可能是最大的。SOFC具有最高的理效率和理^能量利用效率彳堇彳堇是其最突出僵黠之一，它的另一彳固突出侵黑占是其廉泛的逾用性。优鹰用方面看，它既可以用作大型的固定彝雷站，也可以用作小型的家庭辨公^等的熟雷耳帑用装置（CHP,逮可用作^事俞工具中的It助雷源APU系统。优结横方面看，作卷一彳固系统，SOFCM有曾罩性。H1SSOFG□其他燃料霜池作了示意性的比较。燃料雷池系统的信昌维之黑占在於它需要一彳固燃料重整系统，道彳固必要性使燃料重池工建得褛亲隹了，旋且卷燃料重池格的降低和小型化裂造了障碾。而SOFC勺一彳固便黠是在它自身内部有可能包含造^燃料重整系统（内重整器），而且它俯是可以形成罩一的整ft结横的。其他^型燃料雷池需要一彳固外重整器和相鹰的燮换反鹰器，因卷其他^型燃料重池彳堇能使用氢作燃料畴才能滥生雷力，只有SOFCF口MCFC&能使用一氧化碳作燃料。其次，SOFC&-偃合循璟系统中作卷罩彳固系统仍具有高的效率。如H1所示，SOFC&崖重力、未利用燃料和高温座熟，而其他燃料雷池彳堇生崖重力和低温屡熟。未利用燃料和高温座热能别用於彳麦^循璟系统如透平檄中。道一差别来源於SOFCW内重整和高温操作。内重整可以把在SOF计的不可逆热损失回收作卷吸熟重整反鹰的热源。SOFCI窿勺了用作其他燃料雷池外重整热源所需的燃料，其量逵到燃料^消耗量的25%因此，作卷一彳固整ft系统，SOFC能别有比其他燃料雷池更高的效率。第三，在SOFC乍卷罩一装置情况下，它仍具有高的效率。优效率IB占看，^^言忍卷外燃料重整谩程曾!!著地降低效率。SOFC能提供高的效率，一是因卷有高的燃料利用率，其次是由於在高温下重趣活性很高，熟能能被内重整回收，第三是而彳麦的循璟系统能利用未反鹰的燃料和高温座熟。如何在没有彳麦循璟系统的情况下仍能保持SOFC勺迨些醇致其高效率的有利特驯是小容量SOFCF口中温SOFCW—偃技街。封小型中温SOFCW情况，再考察一下其热力阜是有好虑的。下述反鹰表示重整燧重化阜氧化（燃料雷池氧化）的三槿可能的情况。TOC\o"1-5"\h\z情况ACH4+2O2?CO2+2H2O(1)情况BCH4班？C+2H2(2)C+2H2+2O2?CO2+2H2O(3)情况CCH4+H2O?CO+3吨(4)CO+3H2+3/2O2?CO2+2H2O(5)ru-i12--^工班kJIHa3iti—Iwmlii、」Kfrctirwrty、.>'U<URrFotH|¥ru-i12--^工班kJIHa3iti—Iwmlii、」Kfrctirwrty、.>'U<URrFotH|¥.ihiJ4iiXOBlI^Hk-*J4llfaJ(H.-HIjO《m3HsfflrFK><4CO*lHrl强国hLlIlMHd湾"KKlff■1Ui-iMir^*4jFCGrt呼，11师1il.su।CTHIilIJi»<T>tJii|+jIi!ar*211(0g"Ti9SolidOiideFuelCelhwithRdlbrmincEkaiid环l««kJ11gI-liMndlivk*vi^■费；H：‘sandiirIWcdl&情况A在高温下是有利的，但是逮未得到碓情况B逮未作很好的研究，因卷被碳沉稹所阻隔，如何使其取得迤展以樊展能别快速撤:勤SOFC。富温度低於923KBI,情形C燮得有利了，而蒸汽重整在此温度以下建得不利了，如2圈中的上面部分所示。常燃料是高碳燧畴，分解反鹰（情形B）燮得估僵势，但重整仍然需要高温。理想的情形是，内重整回收热量，高燃料利用率（接近95%是最理想的），没有雷趣活性的降低，燃料雷池在较低温度下Xo封此情形的信昌维技街是高活性的雷趣和在较低温度下的内重整。第四，SOFC在可建荷操作畴仍有逾鹰性，即在进1行新|1-撤重J（throttledown）操作畴仍具有高效率。燃料霜池在较低重流密度畴有较高的燃料醇化率。因此燃料雷池通常是在比它伸的最大功率事俞出低的功率事俞出黑占上^行。雎然封通常的SOFC卷保持高效率和有效的格性能比^是要求在稳定负荷下操作。但是，招来鹰用於峰负荷的樊雷檄情况曾建得愈来愈重要，封此，低负荷下的高效率不彳堇成卷SOFC勺一大僵黑占，而且封未来重力系统来^也是一大僵黑占。想在一家庭中有一偃I3kW的SOFCT^装置，它不彳堇能在300W基本JI荷下以非常高的效率行以提供家用重器如冰箱的用雷，而且也能别以足别高的效率事俞出3kWll力以满足峰荷的需要。封道槿燮负荷操作需有熟撤:勤谩程或者能快速“冷撤重J"。SOFC!寸道勤是有可能的，-x-Al.-<H4+3O2-<一—4<；=C<WII：+3C>2*<—HI<)-40=(.+2E12+202-C(>2+2J12JI4-*C'+2H2(tk11Uta1-♦iiG=C*1114+61120'i3H2+6<Olrcibrminfi)-*-H4+HIO-CO+JUJ{re^it—^-A<■(KHI4*6(J+TH2|iltL-irm|h»*ilicih-n-A<J=<2H6—21+^112(Jtc«dnpu^irioii)-9-AC=C2114+2HIO-2CO+?H2H匕Mrmin#Fig.2.IhcrmnchririLCjIsystem仆『rribmime.thennaldrvmnpi%1-riciTLandfuel0rlii?rncr;itH-mL卷此作如下的言十算：假定，一SOFOt池堆的功率事俞出是1kW/立升，重量是5kg,其比^1J/g*K;卷使道一霜池堆的温度优室温升到923K,需要的热量是3.5*106J即1kWh(1*5000g*700);池的ft稹卷1升(10*10*10cm),有一厚1cm的隔热唇其都醇率卷5*10-2W/m/K,其在700KBe的散热速率210W(5*10-2*6*10-2*1*10-2*700)(如使用真空容器能趣大地降低适一散热速率，例如在Na-S雷池或SulzerSOfC所做的那檬)。道一粗糙的估算指出加热雷池堆的热损失要大於把雷池堆保持在高温畴的损失。由此可以^卷了能别快速撤:勤和鹰答，SSOFCW言探用把雷池堆保温的辨法是有好虑的。封不同情形可探取不同操作模式：1、封小型固定鹰用，如家廷、商店和辨公室等情形，探用高效率下的11fli(throttled)模式；2、封小型移勤鹰用，可揉用把雷池在保温畴期滥生的重能It存到It助雷池中或接到重女同上(如可能的言舌)，但道彳堇逾用於大客事、载重卡事和言十程事，不能用於私人汽事，因卷彳麦者一般只在遇末使用。前面的制明，SOFC具有音午多侵黑占，特别是由於SOFC的高温操作，使其能封多槿燃料迤行霜池内重整，池内重整不彳堇能充分利用雷池中化阜反鹰所滥生的反鹰熟而且使重池堆的整龈剂f更卷豁敷不像低温操作的燃料雷池AFC、PEMFC和PFC,需要配儡！大而的外重整其提供用作雷池燃料的氢氯。也是由於SOFC腐高温型燃料雷池，它瓢需用金腐催化剜，使霜池的裂造成本下降，相反在低温型燃料雷池中，卷使雷趣反鹰有足别快的速度，通常需要用贵金腐催化剜，醇致其造僵的提高。此外逮^^提及一些其他侵靴例如，在前述的五期然料®也中，只有PEMFC和SOFC是固ft重解£其绘三函然料雷池使用的都是液ftt1解K,因此存在液ftt1解K的腐食蛆曳漏而厚致雷池性能较快下降以及封它的管理fW题；即便是PEMFC,由於在低於273K温度下操作生成的崖物水一液相形式存在，因此仍然存在液ft水的管理fW题，而且用作PEMFC重解K的高分子K子交换膜封水蒸汽分屋的要求很苛刻，太高了K子膜被水淹，太低了K子膜乾了，道雨槿情况都能醇致其K子醇重能力的大幅度下降。只有SOFC是真正的全固ft,其^行有很高的可靠性和耐久性，而且可迤行模式装配（modularity）也即稹木式装配。此外，SOFC也富然具有其他燃料霜池具有的僵黠：瓢醇勤部件使其在^行畴既瓢振勤也瓢噪音；雷池反鹰的崖物主要是水和少量的二氧化碳和未反鹰完的燃料，完全不排放氮氧化物和硫氧化物及火电魔等污染物，非常乾净和璟保等。、不同SOFC的彝展及用（一）管式SOFC的赞展及鹰用作卷把化阜能醇化卷霜能的装置，SOFC的樊展的最初目檄是用作彝雷摩中的樊霜檄提供重能。在SOFC系统的彝展谩程中出现谩多槿雷池的^言十，雨槿最常用的SOFC的^音十是管式和板式。封管式SOFC音十可以用Siemens-westinghouse的乍代表苑^明，如H3所示。Sr-或Ca-搀用隹的LaMn031t趣基ft管是用摘屋和^^法制成；YSZ重解K用重化汽相沉稹法以余勺40微米的^密唇形式沉稹；S/YSZ随趣既可以用镖/YSZit液^^的方法也可以先沉稹液再用化阜汽相沉稹YSZ的方法。搀用隹的斜酸速接器沿池管晨度方向用等蹄子噫ir法沉稹。管式^音十的SOFC的一端是封朗的。在操作畴，氧化剜（空氧或氧氧）通谩位於雷池管内的陶瓷噫射管引入到雷池封朗端附近的噫射口流出通谩由雷池和同事由的噫射管形成的璟状空［W;燃料由重池管外部封朗端流向雷池管K口端，在燃料流谩霜趣表面畴被重化阜氧化的同畴崖生重力。霜反鹰彳麦的氧化膂愉hl池管的K口端流出，典已有部分消耗的燃料氯在彳麦燃^器中混合It燃^。一般情况下，在重化阜反鹰中燃料的利用率卷50-90%。没有利用燃料的一部分可再退圈到燃料流中，其绘的被燃^以H熟新鲜空氟和/或燃料氯。优燃料雷池出来的屡氧的温度典操作修件，有^一般在873-1173K之忸SiemensWestinghouse公司的管式言十的100kWSOFC在荷赢已^行了逮超谩14000小畴，而25kW的SOFC在日本也^行了13194小畴以上。它「睛十重在2004年建立250-1000kWSOFC的熟霞聊供彝雷站和300-1000kW的SOFC/透平^合彝雷系统。到目前卷止，管式^言十是迤展得最好的，已生崖出高逵250旺的彝雷系统。卷了把罩一管状雷池结横成一彝雷檄，需要先把它伸以Uli耳帑和串耳帑的形式装成一半刚性的管束，如H4所示，管束是樊霜檄的基本横现。由镖条命^而成的镖带用於提供低雷阻的勒:檄械件（compliant）雷池速接器。道一镖带一暹典随趣的镖®（粒相速，另一暹典串耳帑管状雷池的Fig.3Tubularsolidoxidefuecelldesign镖板耳帑结器相速，它同畴也速接到第的相郝管状雷池的隔趣上。霜池束串耳帑排列以形成所需的重屋和彝霜檄模^即雷池堆，如H5所示。适些模^迤一步串耳帑和她耳帑形成SOFCX檄。100kWSOFC雷池堆由排列成12束列的1152雷池横成（直^2.2釐米，活性晨度150厘米）每一列由四偃池束^成。^系统在荷赢以没有迤一步浮化的脱硫天然氧卷燃料成功地操作了雨年而性能没有明!!的下降。它以47%的重效率提供108kW的交流重供给重女罔，It有大余勺85kW的热水提供给^地的热力系统。管式SOFC也已在高至15大氯的氢和天然氧作燃料迤行了操作。在高屋下操作能在任何重流密度下得到较高的霜池功率，因卷能斯特重位增加她降低了除趣趣化，因此有较高的雷池堆效率和较大的功率事俞出。在加屋操作下，SOFC能成功地被使用作卷氯醴透平檄的燃器的替代物，道^数GW的混合加屋SOFC-透平樊雷系统其重效率可以逵到70%,因此醇致燃料消耗的降低和罩位重力事俞出的投U成本的下降。Siemens-Westinghouse雷:力公司在SouthernCaliforniaEdison的资助下，裂作了一彳固有代表性的250kW加屋SOFC-透平混合彝雷系统用以概念ft明ttiU道一混合Fig.4CellbundlerowoftubulardesignSOFC

□E.ktT□E.ktTflJUOLEFig.5600KWcellstackoftubulardesignSOFCFig.6aconceptdesignof1.8MWtubularpressurizedSOFC10000800060010000800060004000.2QQ0.0000100200300400500600CurrentDensity(mA/cm3)Voltage-currentdensityplotsoftypical2.2cmdiametercell系统的SOFC模^（由直2.2釐米晨150釐米的1152彳固雷池^成）常在3.5大氯操作畴提供大条勺200kW的重力，透平提供余勺50kW。道一第一彳固混合重力系统以脱硫天然氧卷燃料畴的重效率H言十是余勺57%（基於LHV）。系统安装于加州大Irvine分校的K家燃料霞池研究中心（NationalFuelCellResearchCenter）,/1畴正在进1行概念II明更大的1.8MW加屋SOFC的概念^言十彝霜檄示於圈6中。很大数目的管式SOFC已作谩晨逵25000小畴的1mttia。道些雷池的性能是令人满意的，在不同操作僚件下的行的^^内性能下降每1000小畴小於0.1%工Utt瞬的管式^言十SOFC直^2.2釐米，有活性的雷池管晨度150釐米。常用89%g氯+11%水蒸汽作燃料（85%然料利用率）和以空氧作氧化剜（4倍於化阜言十量比）在1073K、1173K和1273K畤的霜屋霜流特性给於H7中。瞪明，空氟中和燃料中混有少量用解01寸道^SOFC的晨期性能没有!!著影警。在空氟中的水汽彳堇使重屋有整微的下降，原因是由於氧分屋有整微的下降。封二氧化硫，其在空氟中的浸度在2Ppm（它是美H璟保部EPA封空氯量檄型的14倍）以下畴不曾有重屋损失。常用含海水漏汽操作畴，曾有重屋损失道也是由於水蒸汽使氧分屋下降之故，大部分蜜流谩雷池彳堇有很小的量沉稹于空氟重趣管内部。如在燃料流中添加5000ppm氨，在2500小畴ttia中没有彝琨茎寸SOFC操作有负面影警；氨事上作卷燃料使雷池重屋增加。含1ppm氯化氢也未彝现有可椀喂U到的影警。但是，如果燃料中含有1ppm硫化氢，即」曾使雷池在前24小畴的重屋下降10%此彳麦，在重屋-映^曲^中有一^慢下降的斜率。如果把硫化氢徙燃料中除去，损失重屋的大部分能得以恢彳复，明硫化氢封重池性能的影警是可逆的。封道^SOFC迤行优室温到1273K的热退圈操作即便超谩100次，也未樊现有任何封重池的檄械彳褰害和封重性能的影警。要使道I®SOFC能商棠化作羔懑rn檄，具有道棣的热退圈稳定性是很必要的。SOFC在加屋1.5MPa下用量或天然氯迤行了H8给出了上述SOFC在1273K温度畴的^果。

BCQMcgsod=3(M%ulMuUon)

口*dil:&rBCQMcgsod=3(M%ulMuUon)

口*dil:&r同vw^Z|"100200300400500600TOOCurrentdentify,mA/cm1Effectofpressureoncellpowerat1273KSiemensWestinghouse公司自1984年一来就致力於樊展管式音十SOFC,其研究展如下：他小号建造的雨彳固25kW的管式SOFC系统，每一彳固由576根是150cm直^2.2cm的除趣（搀用隹的LSM）H载重池横成，用重化阜氟相沉稹（EVD）法iTSll解K（YSZ）,使用同檬的EVDirS燃料隔趣（Ni-YSZ）,用等蹄子噫ir（ps）技街沉稹耳帑结器（lsc）。其中一彳固由美防部先进1研究tHl署（USDepartmentofDefense'sAdvancedResearchProjectsAgency,ARPA）It助，安装於美HI加州的GrandTerrace（靠近SanBernardino）的南加州Edison公司的Highgrove樊雷站。除了SOFC樊霜檄外也配倩了位於SOFC雷池堆外的燃料重整器，使^燃料雷池系统既能用天然氧操作又能用其他燃料如DF-2柴油和JP-8噫氧透平燃料重整彳麦的燃料操作。系统在事案於1996年初完成前就成功地操作5582小畴，766小畴用JP-8噫氧透平燃料，1555小畴用柴油，3261小畴用天然氯。在道段^^内，系统迤行了五次都退圈。封道三燃料的每一槿燃料崖生高逵27kW的重力。操作道段^^彳麦未彝现有性能下降。在1998年1月，封BSOFC樊题t未做任何改迤，又在加州大阜Irvine分校的K家燃料雷池中心用天然氧重新成功敬勤悼恩言方！行已超谩25000小畴以上。另一系统是卷大阪和柬京公司建造的，用脱硫天然氧成功^行13194小畤，每1000小畴性能下降0.1%在操作期附t到25kW的功率事俞出，完成了10次热退圈。100kW樊雷系统於1997年12月在荷H解描！行，由荷赢和荷赢人社H（EDB/ELSAM）共同资助。^系统安装It操作於靠近Arnhem的Westervoort作卷一域供热系统。总］NUON所有，道是EDB共同ft的五彳固荷赢供氧和供重耳帑合ft之一。系统由1152根晨150cm直^2.2cm的重池横成；道些重池是棣品雷池，言十重用於商ft化SOFC目前^系统给雷女罔送100kWAC以上的重力，霜效率43%（AC/LHV）。此外，系统生崖余勺85kW的热水供给地性的局部供热系统，使^的能量利用效率（100kWAC）逵到73%^系统的最大重力事俞出卷浮160kWAC。大氯屋下操作的具有樊雷效率（AC/LHV）在45-50%靶圉的SOFC系统非常逾合於作分散的彝霜檄和熟霜耳第供樊雷檄。富SOFC在高屋下操作且典氯ft透平（GT）耳帑合畴，有可能提供更高的樊雷效率。混合系统可按所逗用的透平和所需要的容量迤行不同的^合。封最曾罩的SOFC/GT^合，能别逵到60-65%的重效率。如果都再退圈用於另一彳固透平，霜效率大於70%是可能的。千瓦级的商棠化SOFC-GT樊雷系统，由於其高的效率、高可鹰用性及低的雉格，典相似大小的其他彝雷系统在格是有兢事力的。目前SiemensWestinghouse公司已裂造250kW的混合加屋SOFC-GT樊雷系统用於概念的瞪明，由EdisonTechnologySolutions（ETS）资助。系统由200kWSOFC雷池堆（1152根晨150cm直^2.2cm®也横成，在余00.35MPa下操作)和50kW微透平彝闻踞1成而言十的重效率逵到57%浮AC/LHV)。^系统已安装於美K加州大Irvine分校的K家燃料雷池研究中心，以脱硫天然氧卷燃料迤行概念瞪明ill1管式SOFC的重流密度在1273K畴卷0.25-0.30W/cm2。道棣的低功率密度使管式SOFC彳堇能逾用於固定的封^事俞方面的鹰用不是非常有吸引力的。(二)平板式SOFC的赞展及鹰用前面已指出，管式^言十SOFC由於其事俞出功率密度低只能用於固定的彝雷装置。相反,SOFC的板式新旧111可以提供大到余勺2W/cm2的事俞出功率密度，完全能别逾用作卷可移勤的彝雷装置，富然用作卷固定樊雷装置也是毫瓢冏题的。H9所示的是具有代表性的板式^言十SOFC罩霜池^彳H10是平板式音十的SOFC的雷池堆结横。平板式^音十的SOFC的雷池^件黑乎都是薄的平板。耳帑接到雨雷趣上的槽形的曼趣板形成了流勤的通道，它不彳堇作卷速接雷池随趣和隙趣的重速接器而且也作卷隔蹄燃料和氧化剜氯ft的曼趣分It器。雷:池探用低成本的通用陶瓷加工技循1如带(tapecasting)、(slurrysintering)、蹄罔印刷(screenprinting)、等It子嗡H(plasmaspraying)等技循^制。在H除上，不同的阈家、罩位和^已樊展出若干不同的板式SOFC1^#,而且揉用不同的裂造工蓼，可分卷霜解载、除趣H载和氧趣H载板式SOFCi^th在重解KU载的板式SOFC雷池^言十中，重解K的厚度(有代表性的重解K是金乙稳定化的氧化金告YSZ)一般是50-150微米，由於重解较厚重池的欧姆雷阻高，因此也彳堇逾合於在高温1273K下操作。在重^板式SOFC,雷解的厚度能KI!著地降低，一般是5-20微米，因此降低了雷池的欧姆雷阻，因而有可能在较低的温度如1073K下或更低的温度下操作。通常逗择隔趣(Ni/YSZ金腐陶瓷)作卷H载ft,因卷它有很高的都醇率和重醇率、也有很好的檄械弓金度以及典甯解KfW的化阜相互作用最小等便黠。斡«的Kimd等在置瞬室内已制成功1073K畴的功率密度逵1.8W/cm2的姗载的板式SOFC。在西北太平洋K家置瞬室(PacificNothwestNationalLaboratoryPNNL)也$0出ill似的圜m载板式SOFC,他小号用相蠹法裂借系110微米厚的YSZ重解K和余勺600微米厚的Ni/YSZ圜1,她在一起於1623K温度下共燔^1小畤，囹®是Sr搀亲隹的^酸H(LSM),LSM+YSZ,或者是Sr搀亲隹的金戴酸H(LSF),用曾隘同印刷法把它^到重解上然彳麦再。适些雷池的性能很大程度上取决於除趣和除趣/重解K介面的微结横。PNNL正在做道方面的僵化工作以逵到高而稳定的霜池性能。封道颊甯趣在1073K畴能逵到的最大的事俞出功率密度卷1W/cm2(在0.7VBI,空氧作氧化膂1,97%H+3%HO作燃料)。下面封世界上有代表性的K樊平板式^音十SOFC公司的崖品和樊展情况作一定的介貂。AnodeInterconnection(BipolarPlate)CathodeElectrolyteAnodeFig.9Planarsolidoxidefuelcelldesignctectriccurrent■epiirslDrpUlc4noekcledrolyiecithodeFig.10ThesructureoftubulardesignSOFCstackFig.1125kWmoblepowersystem1、Ztek公司美K的Ztek公司，它的目檄是彝展可移勤和固ft埸地鹰用的板式SOFC的共彝重系缸他凭自言忍原y,自1984年以来Ztek公司已虞於固ft氧化物燃料雷池彝展包括集成工系统的前列。到目前卷止，Ztek已裂造出25kW的SOFC系版整彳固系统可装於一辆卡事上，如H11所示，^系统已成功操作超谩25000小畴。他「酷忍卷他伸的板式SOFC元件结横曾罩、裂造格低、能以趣高的效率回收高K量的付滥物座熟和系统的整ft性曾罩，因而他伸的板式SOFC有替代现彝雷系统的潜力。现在，Ztek卷掩得最大的能量效率正在建造一彳固包含150kW燃料雷池工和50kW微透平或50吸收深冷器/加热器的整ft樊雷系统或熟雷系统。Ztek正在完成使SOFC在大小、重量、格和容易操作等方面满足市埸需求的棣檄的^言十和明。用他凭自己的事利技街，Ztek已完成滥品^言十，品具有^包尺寸卷2.5mx2.5mx2.5m和重量7帆Ztek言十重要在2003年完成系统的解始商it化的前期工作。Ztek已卷它的技街申言青了廉泛的知言割岸^保!!以保持其在商ft化迤展中的领先地位。Ztek的平板SOFC技街在樊霜领域具有特别大的潜力，因卷：元件结横的曾罩性、低成本裂造的能力、很高K量付崖的熟（高逵1273K）和系统整ft的曾军性。他伸的板式^言十SOFC系统的鹰用是多槿多棣的，包括分散樊雷罩元（次MV到20MV容量），已有樊雷站的^容（20MV到100MV）和以兆瓦言十的中心重站。Ztek的SOFC樊雷系统提供的好虑有：瀑浮和来自低投资成本和超高效率的低＜!重力；可使用多槿燃料如天然氯，低的NOx、SOx和HC等污染物的排放、崖生的CO2容易收集等。上述的好曾虑醇致!!著的社曾效益如：降低地球燮暖、提供革新的檄曾和分散樊雷系统的鹰用以使^的能量格下降。Ztek的25kW樊雷系统和200kW系统包括四彳固子系统：1、SOFC粽合模子系统,2、反鹰物流供鹰子系统，3、操作控制子系统，4、雷源第子系统。XSOFC粽合模^子系统由SOFC堆，反鹰物分佛管^,所需的余色热和重速接等部分^成。反鹰物流的加热通谩有效有盒U意的和合理fit格的内部热量粽合（InternalThermalIntegration,ITI）特徵集成系统来完成，它横成了ZtekSOFC集成系统的一部分。燃料雷池模^即25kW子系统是一小由向封1W的雷池堆，封其迤行的中等大氯屋的^^表明，它能别在加屋的情况下操作。圜柱型的外段能提供在雷池模^中的热封耦分佛和均一的^言十放大。25kW模^中有一彳固氯ft撤:勤加熟器、燃料雷池和配套的H内重整器^成。平板形内重整器承搪使用蒸汽或空氯1寸燃料迤行部分重整，封甲烷可逵50%。SOFC本身承搪绘留的内重整任矜以便利用燃料雷化阜反鹰崖生的热和蒸汽。固固25kW模^是Ztek公司用以板式SOFC商H崖品的“碟瑰”。把多彳固25kW模^打包形成Ztek公司迤入市埸的崖品。反鹰物和操作控制子系统包括反鹰物流管^、水和燃料的虑理硬ft、程序控制和!!示雷子装置。控制霜子^^利用带有MMI!!示幕的PLC。同畴包含附加!!示和资料虑理逮带有遥控配件以迤一步樊展操作程式。雷源子系统的功能是把SOFC崖生的直流雷（DC）醇燮卷交流重（AC）以便符合重女同耳静结的介面要求。格、大小、易操作性和操作弹性等^^彳麦，逗择了一彳固能褐特地n换DC到AC旋统一速接的、罩一操作的和能自勤切换雨槿模式的醇换器。Ztek的技循噂T展活勤包括先迤SOFC的功能和分散樊雷系统的言十放大。重黑占在SOFC模^的工程^言十，道是用於建立高至兆瓦级规模樊的建篥“碟境”。言十重分三偃I褐立B皆段：1、1kW雷池堆的瞪明就瞬；2、25kW檬檄系统的K樊；3、150-200kW崖品的1kW板式SOFC雷池堆或模在EPRI共同资助下於1994-1995期^成功地^行了16000小畤。接著，Ztek在TVA的共同资助下畿J125kWSOFC系统的硬ftK彝，最早安装于HuntsvilleUtilitiesHostSite於1998年第一季度邺氏@行；然彳麦於2000年八月回到Ztek道彳固25kWSOFC系统是一彳固有值的樊展工具。它安装於一辆大卡事上可方便的^事俞，可方便地到逵^埸地It能很快迤行在ttia地黑占可以很方便把卡事上的和固定地黑占的介面盒相建，使燃料、水、重力雷源和通信很快速接起来。撤重J和K定事程式已逵到相富精细和可靠状熊。用燃料迤行的成功明重整器和加热器具有不结碳的能力。在操作温度下的系统雒I!能使用空氧流作卷冷郤剜，道允^人伸能别用控制燃料和空氯流的方法来保持燃料霜池的稳定事俞出，而冷郤可使操作温度津碓地保持在1123-1273K。燃料雷池系统已累言方！行已超谩25000小畴。卷使系统逵到全功率操作要仔余田^^各子系统以保持四彳固操作参数的稳定性：操作温度、物流引迤、重整反鹰和燃料雷池重力事俞出。利完成就瞬典Ztek自己的事利密切相信U,如^向熟粽合（RadiantThermalIntegration,RTI）和ITI,有了它凭能掩得比通常的重力系统或其他燃料雷池系统更好的性能。封滥品迤行集成是本K性的和信霰t性的技街，道在25kW系统上已得到了完全的明。Ztek正在有效利用公司内外资源醇定向樊展和^^市埸所需滥品，重黑占是下述三^以燃料卷基碘的200kW级的分散式商用彝雷系统：1、SOFC/IOt透平彝雷系统，200kW容量；2、SOFC/HVAC共彝雷系统,150kW/50口蟋容量；3SOFC/氢氧共生崖系统,75kW/2000檄津立方米每小畴。Ztek已建立了自己的樊展戟略有七偃利保^它的技街。到目前卷止，已完成和逵到如下的里程碑：1、Ztek已彝展出高度集成的革命性的燃料雷池系统，它具有比其他技衍高的系统效率和格僵势的能力；2、成功^^了次规模樊雷系统以明技街易於接近市埸；3、正在建横大规模系统的硬ft;4、封正在生崖的系统迤行改迤以满足格目檄；5、正在探取革命性步H聚改迤元件一保持和改迤基於Ztek新概念的笺音十；6、上述系统的整ftlt理受事利保亵展的200kW系统的技街指檄如下：工的交流事俞出200kW（沏，事俞出的^^480伏（交流），3相雷流240安，透平交流重事俞出40kW,燃料雷池交流事俞出160kW,It助H荷10kW,FC/醇换交流事俞出170kW曲），蜘劄1失10kW（5%）,燃料雷池直流事俞出180kW屐/）、500Vdc、360A;浮事俞出热速率6200Btu/kWhLHV;浮工效率55%。此外，逮有若干其他公司il行固定彝雷;站用板式SOFC的樊展，如CeramicFuelCell公司也成功的裂作了一彳固25kW的彝雷系统。但是，道棣的就!!示彳堇有有限的成功，晨期^行中暴露出高温密封材料不谩^的fW

题，特别是大功率的板式SOFC在板式^言十SOFC中需要有密封件用以分隔空氧和燃料，成功樊展道^高温密封材料的困I!使板式音十SOFC在樊雷中的鹰和使用的樊展放慢了。道一情况醇致使板式音十SOFC僵先向小容量的SOFC吾菱展。封板式^言十，不同大小雷池堆的fit格有可能通谩一彳固叫"大筮消（masscustomization）的概念得以降低，^概念在近来正在得到有美阈能源部的固憩能源醇化耳帑盟（SolidStateEnergyConversionAlliance）的言忍可。道一概念包含3-10kW大小的核心SOFC模^的彝展，它能别大量生崖，然彳麦以在固定里事中的鹰用按不同大小^合，因此消除了卷生崖按雁（客要求^言十而滥生的需求和卷满足特定樊雷功率的固有的很的燃料雷池堆的生崖。隔趣H载板式SOFC的很高雷流密度使ill!SOFC成卷核心SOFC雷池模^具有很大吸引力。PNNL正在樊展随趣H载板式SOFC,目的就是卷道I®核心模使用，考^有很大市埸的小型的板式SOFC把其用於It助能源罩元（APU）和居家用的^合热霜（CHP）系统。道是SOFC在近期的研究樊展方向。2、SulzerHexisAG公司瑞士的SulzerHexisAG公司彝展的就是小容量的HexisSOFC系列f!品。最重要的品是HXS1000PREMIERE,H12所示的是他小号系列滥品的系统结横。崖品中使用的是不同形式的板式^言十sofc,其雷池堆的一部分示於n13中。他^^谩三年成功的埸地joa以彳麦，Hexis於2001年未K始它的前一系列崖品更新换代的生崖。因固HXS1000系统第一次!!示能真正鹰用於住宅，道是一彳固熟重耳帑供系统的CHP,其能量利用效率大余勺卷85%。系统由包括热管理的HexisSOFC燃料雷池、200立升热水It槽和附加热能的It助燃^器^成。封市埸崖品，除了高效和可靠外，＜!格是决定性的因素。卷此，Hexis彝展卷在2004-2005年迤入市埸做津倩的一系列崖品。樊展的主要主题是：1、比较集成化的系统；2、降低^件格；3、具有新燃料和新鹰用的弹性。^系统的主要特黑占是：1、CPO作燃料加工器；2、燃料雷池堆的^向都管理；3、高度集成化的燃^器提供附加的热能；4、X/水热交换器sir*-Qxhsutlgsi■lack&“Iprocciipor&ahpre-lieating&d^amlcIggtlMiuckl<r>gfanforSOFC3-waybval^fl!burner&900mmMetricalInvifrrlereieclrofiicB*3-waybval^fl!burner&900mmMetricalInvifrrlereieclrofiicB*burner悔力hwlexchangerThesystemarchitectureofHexisseriesproduct

Air-gAftertxirr>erHexisstacksegmentCathodeEiecUHyleAnodeAir-gAftertxirr>erHexisstacksegmentCathodeEiecUHyleAnodeInierconnectandinlefrka)HealEwcJwngerInterconnectandinternalHeatExchangerHexisstacksegment作悬散热^系统符曾有兢事性，^重量比较整，可以壁挂卜。它曾配倩有分蹄的热水退圈和水It存罩元。^系统有最大重力1kW和20kW热水事俞出。HexisHXS1000系列崖品在2001年末狸得CE喜忍。Hexis已II始彝送道些系统给!!客安装和^行。道些!!客包括EnBW、EnergieAG/OOFerngasAG、E.ON\EWEOldenburg、EWRWorms>Thyssengas和VNG等。黑彳固月^行的结果是令人鼓舞的，但是也暴露出某些fW题和真操作中褛用隹性。优畴常返回的^^和基本系统分析!!示，封系列崖品，在技街上要求上一偃I新的耋B皆。的事情是裂造成本和行成本以及可靠性、模式化、兢事性和重量。崖品定性能指檄是在我俯典市埸金肖售安装服矜人H一起定的。SulsezHexis公司已封住宅用的言午多1kW大小的系统在瑞士、德H、日本、西班牙和荷赢迤行了成功的埸地^罩彳固装置的最晨的^行^^已超谩8000小畴，累言七！行了90000彳固小畴，生滥了56000千瓦小畴的重力，它「号的格也已通谩裂造技街的改迤而得到降低。他俯津借生崖400彳固以上的1千瓦的SOFC系统HXS1000PREMIERE供家庭用。3、GlobalThermoelectric有限公司加拿大的GlobalThermoelectricInc.正在彝展也是用於CHP的的中温(973-1073K)的小容量的SOFC系统。他俨已建立了最系冬生滥能力10MV/年的中^工以瞪明大崖量低格裂造霜池、霜池耳帑结器、雷池堆和系统元件的工蓼谩程是可行的。旋在2000年彳麦期K始僵化其雷池的裂造工蓼，而且正在快速迤展中。他凭已出在1023K操作的随趣H载的SOFC重池檬堆檄，它有很好的性能，罩彳固燃料霜池的事俞出功率密度大於1W/cm2,雷池堆的事俞出功率密度大於600mW/cm2。霜池中的霜解KYSZ的厚度彳堇5-10微米，在使用量做燃料畤，温度卷973K、1023K和1073K畴的事俞出功率密度分别卷0.723、1.093和1.216W/cm2;在80%燃料利用率的僚件下，其事俞出功率密度仍能逵到500mW/cm2以上。他言十的是10cm*10cm或更大的雷池堆模k14所示^公司生崖的16雷池SOFC雷池堆。在^言十中，整ft化的主板被言十成是一僵越的高温屋缩密封室，屋缩密封使雷池和耳帑结器^的热鹰力得降低，徙而使雷池堆可以迤行多次的热退圈。他凭樊展了有自主知言勖洋^瞿的热膨irn缩系统，以允^雷池堆可以在所有可能的操作僚件下迤行正屋缩，逵到雷池堆的高事俞出功率密度。如以50%渥氮+50%氧作燃料空氧作氧化剜，在1023K和大余勺50%的燃料和空氟利用率畴，15彳固霜池^成的霜池堆於1023K温度畴的^^事俞出功率逵到800W。Global已建立了面稹条勺11500M2的中^工配借了^^的和回鹰的研究樊展倭器，每年能生崖10MW的SOFC雷池堆，现已逵到每星期生崖1000彳固霜池。他彳咒生崖的SOFC

燃料雷池可用於偏逮地展的居家和商IBS用，如南星地面站。他凭已装配起2kW-5kW的直接使用天然氧作燃料的SOFC«o小功率的SOFC非常逾合於居家、辨公上晏、商店的罩褐的熟重耳第供系统，即CHP,有很大的市埸潜力。Fig.1416-cellSOFCstackFig.15Basicbuildingblocksofanautomotiveauxiliarypowerunit4、DelphiAutomotiveSystem和BMW集凰公司SOFC在固定彝雷摩的鹰用估有能源利用效率最高的僵势，是其鹰用的最主要领域。但它在^事俞和里事方面的鹰用也是完全可能的。一般言忍卷，K子交换膜重解K燃料雷池（PEMFC）是最逾合於^^俞鹰用和里事鹰用的燃料雷池，因卷它具有操作温度低（343-363K）、重量整、撤重J快、功率密度高等侵黑占。但PEMFC只能使用氢氧作燃料，而且需要不含CO的氢氧（CO含量一般鹰小於5ppm）做燃料才能成功地^行，因卷微量的CO曾使PEMFC的雷趣催化剜中毒醇致雷池性能很快下降。目前逮没有外部的氢氧供给系统存在，而用已存在的汽油和柴油分配系统掩得燃料，需配借彳建已有燃料（汽油、柴油）生崖氢氧的重整系统，道是一彳固^东隹的、很的和在技街上逮有待迤一步完善的技街，而且要完全除去重整崖物流中的CO是一件很困IB的事情。相反，SOFC能别像使用氢氯一棣把CO也能作燃料使用。而且高操作温度使它能利用优隔趣生崖的高温水蒸汽封燧I®燃料在雷池或雷池堆中迤行^上内重整。同畴SOFC瓢需鹰用:ft金腐催化剜使雷池堆格较低。道三黑占使SOFC在^^俞和里事方面的鹰用成卷可能。SOFC在^^俞方面的第一彳固鹰用是把它作卷It助雷源(APU,auxiliarypowerunits),其框圈如H15oBHAPU使用已有分配系统存在的燃料(汽油或柴油)操作，APU能供鹰日益增加的luxury自勤事、recreational载重事和重型大卡事碱山和隧道挖掘檄和^事俞事率私篥路檄、币io1和育事辆等的重力需求。事用apu的大量鹰用使生崖裂造的SOFC的量非常大，优而有可能逵到其裂造格最低的^湾费!模。然而，封此^^用也有非常苛刻的要求，特别是它的大小、重量、改期JBffW、熟迪I圈和檄械抗疲劳性(robustness)。DelphiAutomotiveSystem和BMW集0!公司合作研究彝展作卷事载It助雷:源军元(APU)在汽事工ft中鹰用的固ft氧化物燃料雷池。他伸徙技循灌B占角度的押估指出，面封事用重力需求的上升，SOFC-APU是替代现有事用的彝霜檄和蓄霜池系统的新能源彝雷系统的最僵先考^的候逗者。因悬它能悬汽聿提供多槿好H，如II大功率的空^不曾影警汽事的加速勤力It能第余勺燃料。APU是褐立於汽事的供雷系统，褐立提供事上需用的重力。^事俞工具封重源的需求不断上升，徙余勺一百年前只用於照明，到今天的多槿鹰用，例如事的安全性和舒逾性像彳麦窗加热、反弹冲氧系统(ABS)、勤力固定、座位第和加热、霜檄和诙翰箱的控制和其他用雷系统等等，汽聿封重能的需求成倍增H。彝重檄的输出增H逵500%,蓄霜池的容量增晨逵200%。It事配倩的重功率优上世幺己八十年代的1-2kW,到九十年代的2-3kW再到本世幺己初的3-5kW。造醇致所用重屋优14V增加到42V,目前所用的彝霜檄和蓄霜池不再能满足要求。而且，目前的樊霜檄是典内燃檄相速消耗的是内燃檄的功率。随著封重力需求的增大，需要更大的彝H檄和^亲隹的檄械皮带系统，道符曾醇致封建输工具的能量利用效率崖生负面的影警，It且曾封汽事的推迤勤力、舒逾性、燃料消耗和屡氯崖生!!著的负面影警，特别是在低引擎醇速畴。根掳算，汽事用内燃檄的能量利用效率是20-25%,樊阁t的效率是50-70%,余恩效率彳堇10-17%o而燃料霜池APU的能量利用效率至少在30-50%,如H16所示。SOFC-APU不彳堇能量利用效率高而且它的画亍典内燃搬喇机Fig.16Paradigmshiftintheelectricsupplyofcars

Fig.17Firstvehicle(BMW750iL)withgasolinefuelcellAPU(SOFC)因此可以在内燃檄停止建行畤tow提供重力使空^系统tow工作。它的另一好虑是它能提供所要求的重屋和功率。雎然APU一般可逗用PEMFC,但前面已叙述谩的，它需以触氢氧作燃料，如用汽油作燃料它需要有一大而褛用隹的重整和浮化系统，而重整系统（余勺1073K）和PEMFC的操作温度悌好53K）[W的巨大差别需要有安装热交换系统的大的空阻道封事用是一大的限制。而封SOFC言，燃料要求相封较低而且操作温度典燃料重整温度基本一致，瓢需封水迤行管理，因此SOFC-APU的整ft褛用隹性要低於PEMFC-APU。道就是BMW和Delphi耳帑合致力於K彝SOFC-APU的主要原因。不到雨年的努力，他既於2001年2月完成了世界上第一彳固用於幽t工具的以汽油作燃料的SOFC-APU,如圈17所示。APU系统概念明只是完善和明SOFC技街在汽事用牵甫助重力军元中鹰用的第一步，它只明了系统中SOFC雷池堆、部分氧化重整器和能量回收罩元（ERU）的性能和容量能满足事用要求。基於道第一代事用SOFC-APU概念ft明的成功，他俯现在集中於樊展第二代固ft氧化物燃料雷池APU,它更能满足客户的要求。^了降低罩元的重量和鹳8,第二代SOFC-APU系H雨m”H雨m”anti1tdEivrjy5・Fig.18Generation2SOFCAPUsystemFig.1930-cellstackmodule(cells12cm*12cm,stackweight6kg,volume1.5l)Cun*ntFig.20I-Vcharacteristicsofanode-supportedcellwith97%H2+3%HOFig.1930-cellstackmodule(cells12cm*12cm,stackweight6kg,volume1.5l)Cun*ntFig.20I-Vcharacteristicsofanode-supportedcellwith97%H2+3%HO统已完成了^言十，其重量只有第一代的75%,如H18所示，圈中的30彳固雷池^成的雷池堆模^给於H19中，它的重性能给於H20中。重整器和ERU的集成音十使系统的重量更整ft稹更小。封第二代SOFC-APU系统逮要作迤一步改迤以增加效率，如降低各槿派生的损失、增加燃料利用率和僵化都损失。卷此，Delphi典PNNL合作樊展高功率密度的随趣H载的SOFC,/YSZ,重解K是薄膜YSZ,囹1是La0.8Sr0.2FeO3。在1023K畴的事俞出功率密度大於0.9W/cm2（以95%氢加5%水蒸汽作燃料，以空氧作氧化剜），12cm*12cm罩雷池的性能可满足SOFC雷池堆的要求。第二代SOFC雷池堆所用的是金腐耳静接器。卷逵到每千瓦一立升的ft稹要求和小於每千瓦四公斤的重量要求，目前他凭正在封基本材料和密封材料迤行深入的研究。雨彳固30偃池的雷池堆模横成的雷池堆子系统用於第二代SOFC-APU,其名羲事俞出匐器42V。H19示出了30雷池雷池堆模Delphi和PNNL合作封雷池堆中的流ft勤力阜和热剪鹰力、以及在快速撤:勤情况下的热梯度和熟剪鹰力的樊展迤行了仔细研究以僵化霜池堆^言十降低快速撤:勤畴的鹰力。同畴迤行热退圈和熟密封性能ttiU—彳固5kW的事用APU的概念明军元示於H22中。^之，在鹰用於汽事的SOFC-APU的研究方面，雎然在雷池||彝和雷池堆ft稹和重量功率密度上已取得了巨大的迤展，但是要逵到除鹰用尚需解决的丽大题是：熟退圈大於5000次和快速撤獭^^小於10分羸典第二代SOFC-APU相配套的第二代管式和板式重整器也迤行了相鹰的KIT研究，如圈21所示。其目檄列於下表中。重整器目檄功率3-10kW（大小靶圉）燃料汽油iK（述1）10000小畴毒命(熟退圈)大於5000次小於1分^0.7kg/kW醴稹o.7l/kW目前的工作目檄是逵到氯?Hit密封、高的雷池堆功率密度、较快的做勤、都可退圈、燃料既可在雷池中重整也可典雷池堆集成、和较低的格。有人估算，汽事用燃料雷池的格需降到余勺100欧元/kW,逮需5-10的努力；而居家用的CHP燃料雷池其^格逵1000-1500欧元，它仍然有典现有的大霜女罔供重兢事的能力；作卷固定的彝雷站，建立的投资在500-1000美元/kW,而目前燃料霜池投资成本估言十在2500-12500美元/kW之［W,如磷酸蜜重解K燃料雷池(PAFC)总j5000美元/kW,按年操作5000小畴言十，每度也需0.14-0.38美元/kWh。Fig.21Tubular(left)andplanar(right,oneplateshown)reformerConcept^似于事用APU,在里事方面SOFC也有^多鹰用，由於SOFC的很高的燃料利用效率，它的使用可以第余勺相富多的燃料，道封里事鹰用特别有意羲。用包括船用It助雷力和推迤勤力、空里地面基地城市的重力、里事地面容器It助功率罩元和推迤勤力、汽事勤力彝雷檄和士兵的雷源。前已指出，雎然SOFC的管式音十已有最好的迤展It已接近商H化，但只能作卷固定樊雷站使用，而且其功率密度太低(0.25-0.30W/cm2)裂造格太高，因此封^事俞和里事鹰用没有吸引力。相反，板式^言十有很高的功率密度，最大有可能逵到2W/cm2以上，封^事俞和里事鹰用是非常合逾的。Fig.22A5kWproof-of-conceptautomotiveauxiliarypowerunit优上述的SOFC的商it化亵展的方向可以看出，SOFC雷池堆的研究者凭探用了雨槿不同的IB各。一是在高於1123K温度下操作的SOFC系统，它可典氯醴透平檄合使彝雷站的彝雷;效率逵70%,ilill系统最系冬入市埸畤的容量在MW上述的Siemens-Westinghouse的管式^言十是道各的典型代表。另一槿戟略是研彝小罩元，它It不典透平^合，因此不需要高温操作而是在雷趣勤力阜和池雷阻言午可修件下翥可能降低操作温度。较低的操作温度使雷池有较高的Nernst可用便宜的不^金嗣作曼趣板耳帑结器和使用常用的高温密封材料而不必使用刚性的玻璃基密封材料。系统常用板式言十，可以作卷需求量很大的小型熟重耳帑供罩元（CHP）,因卷它能廉泛鹰用於住宅罩褐用的霜热源、偏蹄地展的展域性彝雷站、也^^可用於^事俞工具，以及It助雷源罩元（APU）用於各^^事俞工具包括汽事。前者以德HSulzerHexisAG公司彝展的SulzerHexisSOFC系列品卷代表；彳麦者以DelphiAutomotiveSystem和BMW集凰公司K彝的事用SOFC-APU崖品卷代表。（三）其他形式的SOFC如前面已^指出的，高屋下操作能增加雷池的能斯特重位和降低霜池除趣的趣化，优而使雷:池在任何雷:流密度下有较高的霍:池输出功率密度，因此使雷:池有较高的雷:效率和较大的功率事俞出；在加屋下操作的SOFC能成功地用於代替氯醴透平檄中的燃器；混合SOFC-IOt透平的樊雷系统的效率估言十可逵到接近70%,因而减少了燃料的消耗It降低了每军位功率事俞出的投资成本。卷了迤一步降低SOFC樊雷檄的物理尺寸和成本，已^推出一槿新黑何形状的雷池^言十。道一新黑何形状^言十的的^^料雷池集中了管式SOFC的全部侵黑占，但瓢需平板式言十SOFC的高温密封，而同畴有能比管式^言十提供较高的畏度功率密度和较高的鹳8功率密度。道一新^言十被叫做高功率密度固ft氧化物燃料®也（hpd-sofc）o在音十中有^似于管式音十的霜池密封端，它卷氧化剜lot优密封端流到k口端的全部霜池晨度内提供了整ft的lot回路。HPD-SOFC音十和管式^言十的不同之虞在於它被平板化而且有多彳固幅修在空氟重趣上作卷雷路的槁楔。H23封雨槿言十的重流路^作出了比较。幅修的存在减少了雷路的畏度，反谩来^就是降低了雷池的内阻。幅僚的存在有曼重作用，一方面降低了雷池的内阻，另一方面又可使用较薄的空氟重趣使其雷趣的趣化阻力降低而且减整了霜池的重量。封管式SOFC,较厚的空氟重趣使氧氯优氟相散到雷趣/重解K介面的路程较晨，优而醇致较高的趣化阻力。幅僚也形成空氟通道，不再需要有完整晨度的空氧噫管。HPD—SOFC和管式SOFC的理^H测和测性能的比较，基於雷池堆ft稹的结果给於H24中。由於HPD—SOFC比管式SOFC有较低的池内阻和重趣趣化阻力以及霜池的较聚密装配

使前者具有较高的®也性能。但