新能源技术专题讲座：新型固体燃料电池-21世纪的绿色能源

新型固体燃料电池——21世纪的绿色能源雷小平材料SOFC概念固体氧化物燃料电池(SOFC)是固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，简称SOFC)属于第三代燃料电池SOFC是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。SOFC优点SOFC与第一二代燃料电池相比它有如下优点：(1)较高的电流密度和功率密度(2)阳、阴极极化可忽略(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题(5)燃料利用率高，是一种清洁高效的能源系统6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构SOFC原理固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。SOFC原理图SOFC结构电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuelelectrode)、阴极或空气极(cathode，airelectrode)连接体(interconnect)或双极板(bipolarseparator)组成。SOFC电解质连接材料 SOFC电解质材料主要为离子导电的氧化钇(或氧化钪)稳定的氧化锆,及掺杂的氧化铈或镓酸镧基材料。SOFC电极材料本身首先是一种催化剂。现常使用的合金连接材料主要为包含Cr的Fe基合金材料。SOFC阳极SOFC阳极材料通常为金属与电解质掺杂的复合材料,最常用的阳极材料为Ni与电解质相互混合的复合材料。对SOFC阳极材料，要求电子电导高，在还原气氛中稳定并保持良好透气性。常用的材料是Ni粉弥散在YSZ中的金属陶瓷。SOFC阴极阴极材料在高温氧气氛环境工作，起传递电子和扩散氧作用，应是多孔洞的电子导电性薄膜。要求阴极材料具有高电导率、高温抗氧化性以及高温热稳定性，并且不与电解质发生化学反应。常用的阴极材料主要包括以下几种:LSC、LSCF、LSF、LSM等SOFC大量实验证明:La1-xSrxMnO3(LSM），是较好的阴极材料。SOFC制备制备SOFC电极的方法很多，主要分为物理方法、化学方法以及陶瓷成型方法。制备SOFC电极薄膜的各种工艺方法的比较见下表。SOFC商业化进程SOFC商业化进程比人们预想的快得多在2003～2005年间，SOFC的费用目标为800美元/kW，2010年降到400美元/kW。一旦实现这个目标，高效、洁净的能源――燃料电池时代就将到来。从SOFC的技术开发、实际应用来看，固体氧化物燃料电池具有重要的环保意义、经济意义和社会意义。主要国家及机构的研发活动1.管状SOFC美国西屋电气公司首先通过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1001μm的电解质薄膜和电极薄膜，研制了管状结构的SOFC。2.平板状SOFC平板型SOFC由于主要采用陶瓷成型工艺，在降低生产成本的同时，又能获得高的功率密度。近来倍受关注，有众多的企业和科研机构投入相当的财力和人力进行研制和实际应用。加拿大的环球热电公司、美国GE、SOFCo、Z－tek等公司也在进行平板型SOFC千瓦级模块的试运行。

SOFC应用前景现阶段，对于SOFC的研究和开发旨在向所有可能的市场提供基本的标准组件，逐步取代现有的发电和供电方式。主要应用大致分为以下三方面：1.固定电站固定SOFC电站主要是为家庭、偏远地区以及商业用电提供电源。它的高效率、无污染、无噪音以及热-电共生对于家庭来说尤为适合。2.交通运输SOFC作为机动车辆的辅助电源将有很好的应用前景。据估计，每年可节约4.2亿加仑柴油，并减少CO2排放量460万吨。SOFC也可以用作为飞行器和船舶的辅助电源。美国波音公司和美国宇航局已经开始了SOFC技术在航空领域应用的研究开发。.军事应用就像许多先进的科学技术都是在军事上首先得到应用一样，SOFC技术也将是