固体氧化物燃料电池

近几十年来，随着经济的快速发展，我国已经成为一个能源生产和消费大国，随之引起的资源消耗和环境问题日益凸显，寻求和发展高效、清洁的新能源技术是解决上述问题的关键。燃料电池是一种通过电极反应直接将燃料的化学能转化为电能的电化学装置，燃料电池技术是继水力、火力和核能之后的新一代发电技术。根据电解质的不同，燃料电池可分为多种类型，其中，固体氧化物燃料电池因具有能量转化效率高(热电联供的转化效率可达80%以上)、对环境友好、良好的安全性与适应性等优点而备受关注。

在国际上，美国、德国、加拿大、日本等国家都投入了大量的人力和财力对固体氧化物燃料电池技术进行研发，已经取得了令人瞩目的成绩。日本三菱重工开发的200kW固体氧化物燃料电池-MGT复合发电系统，已经连续运行超过4000h，日本分布式家用燃料电池系统ENE-FARM快速普及，终端用户已达几十万套。虽然我国在固体氧化物燃料电池研发中处于追赶状态，但已经有越来越多的高校和科研院所投入到固体氧化物燃料电池的研究工作中，国家也将发展百千万级至兆瓦级固体氧化物燃料电池发电分布式能源系统列入技术攻关项目。

本书作者孙克宁及其团队十几年来一直致力于固体氧化物燃料电池关键技术的研究与开发，经过多年不懈努力和集体攻关，团队在单体电池研发和电池堆的构建上开展了一系列创新性的工作，取得了较为突出的成绩，积累了相当丰富的理论知识和实践经验。本书的撰写立足于上述研究工作，同时对国内外知名研究团队的最新研究成果进行了梳理和总结。笔者希望，这本书能为从事固体氧化物燃料电池领域研发工作的科研人员提供指导和帮助。

按所用电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池(alkaline fuel cell，AFC)、磷酸型燃料电池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell，MCFC)、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等。目前，燃料电池的研究重点为SOFC和PEMFC，并向商业化发展。表1是目前各种燃料电池技术的发展状态。

SOFC 主要由固体氧化物电解质、阳极(燃料气电极)、阴极(空气电极)和材料组成。SOFC 的工作原理如图1所示。

为了实际应用，SOFC单体电池需要做成电池堆以增加电压和输出功率。合理的SOFC结构应具有四个基本特征，即性能可靠、便于放大、方便维修和价格低廉。SOFC的构型不同，电池的制作方法也不同。SOFC电池堆可以做成不同结构，如平板式、管式、套管式和瓦楞式等。但经过长期的发展和优化，目前采用的SOFC结构类型主要有平板式、圆管式和扁管式三种。

SOFC 的优势符合能源市场的自由化、环境意识的加强和分布式发电的趋势。SOFC 系统最诱人的特性是效率高、燃料的适应性强及几乎没有颗粒物、NOx、SOx的排放。以燃气机、燃气涡轮机和组合循环装置等有竞争力的系统设定的经济和技术的规格为基准，SOFC 组合系统在电效率、部分负荷效率和排放方面都比现有的技术具有更明显的优势。SOFC 的具体特点如下。

高的工作温度(一般在600°C以上)有效地提升了电极的反应活性，使其不必像其他低温燃料电池那样使用贵金属催化剂，而代之以廉价的氧化物电极材料。

高温工作拓宽了燃料的选择范围，价格相对低廉的烷烃类燃料可以在电池内部重整和氧化产生电能。这样就避免了使用价格相对昂贵的氢气作为燃料。同时，高温工作大大提高了电池对硫化物的耐受能力，其耐受能力比其他燃料电池至少高两个数量级。

SOFC 工作时产生大量的余热，可以实现热电联用，提高发电系统的效率，理论上电池的总效率可以达到80%左右。

SOFC 是全固态结构，可以避免使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题，全固态结构还有利于电池的模块化设计，提高电池体积比容量，降低设计和制作成本。

SOFC 发电系统有着广泛的应用，目前已确定能使用SOFC 的市场包括家居、商业和工业热电联供、分布式发电、运输领域的辅助电源装置及轻便电源。SOFC作为移动式电源，可以为大型车辆提供辅助动力源。第一辆以SOFC 作为辅助电源系统(auxiliar power unit，APU)的汽车，由BMW与Delphi合作推出，于2001年2月16日在德国慕尼黑问世。作为美国能源部固体能源转换协会的示范项目，美国汽车配件厂商戴姆勒公司在华盛顿由美国能源部主办的展会上展出使用SOFC 的第二代辅助电源装置，用煤气作燃料。SOFC 辅助电源装置质量为70kg，体积为44L，与第一代装置相比，质量和体积均缩小了75%，SOFC 辅助电源装置是针对轿车、商用车、军用车及固定电源等用途设计的，输出功率为5kW。

本文摘编自孙克宁著《固体氧化物燃料电池》文前及第一章，内容有删减。

《固体氧化物燃料电池》是孙克宁教授团队多年来从事固体氧化物燃料电池研究工作的总结，内容包括固体氧化物燃料电池所涉及的原理、技术及其主要应用领域等多个方面。全书共7章，第1章在回顾燃料电池发展历史的基础上，重点介绍固体氧化物燃料电池的国内外发展现状、问题及挑战；第2章介绍固体电解质的导电机制、关键材料及制备；第3章介绍阴极材料、结构、稳定性及其改进策略；第4章介绍阳极材料，重点对阳极的抗积碳进行了分析；第5章介绍连接体材料的种类、特性要求及改进方式；第6章介绍固体氧化物燃料电池研究中涉及的常用研究方法；第7章介绍固体氧化物燃料电池电池堆，并对各种电池堆的结构、特点分别进行介绍。