固體高分子燃料電池固體高分子燃料電池系統(tǒng)

SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池，簡(jiǎn)稱(chēng)PAFC)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池，簡(jiǎn)稱(chēng)MCFC)相比它有如下優(yōu)點(diǎn):(1)較高的電流密度和功率密度;(2)陽(yáng)、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降;(3)可直接使用氫氣、烴類(lèi)(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑;(4)避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問(wèn)題;(5)能提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達(dá)80%左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng);(6)廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu);(7)陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運(yùn)行(600~1000℃)，加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實(shí)現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡(jiǎn)化了設(shè)備。

除了燃料電池的一般優(yōu)點(diǎn)外，SOFC還具有以下特點(diǎn):對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，能在多種燃料包括碳基燃料的情況下運(yùn)行;不需要使用貴金屬催化劑;使用全固態(tài)組件，不存在對(duì)漏液、腐蝕的管理問(wèn)題;積木性強(qiáng)，規(guī)模和安裝地點(diǎn)靈活等。這些特點(diǎn)使總的燃料發(fā)電效率在單循環(huán)時(shí)有潛力超過(guò)60%，而對(duì)總的來(lái)說(shuō)體系效率可高達(dá)85%，SOFC的功率密度達(dá)到1MW/M3，對(duì)塊狀設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)有可能高達(dá)3MW/M3。事實(shí)上，SOFC可用于發(fā)電、熱電回用、交通、空間宇航和其他許多領(lǐng)域，被稱(chēng)為21世紀(jì)的綠色能源。

固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點(diǎn)，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳?xì)淙剂?。在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電?lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站，以及作為船舶動(dòng)力電源、交通車(chē)輛動(dòng)力電源等移動(dòng)電源，都有廣闊的應(yīng)用前景。

固體氧化物燃料電池是一種新型發(fā)電裝置，其高效率、無(wú)污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對(duì)多種燃料氣體的廣泛適應(yīng)性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質(zhì)(electrolyte)、陽(yáng)極或燃料極(anode，fuel electrode)、陰極或空氣極(cathode，air electrode)和連接體(interconnect)或雙極板(bipolar separator)組成。

固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的"逆"裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽(yáng)極為燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

在固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如:氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等，具有催化作用的陽(yáng)極表面吸附燃料氣體，并通過(guò)陽(yáng)極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢(shì)的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過(guò)外電路回到陰極。

單體電池只能產(chǎn)生1V左右電壓，功率有限，為了使得SOFC具有實(shí)際應(yīng)用可能，需要大大提高SOFC的功率。為此，可以將若干個(gè)單電池以各種方式(串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián))組裝成電池組。 SOFC組的結(jié)構(gòu)主要為:管狀(tubular)、平板型(planar)和整體型(unique)三種，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成為SOFC的發(fā)展趨勢(shì)。