固体氧化物燃料电池的研究

沈元兴

固体氧化物燃料电池的研究

沈元兴

（福州职业技术学院，福建 福州 350108）

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种新型的能量转换装置，由于其具有高能量利用率、环境友好、燃料选择广泛等特性，已经引起了学者的广泛关注。随着世界各国对环保问题关注的升温，友好型能源的开发利用已经成为国家能源发展的重要方向，在国家政策的推动下，高校和相关研究机构也加大了研究力度，争取在环境友好型能源的开发利用上抢占先机。文章主要针对目前SOFC的发展现状进行分析，并对SOFC未来的发展提出合理化建议。希望通过以上的论述，能对SOFC的发展起到促进作用。

固体氧化物；燃料电池；研究

前言

随着科技和工业地快速发展，能源和环境污染问题也随之日益凸显。为了确保科技和工业绿色协同发展，环保型能源的开发利用刻不容缓，世界各国也都在有针对性的颁发相关政策，鼓励高校和相关研究机构加强研发力度，以加快推进绿色能源的发展。SOFC作为一种新型的能量转换装置，可以将燃料的化学能直接转换为电能，且一次发电效率为40%～60%，热电联供效率可达80%以上，被誉为21世纪最重要的绿色能源技术之一，已经成为各国学者的主要研究对象。[1-4]对于SOFC而言，高纯度的H2是最理想的燃料，由于SOFC的燃料适应性较强，除H2外SOFC可直接利用烃类、甲醇、炭等作燃料，可大大降低运行成本。目前SOFC依然无法实现产业化和商业化主要是因为，要保证SOFC的稳定运行的环境温度较高，这就要求SOFC在稳定工作之前，需要额外对SOFC提供热源，该过程将消耗大量的能量，而且高温环境下，对SOFC的材料要求较高，材料的特性将直接决定SOFC性能、成本和使用寿命。SOFC在温度较低的环境下进行工作时，其电学性能和电极催化活性会大幅降低、欧姆电阻和电池电极的极化电阻显著増加，导致SOFC能量密度迅速下降，严重时甚至无法进行电能转换。因此，需要寻找合适的SOFC电解质和电极材料，来改善高温SOFC和低温SOFC的缺陷，以提高SOFC的整体性能，使其商业化成为可能。

1 SOFC的电解质材料研究

SOFC的类型如图1所示，根据SOFC电池组的结构类型不同可分为管状型、平板型和整体型三种。根据其工作温度不同可分为低温、中温和高温三种。其中，低温型SOFC的工作温度为300~600℃、中温型SOFC的工作温度为600~800℃、高温型SOFC的工作温度为800~1000℃[5]，工作温度不同的SOFC，对其电解质材料的要求差异较大，而电解质材料将直接影响SOFC的性能。电解质不仅要隔绝燃料和助燃剂，还要将氧离子从阴极传导至阳极。因此良好的电解质材料必须满足：在强氧化还原气氛下稳定存在、拥有足够高的离子电导率（通常要求要大于0. S/cm）、易于薄膜化加工以及具有较高的机械强度等优良性能。

图1 SOFC的类型

1.1 中低温SOFC的电解质材料研究

随着SOFC工作温度的降低，电解质材料电导率也将随之下降，这将会导致欧姆损失急剧增加。要想实现SOFC低温高性能工作，首先要减少SOFC内部欧姆电阻，从而减少欧姆损失。研究表明使用具有高氧离子电导率的电解质材料以及电解质材料的薄膜化是实现SOFC中低温化的主要途径[6]。中低温电解质材料主要有：萤石型电解质、钙钛矿型电解质、磷灰石型电解质以及复合型电解质等，具体参数如表1所示。

从表1可知，钙钛矿型电解质（ABO3）在中低温条件下电导率较高，是作为中低温SOFC较佳的电解质材料。

由于高温对SOFC各部件的热稳定性、高温强度、电子导电率、热膨胀匹配以及化学稳定性等要求较高，使得电解质材料选用受限，且创造高温环境不仅需要消耗大量的能量而且会导致SOFC的电池性能下降。由于高温SOFC存在着诸多明显的缺陷，因此，随着研究的不断深入，高温SOFC将逐渐被中、低型SOFC所取代。适当的降低SOFC的工作温度不仅可以提高电极的稳定性、延长电池寿命，而且更广的材料选择范围可大大降低SOFC的制造成本，更有利于其实现产业化和商业化。

表1 中低温SOFC电解质材料及性能

2 SOFC的电极材料研究

电极材料也是影响SOFC性能的关键因素，其中阳极和阴极材料一般均需要满足以下几种特性：（1）较高的离子电导率和电子电导率；（2）较高的工作稳定性；（3）与SOFC中的邻近组元材料化学相容，且与其他组元的热膨胀系数相匹配；（4）具备多孔结构，易于气体进出等。

2.1 SOFC阴极材料研究

SOFC的阴极也被称为氧电极，是氧分子被还原为氧离子的场所。早期的SOFC常以Pt和Au等贵重金属作为阴极材料，主要是由于此类材料在1000℃的环境下仍能保持较高的物理化学稳定性和电导率，确保SOFC的稳定工作。但采用贵重金属作为阴极材料也存在高温易烧结，使得孔隙受堵，以及成本高等缺陷。钙钛矿型（ABO3）氧化物材料的出现，则有效地弥补了这些缺陷。其中，钙钛矿结构掺杂钴酸镧（LaCoO3）作为阴极材料，在中低温下具有良好的性能，是目前最有应用前景的中低温SOFC阴极材料之一[15]。

2.2 SOFC阳极材料研究

SOFC需要阳极材料满足以下几种特性：1）在强还原气氛下仍能保持结构稳定；2）具有较高的混合电导率；3）具有较高的燃料催化能力；4）有较强的抗积碳和抗硫中毒性能。

除Pt和Au等贵重金属之外，Ni、Fe、Co等金属元素在早期常被作为SOFC的阳极材料，但由于都存在着高温易挥发、易烧结等不稳定因素未能得到广泛应用。Ni是一种很好的催化剂，但纯Ni无法在高温下稳定工作。为了利用Ni良好的催化特性，将Ni与其他物质进行复合作为阳极材料，成为广大学者研究SOFC阳极材料的出发点。其中Ni与 YSZ（Y2O3掺杂ZrO2）复合作为阳极材料，则大大改善了采用纯Ni时的高温易挥发、易烧结等不稳定因素。

除此之外，双钙钛矿型电极材料由于具备较高的混合电导率，快速地氧离子扩散系数及表面交换动力学参数以及极强的抗积碳能力和抗硫中毒能力等优点，也在SOFC的电极材料中受到广泛关注。

3 不同燃料的SOFC特性

SOFC的性能除了与电解质和电极材料有关之外，燃料的类型也是影响SOFC性能的重要因素。SOFC的燃料适应性非常广，氢气、天然气、甲烷等气体燃料、甲醇、乙醇等液体燃料以及固体炭都可以作为SOFC燃料。使用不同燃料时，SOFC性能如表2所示。

表2 不同燃料的SOFC性能

从表2可知，在同一条件下采用氢气作为燃料时，SOFC的最大功率密度最大，这也进一步表明高纯度的氢气SOFC是最理想的燃料。为了加快氢能的发展，截至2019年底，我国已累计建成61座加氢站，加氢站的扩建将会使得获取氢气的成本大大降低，这也使得氢气作为SOFC燃料商业化成为可能。除此之外，液体燃料甲醇最大功率密度较高，且液体燃料易于储运、成本较低，也是一种良好的SOFC燃料。固体炭作为SOFC燃料一直是广大学者的主要研究对象之一，虽然固体炭燃料易于储运且获取成本低，但由于其最大功率密度偏低、阻抗偏高以及燃料利用率偏低，使得采用固体炭直接作为SOFC的燃料时，SOFC的性能较差。随着世界各国学者对直接炭SOFC研究的不断深入，相信直接炭SOFC的不足将会得到改善。

4 结论

绿色发展是全世界的共同目标，SOFC作为第三代燃料电池，与第一代燃料电池（磷酸型燃料电池PAFC）和第二代燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池MCFC）相比，具有燃料使用范围广、燃料利用率高、成本低等明显优势，被称为21实际的绿色能源。但工作温度偏高一直是制约SOFC发展的主要因素。随着SOFC研究的不断深入，目前中低温SOFC的性能已经得到很大提升，相信在全世界学者的共同努力下，SOFC工作温度与性能之间的矛盾将会进一步得到改善，SOFC的商业化也必将成为可能。

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Research on Solid Oxide Fuel Cell

Shen Yuanxing

( Fuzhou Vocational and Technical College, Fujian Fuzhou 350108 )

As a new type of energy conversion device, solid oxide fuel cell (SOFC) has attracted wide attention from scholars because of its high energy efficiency, environmental friendliness and wide fuel selection. With the warming of environmental protection issues in various countries around the world, the development and utilization of friendly energy has become an important direction for national energy development. Under the impetus of national policies, universities and related research institutions have also increased their research efforts and strived for environmentally friendly The development and utilization of energy will take the lead. This paper mainly analyzes the current development status of SOFC and proposes rationalization suggestions for the future development of SOFC. I hope that through the above discussion, it can promote the development of SOFC.

Solid oxides; Fuel cells; Research

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.002

TM911.4

A

1671-7988(2021)07-03-04

TM911.4

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沈元兴（1992.08-），男，助教，硕士研究生，就职于福州职业技术学院，研究方向：汽车新能源、汽车制造。