固體氧化物燃料電池系統(tǒng)及其應(yīng)用

蔡 浩，陳潔英，鄧 奎，陳茹玲

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

固體氧化物燃料電池系統(tǒng)及其應(yīng)用

蔡 浩，陳潔英，鄧 奎，陳茹玲

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

對(duì)固體氧化物燃料電池系統(tǒng)和單體電池及其工作原理、材料組成等作了簡(jiǎn)要介紹，并介紹了固體氧化物燃料電池在電廠混合發(fā)電方面與燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合系統(tǒng)技術(shù)以及以天然氣為燃料家庭熱電聯(lián)產(chǎn)方面的應(yīng)用。并指出固體氧化物燃料電池由于其高效、環(huán)保清潔將是未來能源利用的主要方式。

固體氧化物燃料電池；燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)；熱電聯(lián)產(chǎn)

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一種在高溫下將儲(chǔ)存燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它以具有氧離子導(dǎo)電性的陶瓷固體材料作為電解質(zhì)，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)，無(wú)液態(tài)電解質(zhì)泄露等缺點(diǎn)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好；能量轉(zhuǎn)化效率高，效率不受卡諾循環(huán)熱機(jī)的限制，一次發(fā)電效率為 40%～60%，系統(tǒng)熱電聯(lián)供效應(yīng)為 60%～80%[1]；燃料適應(yīng)性強(qiáng)來源廣泛，可作為 SOFC 的燃料包括煤氣、沼氣、氫氣和天然氣等；無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，電池模塊化組裝堆積，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，組裝成從數(shù)瓦的微型發(fā)電系統(tǒng)到數(shù)百兆瓦的發(fā)電用發(fā)電系統(tǒng)，在分布式發(fā)電、可移動(dòng)便攜電源、輔助動(dòng)力裝置、交通運(yùn)輸動(dòng)力系統(tǒng)以及軍事運(yùn)用等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。被認(rèn)為是繼火電、水電與核電之后的第四代發(fā)電方式[3]，近年來得到了各國(guó)政府、各大公司以及各研究機(jī)構(gòu)的普遍重視。

1 SOFC 系統(tǒng)及單電池

1.1 SOFC 系統(tǒng)

一套完整的 SOFC 的發(fā)電系統(tǒng)主要由電池電堆系統(tǒng)和輔助管理系統(tǒng)構(gòu)成[4]，其中電池電堆是 SOFC的關(guān)鍵單元，由幾個(gè)單電池片串連組裝而成，重整脫硫后的燃料和空氣在電堆里發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生直流電。輔助管理系統(tǒng)主要包括燃料供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理里系統(tǒng)和電管理系統(tǒng)，燃料供應(yīng)系統(tǒng)包括重整器部分，如圖1所示。

圖 1 SOFC 系統(tǒng)Fig.1 The system of SOFC

熱管理系統(tǒng)是固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的根本保障[5]。熱管理里系統(tǒng)主要包括熱平衡單元，主要工作是控制好系統(tǒng)各級(jí)的換熱工作，使固體氧化物燃料電池的電堆工作溫度保持在正常范圍內(nèi)。

電管理系統(tǒng)主要包括固體氧化物燃料電池直流交流變換器單元、管理總體控制器單元和輔助供電電源單元等，直流交流變換器將電堆產(chǎn)生的直流電通過變壓和逆變轉(zhuǎn)換成 50 Hz的交流電，管理總體控制器單元通過對(duì)輸出的電流動(dòng)態(tài)負(fù)載跟蹤，根據(jù)負(fù)載需要，進(jìn)行電力變換，反饋調(diào)節(jié)控制燃料和空氣進(jìn)出電堆的速度完成電能管理，輔助供電電源單元主要保證 SOFC 自身系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)可正常運(yùn)行。電管理系統(tǒng)是固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵部分。

1.2 SOFC 單電池

SOFC 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分電堆是由單電池通過串連或并連組裝而成，單電池是組成 SOFC 的重要基礎(chǔ)部件。單電池的組成包括陽(yáng)極、電解質(zhì)、陰極和連接體等，平板式單電池及電堆如圖2所示。

圖 2 板式結(jié)構(gòu) SOFC 及電池組[6]Fig.2 Planar-design SOFC and stack[6]

其工作原理反應(yīng)式如下（以氫氣為燃料）：

陽(yáng)極反應(yīng) H2+O2-→H2O+2e-

陰極反應(yīng) ?O2+2e-→O2-

總反應(yīng) H2+?O2→H2O

各組成部分因作用不同而對(duì)材料的選擇有不同的性能要求。陽(yáng)極材料[7]和陰極材料[8]不僅要為燃料的電化學(xué)氧化反應(yīng)提供場(chǎng)所，也要對(duì)燃料氧化反應(yīng)的進(jìn)行起催化作用，同時(shí)還要轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生的電子和氣體。在對(duì)陽(yáng)極和材料進(jìn)行選擇時(shí)，必須同時(shí)考慮其作用功能和工作環(huán)境。對(duì)于陽(yáng)極和陰極材料要求：(1) 好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；(2)良好的催化活性和足夠的表面積，以促進(jìn)燃料的電化學(xué)氧化反應(yīng)的進(jìn)行；(3)適當(dāng)?shù)目紫堵剩谷剂蠚饽茉丛床粩嗟墓?yīng)到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面處參與反應(yīng)，并將產(chǎn)生的水蒸氣和其它的副產(chǎn)物帶走，同時(shí)又不嚴(yán)重影響陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；SOFC 的陽(yáng)極一般由金屬鎳及氧化釔穩(wěn)定的氧化（YSZ ）骨架組成，摻雜的錳酸鑭是常用的陰極材料。

電解質(zhì)的主要作用是在兩電極之間傳導(dǎo)氧離子及對(duì)燃料及氧化劑產(chǎn)生有效隔離，電解質(zhì)的性能直接決定電池的性能，對(duì)于電解質(zhì)要求氧離子電導(dǎo)率高；電子電導(dǎo)率低，不滲透反應(yīng)氣體。可作電解質(zhì)材料的物質(zhì)有氧化鋯、氧化鉍、氧化鈰和鈣鈦礦等。

連接材料作為連接體或雙極板在電池堆中起著支撐、收集電流、提供氣體通道的作用，其基本要求是在工作溫度和氧化還原氣氛中抗氧化性較好、有較高的電子電導(dǎo)、與單電池的熱膨脹系數(shù)匹配、有良好的化學(xué)穩(wěn)定性(與陽(yáng)極和陰極在室溫工作范圍內(nèi)不反應(yīng))，同時(shí)要求不透氣，能有效分隔燃料和氧化劑。可用作連接體的材料有摻雜鉻酸鑭和合金。

2 SOFC 的應(yīng)用

2.1 電廠混合發(fā)電

SOFC 在高溫（700～1 000 ℃）下運(yùn)行，其排出的高溫氣體因此帶有很大的能量，結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)或者蒸汽機(jī)進(jìn)行混合發(fā)電，能使排出氣體中的廢熱得到有效利用, 提高系統(tǒng)整體效率。SOFC 與燃?xì)廨啓C(jī)組成的聯(lián)合系統(tǒng)技術(shù)（SOFC-GT）有兩種基本循環(huán)方式[9]: 頂層模式和底層模式。在頂層模式中, 燃料和空氣先進(jìn)入 SOFC 電池參與化學(xué)反應(yīng)釋放能量，從陽(yáng)極出來的氣體中仍然含有一定量的、反應(yīng)不完全的 H2和 CO 等可燃?xì)怏w。從陽(yáng)極出來的氣體與陰極出來的氣體在燃燒室中混合燃燒, 燃燒后的高溫混合氣體進(jìn)入透平做功, 透平排出的廢氣經(jīng)過回?zé)崞髟倮煤笈懦觥Ｔ诘讓幽Ｊ街? 燃料先在燃燒室中燃燒, 通過透平膨脹做功后的尾氣仍然含大量沒有燃燒的 O2, 并具有較高的溫度。這些透平出來的尾氣進(jìn)入燃料電池作為氧化氣體。有文獻(xiàn)報(bào)道，增壓型 SOFC 與帶回?zé)崞骱椭虚g冷卻器的燃?xì)廨啓C(jī)組成的發(fā)電效率可達(dá)到 70%或更高，在分布式能量系統(tǒng)應(yīng)用上微型燃?xì)廨啓C(jī)與 SOFC 組成的發(fā)電系統(tǒng)效率也可達(dá)到 65%[9]。SOFC 與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電，將是一種極有前景的分布式發(fā)電方案

2.2 家用熱電聯(lián)產(chǎn)

SOFC 系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱不僅可以通過與發(fā)電廠燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合作為熱源供給聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的其他部分使用混合發(fā)電，而且可以直接通過換熱器為城市或家庭供熱。家用型微型 SOFC 熱電聯(lián)產(chǎn)工藝如圖3。

圖 3 SOFC 熱電聯(lián)產(chǎn)[10]Fig.3 SOFC combined heat and power generation[10]

可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w燃料使用情況選擇天然氣或者煤氣作為 SOFC 的燃料，燃料氣通過脫硫和催化重整處理后用于 SOFC 發(fā)電用于家庭電器用電，剩余電量用儲(chǔ)蓄電池儲(chǔ)存或者聯(lián)接電網(wǎng)輸送，高位尾氣的熱量通過換熱器換熱可以用于加熱家庭生活用水或?yàn)槭覂?nèi)供暖。

3 結(jié) 論

伴隨著石油和煤炭等傳統(tǒng)能源的日益枯竭和對(duì)環(huán)保的要求，如何尋找一種綠色、高效利用的能源方式成為了各國(guó)的能源發(fā)展的主題。SOFC 不受卡諾循環(huán)的效率限制，熱電聯(lián)供最高能量利用效率能達(dá)到 80%，而且污染小對(duì)環(huán)境友好，作為未來的一種新型發(fā)電技術(shù)將會(huì)越來越得到人們的重視。但目前還存在制造成本偏高，單位發(fā)電價(jià)格高于現(xiàn)有發(fā)電單位價(jià)格，目前還處于實(shí)驗(yàn)室試運(yùn)行階段離真正的商業(yè)化應(yīng)用還有一定的距離。

［1］ 韓敏芳,彭蘇萍.碳基燃料固體氧化物燃料電池發(fā)展前景[J].中國(guó)工程科學(xué),2013,15（2）：4-6．

［2］ 衣寶廉. 燃料電池- 原理. 技術(shù). 應(yīng)用[M] .北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

［3］ 隋智通,隋升,羅冬梅.燃料電池及其應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

［4］ 侯麗萍，張暴暴. 固體氧化物燃料電池的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其研究進(jìn)展[J]. 西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,21(2):267-270.

［5］ E. Santi，D. Franzoni，A. Monti, et al. A Fuel Cell based Domestic Uninterruptible Power Supply[J]. IEEE Applied Power Electronics Conference, 2002:605-613.

［6］ BUJALSKI W, DIKWAL C M, KENDALL K. Cycling of three solid oxide fuel cell types [J]. J Power Sources, 2007, 171: 96–100.

［7］ 楊乃濤, 孟秀霞. 中文固體氧化物燃料電池的研究[J]. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2006, 21(2): 409-414

［8］ 沈薇, 趙海雷. 固體氧化物燃料電池陰極材料的研究進(jìn)展[J]. 電池, 2009, 39(3): 173-175．

［9］ 盧濤，佟德斌．飽和含水土壤埋地原油管道冬季停輸溫降[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33（4）：37-40．

Solid Oxide Fuel Cell System and Its Application

CAI Hao，CHEN Jie-ying，DENG Kui，CHEN Ru-ling
（China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116，China）

Work principle and material composition of solid oxide fuel cell system were briefly described. Application of the solid oxide fuel cell in power plant hybrid power generation with gas turbines and in combined heat and power generation technology for households was also introduced. Due to its advantages in terms of high efficiency and friendly environment, SOFC system is a very promising solution for future power generation.

Solid oxide fuel cell; Gas turbine; Combined heat and power generation

TM 911.4

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1260-02

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：X1029012251；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助，項(xiàng)目號(hào)：2013DXS02。

2013-12-02

蔡浩（1992-），男，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)能源與化學(xué)工程， E-mail：yifanccai@hotmail.com。