固體氧化物燃料電池系統及其應用

蔡 浩，陳潔英，鄧 奎，陳茹玲

（中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

固體氧化物燃料電池系統及其應用

蔡 浩，陳潔英，鄧 奎，陳茹玲

（中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

對固體氧化物燃料電池系統和單體電池及其工作原理、材料組成等作了簡要介紹，并介紹了固體氧化物燃料電池在電廠混合發電方面與燃氣輪機組成的聯合系統技術以及以天然氣為燃料家庭熱電聯產方面的應用。并指出固體氧化物燃料電池由于其高效、環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；燃料電池燃氣輪機；熱電聯產

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一種在高溫下將儲存燃料中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。它以具有氧離子導電性的陶瓷固體材料作為電解質，具有全固態結構，無液態電解質泄露等缺點，長期穩定性好；能量轉化效率高，效率不受卡諾循環熱機的限制，一次發電效率為 40%～60%，系統熱電聯供效應為 60%～80%[1]；燃料適應性強來源廣泛，可作為 SOFC 的燃料包括煤氣、沼氣、氫氣和天然氣等；無運動部件，電池模塊化組裝堆積，可以根據實際應用要求，組裝成從數瓦的微型發電系統到數百兆瓦的發電用發電系統，在分布式發電、可移動便攜電源、輔助動力裝置、交通運輸動力系統以及軍事運用等方面具有廣泛的應用前景[2]。被認為是繼火電、水電與核電之后的第四代發電方式[3]，近年來得到了各國政府、各大公司以及各研究機構的普遍重視。

1 SOFC 系統及單電池

1.1 SOFC 系統

一套完整的 SOFC 的發電系統主要由電池電堆系統和輔助管理系統構成[4]，其中電池電堆是 SOFC的關鍵單元，由幾個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生反應產生直流電。輔助管理系統主要包括燃料供應系統、熱管理里系統和電管理系統，燃料供應系統包括重整器部分，如圖1所示。

圖 1 SOFC 系統Fig.1 The system of SOFC

熱管理系統是固體氧化物燃料電池發電系統的根本保障[5]。熱管理里系統主要包括熱平衡單元，主要工作是控制好系統各級的換熱工作，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。

電管理系統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生的直流電通過變壓和逆變轉換成 50 Hz的交流電，管理總體控制器單元通過對輸出的電流動態負載跟蹤，根據負載需要，進行電力變換，反饋調節控制燃料和空氣進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 自身系統在出現故障時可正常運行。電管理系統是固體氧化物燃料電池發電系統走向實際應用的關鍵部分。

1.2 SOFC 單電池

SOFC 系統的關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 的重要基礎部件。單電池的組成包括陽極、電解質、陰極和連接體等，平板式單電池及電堆如圖2所示。

圖 2 板式結構 SOFC 及電池組[6]Fig.2 Planar-design SOFC and stack[6]

其工作原理反應式如下（以氫氣為燃料）：

陽極反應 H2+O2-→H2O+2e-

陰極反應 ?O2+2e-→O2-

總反應 H2+?O2→H2O

各組成部分因作用不同而對材料的選擇有不同的性能要求。陽極材料[7]和陰極材料[8]不僅要為燃料的電化學氧化反應提供場所，也要對燃料氧化反應的進行起催化作用，同時還要轉移反應產生的電子和氣體。在對陽極和材料進行選擇時，必須同時考慮其作用功能和工作環境。對于陽極和陰極材料要求：(1) 好的化學穩定性和熱穩定性；(2)良好的催化活性和足夠的表面積，以促進燃料的電化學氧化反應的進行；(3)適當的孔隙率，使燃料氣能源源不斷的供應到陽極與電解質的界面處參與反應，并將產生的水蒸氣和其它的副產物帶走，同時又不嚴重影響陽極的結構強度；SOFC 的陽極一般由金屬鎳及氧化釔穩定的氧化（YSZ ）骨架組成，摻雜的錳酸鑭是常用的陰極材料。

電解質的主要作用是在兩電極之間傳導氧離子及對燃料及氧化劑產生有效隔離，電解質的性能直接決定電池的性能，對于電解質要求氧離子電導率高；電子電導率低，不滲透反應氣體?？勺麟娊赓|材料的物質有氧化鋯、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、與單電池的熱膨脹系數匹配、有良好的化學穩定性(與陽極和陰極在室溫工作范圍內不反應)，同時要求不透氣，能有效分隔燃料和氧化劑?？捎米鬟B接體的材料有摻雜鉻酸鑭和合金。

2 SOFC 的應用

2.1 電廠混合發電

SOFC 在高溫（700～1 000 ℃）下運行，其排出的高溫氣體因此帶有很大的能量，結合燃氣輪機或者蒸汽機進行混合發電，能使排出氣體中的廢熱得到有效利用, 提高系統整體效率。SOFC 與燃氣輪機組成的聯合系統技術（SOFC-GT）有兩種基本循環方式[9]: 頂層模式和底層模式。在頂層模式中, 燃料和空氣先進入 SOFC 電池參與化學反應釋放能量，從陽極出來的氣體中仍然含有一定量的、反應不完全的 H2和 CO 等可燃氣體。從陽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入透平做功, 透平排出的廢氣經過回熱器再利用后排出。在底層模式中, 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入燃料電池作為氧化氣體。有文獻報道，增壓型 SOFC 與帶回熱器和中間冷卻器的燃氣輪機組成的發電效率可達到 70%或更高，在分布式能量系統應用上微型燃氣輪機與 SOFC 組成的發電系統效率也可達到 65%[9]。SOFC 與燃氣輪機聯合發電，將是一種極有前景的分布式發電方案

2.2 家用熱電聯產

SOFC 系統產生的廢熱不僅可以通過與發電廠燃氣輪機聯合作為熱源供給聯合循環發電系統的其他部分使用混合發電，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 熱電聯產工藝如圖3。

圖 3 SOFC 熱電聯產[10]Fig.3 SOFC combined heat and power generation[10]

可以根據當地具體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 發電用于家庭電器用電，剩余電量用儲蓄電池儲存或者聯接電網輸送，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為室內供暖。

3 結 論

伴隨著石油和煤炭等傳統能源的日益枯竭和對環保的要求，如何尋找一種綠色、高效利用的能源方式成為了各國的能源發展的主題。SOFC 不受卡諾循環的效率限制，熱電聯供最高能量利用效率能達到 80%，而且污染小對環境友好，作為未來的一種新型發電技術將會越來越得到人們的重視。但目前還存在制造成本偏高，單位發電價格高于現有發電單位價格，目前還處于實驗室試運行階段離真正的商業化應用還有一定的距離。

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

［2］ 衣寶廉. 燃料電池- 原理. 技術. 應用[M] .北京: 化學工業出版社, 2003.

［3］ 隋智通,隋升,羅冬梅.燃料電池及其應用[M].北京:冶金工業出版社,2004.

［4］ 侯麗萍，張暴暴. 固體氧化物燃料電池的系統結構及其研究進展[J]. 西安工程科技學院學報，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]. 無機材料學報, 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].北京化工大學學報，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文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1260-02

中國礦業大學“大學生創新訓練計劃”項目，項目號：X1029012251；中央高校基本科研業務費專項資金資助，項目號：2013DXS02。

2013-12-02

蔡浩（1992-），男，中國礦業大學能源與化學工程， E-mail：yifanccai@hotmail.com。