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固体氧化物燃料电池（SOFC）

作者：唐鹃编译来源：上海情报服务平台

一、SOFC定义及优势

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。

燃料电池的历史可以追溯到1839年，固体氧化物燃料电池的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。

SOFC与第一代（磷酸型燃料电池，简称PAFC）、第二代燃料电池（熔盐碳酸盐燃料电池，简称MCFC））相比它有如下优点：（1）较高的电流密度和功率密度；（2）阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；（3）可直接使用氢气、烃类（甲烷）、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；（4）避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；（5）能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统；（6）广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；（7）陶瓷电解质要求中、高温运行（600～1000℃），加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种新型发电装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。

二、SOFC组成及工作原理

单体燃料电池主要组成部分由电解质（electrolyte）、阳极或燃料极（anode，fuel electrode）、阴极或空气极（cathode，air electrode）和连接体（interconnect）或双极板（bipolar separator）组成。

SOFC的工作原理与其他燃料电池相同：

早期开发出来的SOFC的工作温度较高，一般在800～1000℃。目前科学家已经研发成功中温固体氧化物燃料电池，其工作温度一般在800℃左右。一些国家的科学家也正在努力开发低温SOFC，其工作温度更可以降低至650～700℃。工作温度的进一步降低，使得SOFC的实际应用成为可能。

在SOFC的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气（H2）、甲烷（CH4）、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。

三、固体氧化物燃料电池组

单体燃料电池只能产生1V左右电压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的功率。

可以应用的方式：将若干个单电池以各种方式（串联、并联、混联）组装成电池组。目前SOFC组的结构主要为：管状（tubular）、平板型（planar）和整体型（unique）三种，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。

1、管状SOFC

管状结构SOFC是最早发展的一种形式，也是目前较为成熟的一种形式。单电池由一端封闭、一端开口的管子构成，如图2a所示。最内层是多孔支撑管，由里向外依次是阴极、电解质和阳极薄膜。氧气从管芯输入，燃料气通过管子外壁供给。

目前管状结构单电池已经运行了数万小时。单电池通过阴、阳极间连接形成电池堆，如图2b所示。

资料来源：彭苏萍等，物理 2004 33（2） 90～94：固体氧化物燃料电池

2、平板型SOFC

平板型固体氧化物燃料电池的几何形状简单，其设计形状使得制作工艺大为简化。平板式SOFC结构组成如图3a所示。阳极、电解质、阴极薄膜组成单体电池，两边带槽的连接体连接相邻阴极和阳极，并在两侧提供气体通道，同时隔开两种气体。

平板型固体氧化物燃料电池堆结构如图3b所示。

资料来源：彭苏萍等，物理 2004 33（2） 90～94：固体氧化物燃料电池 (end)

(投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2007-5-30，阅读1708次)

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