1.3　固體氧化物燃料電池（SOFC）概述

固體氧化物燃料電池是燃料電池的一種，采用諸如摻雜氧化釔（Y2O3）的氧化鋯（ZrO2）之類的固態氧化物作為電解質，可以直接利用由化石能源、生物質能轉化得到的碳氫化合物氣體作為燃料，經過外部或內部重整反應和電極內的電化學反應，將燃料的化學能轉化為電能。SOFC除了具備一般燃料電池的高效率、低污染等優勢外，還有如下幾個特點[10]。

（1）燃料供應靈活

SOFC可以使用各種碳氫燃料（H2，CH4，CO，汽油，天然氣等），與MCFC和PAFC的燃料需求類似，而AFC和PEMFC則依賴高純度氫氣供應，氫氣的壓縮、儲運都不容易解決且供應網絡不成熟。

（2）高品質余熱利用

燃料電池將燃料轉為電能的同時會釋放一部分熱能，對于高溫工作的SOFC和MCFC余熱溫度高，熱電聯供能量利用率可高達80%以上，而PAFC、AFC和PEMFC等低溫燃料電池余熱利用經濟性不高。

（3）電池壽命長

SOFC全固態結構，無電解質的蒸發與泄露問題，也不必考慮由液態電解質所引起的腐蝕和流失等問題，使用壽命較長，德國尤利希研究中心開發的一款高溫燃料電池從2007年8月開始工作，目前已經連續工作超過7萬小時，MCFC也達到4萬小時，而低溫的PEMFC目前僅有5000小時壽命。

（4）電池成本低

通用公司的SOFC成本已降到388美元/kW，很接近火力發電機組的成本了，而PEMFC或DMFC因為需用貴金屬催化劑和使用高純度氫氣，成本比較高，通用公司的PEMFC約1500美元/kW，MCFC約1715美元/kW。

（5）開機時間長

因為高溫運行，SOFC需用加熱才能使用，因此啟動速度較慢，大型SOFC機組啟動需數小時之久，而室溫型的AFC和PEMFC都只要打開電源就可使用。

1.3.1　SOFC基本原理

SOFC具有“三明治”結構，由多孔陽極層-致密電解質層-多孔陰極層三層組成，其中電解質為固體氧化物材料。不同于普通化學反應，電池中的燃料氣和氧化氣并不直接接觸，而是分別發生半電化學反應，二者空間上互相分隔，通過電極傳輸電子，通過電解質傳輸離子。整個工作過程主要有6個步驟：反應物輸送到燃料電池、反應物在氣道內傳輸、在電極與電解質交界面上發生電化學反應、離子和電子傳導、生成物排出。

圖1.5是SOFC電化學反應原理示意圖，以氫氧反應為例，陰極一側的反應可簡單表述為：

　　（1.1）

其電化學反應涉及的氧氣存在于電極氣孔中，電子通過電子導體相傳輸，而氧離子通過復合電極內的離子導體相傳輸。

氧離子通過致密電解質傳導到陽極側，并與氫氣發生反應對外輸出電子電流。

　　（1.2）

其總反應可表示為

　　（1.3）

由反應方程式可得，每消耗一個氫氣分子就有兩個電子繞外電路循環一圈。因此每消耗1mol氫氣，在回路中傳輸的電荷總量為，

　　（1.4）

式中，N表示阿伏伽德羅常數（表示每摩爾氣體的分子數量）；e為單位電子電量；F為法拉第常數。若用ENernst表示SOFC的開路電壓，則移動這些電子所做的電功為-2FENernst。

1.3.2　SOFC常見類型

由于SOFC的全固態結構，因此在其結構與外形設計上可有多種選擇，可以根據不同的使用要求和所處環境進行設計。設計時應以性能可靠、便于放大和維修以及價格合理為原則。目前，常見的設計有平板式、管式和瓦楞式[25]。每種設計都各具特色，分別介紹如下。

（1）平板式SOFC

平板式SOFC結構如圖1.6所示，陽極、電解質、陰極形成三層平板式的結構。然后將雙面刻有氣道的連接板置于兩個三層板之間，構成串聯電堆結構，燃料氣和氧化氣垂直交叉從連接板上下兩個面的氣道中分別流過。

平板式SOFC的優點是電池結構及制備工藝簡單，成本低；電流通過連接體的路徑短，電池輸出功率密度較高，性能好。但是，其高溫無機密封比較困難，由此導致了較差的熱循環性能，影響平板式SOFC長期工作的穩定性。然而，隨著SOFC運行溫度的低溫化，不銹鋼等合金材料也可應用到連接體，這在一定程度上降低了對密封等其他材料的要求。

（2）管式SOFC

管式SOFC最早是由美國西屋公司開發出來的，也是目前應用較成功的SOFC構型。其結構如圖1.7所示。

該公司設計的結構是，陰極、電解質、陽極由內至外依次分布形成管式。管式SOFC相對于平板式SOFC的最大優勢是單管組裝簡單，無需高溫密封，可依賴自身結構分隔燃料氣和氧化氣在管的內外，而且易于以串聯或并聯的方式將各單管電池組裝成大規模的燃料電池系統，在機械應力和熱應力方面也比較穩定，但管式SOFC的電流沿著環形電極流動，電流的傳輸路徑長，導致電池的歐姆損耗較大，功率密度偏低[15]。

（3）瓦楞式SOFC

瓦楞式SOFC與平板式SOFC在結構上相似，主要區別在于瓦楞式SOFC將三合一的夾層平板結構（PEN板）板制成了瓦楞型，瓦楞式SOFC自身就可以形成所需的氣體通道，無需像平板式SOFC那樣在連接體兩側刻有氣道，如圖1.8所示。

更有利的是瓦楞式SOFC無需支撐結構，體積小、重量輕，有效反應面積比平板式大，內阻小，電池輸出功率密度及效率均得到一定提升，且無需采用高溫封接，結構牢固、可靠性高。然而，由于電解質陶瓷材料本身脆性較大，其瓦楞式結構使得制備工藝要求非常高，一次燒結成型存在一定的難度，目前尚處在實驗階段[26]。

1.3.3　SOFC部件材料

（1）電解質材料

固體電解質是SOFC結構中最重要的部件，承擔著氧離子傳遞、分離空氣與燃料以及防止電子穿透的作用，其性能優劣直接影響整個電池的能量轉換效率，并決定電極材料的選擇。

常用的SOFC電解質材料有氧化釔摻雜的氧化鋯（YSZ）[27]。

（2）電極材料

電極由多孔電極和其表面的催化劑層組成，多孔狀電極有利于物質擴散，催化劑可加速分解燃料或氧氣。

如果SOFC的電解質材料采用YSZ，與之匹配的陽極采用50～100μm厚的Ni-YSZ，其中Ni是陽極催化劑，陰極材料則用鑭鍶錳LSM[28]。

（3）連接體材料

連接體保障了相鄰兩個單電池之間的電路暢通，并分隔燃料及空氣，亦起到了傳導熱量的作用。

SOFC常使用高溫導電陶瓷材料，如摻雜鉻酸鑭鈣鈦礦氧化物[29]，也有采用合金材料的[30]。

（4）密封材料

密封材料分隔氧氣與燃料，防止燃料滲漏，結合不同組件，保證彼此的絕緣性。SOFC密封材料分壓實型和黏結型兩類。比較常用的是云母及云母基復合材料[31]。