SOFC（固体氧化物燃料电池）的基础知识（1）

01什么是燃料电池

燃料电池是一种利用氢气等燃料发电的装置。电解水会产生氢气和氧气，而燃料电池正是利用了其逆反应，即利用氢气等燃料与氧气反应来发电（反应生成水）。

02燃料电池的种类和特征

根据电解质的种类，燃料电池分成以下四类（常规工作温度（=电池温度）、常规燃料）。

 ※DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) 也是PEFC的一种。

 ※PEFC也称作PEM (Polymer Electrolyte Membrane)。

目前，MCFC的开发和商业化程度最高，而低温下易于处理的PEFC（部分商业化）和具有高效SOFC的开发备受关注。

■PEFC的优缺点

・低温下操作。

・启动时间相对较短。

・由于是高分子材料，零件易于成型且成本低廉。

・效率低于SOFC。（使用氢燃料时为45-55％）

・需注意过热。

・由于使用氢燃料，存在基础设施配套的问题（从城市燃气中制取氢气需要额外的重整器，而要应用到燃料电池汽车上，需要建设氢气站）。

・铂催化剂价格昂贵。

■SOFC的优缺点

・效率优于PEFC。（天然气+混合动力发电效率可达55-65％）

・废热可用于涡轮发电（混合发电）和热水供应。

・可以使用城市燃气（利用电池的废热进行改造），并可以直接利用现有的基础设施。

・不需要铂催化剂。

・高温下操作，热循环性能下降。

・零件材料仅限于陶瓷等材料，价格高昂，设计也受到限制。

・启动时间比较长。

同样是SOFC，所需的性能也各有不同。例如，工业用的大功率电池（几十到几百千瓦）启动后一般会持续运行，因此，只要能保证寿命长、效率高，即使启动时间较长、高温下运行也可以接受。而汽车APU需要开启或关闭开关，所以要求其具有较高的热循环性能（保持低温）、较短的启动时间和轻量化等。

03SOFC电池的构造

・阴极（空气极）的反应：½O₂ + 2e- →O^2-

・阳极（燃料极）的反应：H₂ + O^2-→H₂O + 2e^-

氧原子在阴极接收电子变成O^2-离子进入电解质，在电解质中移动的过程中与电解质材料发生交换反应到达阳极，然后在阳极与氢结合并释放出电子，由此产生电流。

・阴极材料（空气极）

为具有抗氧化能力的多孔结构，使氧气顺利通过进入电解质；包括：LSM/La_0.6Sr_0.4MnO (lanthanum strontium manganite) 、LSC/La_0.6Sr_0.4CoO₃ (Lanthanum Strontium Cobaltite)、SSC/Sm_0.5Sr_0.5CoO₃（SSC）、LSCF /(La,Sr)(Co,Fe)O₃等MIEC（混合离子电子导体）。

・电解质材料

多为氧离子传导性良好（=氧化物），不透气的固体。主要有YSZ（氧化钇稳定二氧化锆）、ScSZ（掺杂Sc₂O₃的ZrO₂）、镓酸镧（LaGaO₃）等陶瓷材料。

・阳极材料（空气极）

与阴极类似，为多孔结构以便于气体通过。主要有氧化镍和陶瓷（基本类似于电解质材料）的符合材料，例如，NiO-YSZ、NiO-ScSZ。

如上图（阴极和阳极之间的化学反应）所示，阳极材料和阴极材料还需要在电解质-气体界面处具有电催化作用，并且与电解质的热膨胀系数之间差异不能太大，因此材料选择受到限制。

另外，平板型SOFC包括：电解质增厚的电解质支持电池（ESC=Electrolyte-Supported Cell）、阳极增厚的阳极支持电池（ASC=Anode-Supported Cell）、阴极增厚的阴极支持电池（CSC=Cathode-Supported Cell）。此外，还包括在阳极下方放置多孔金属层的金属支撑电池（MSC=Metal-Supported Cell）。还有的阳极和阴极分别有两层，每层具有不同的多孔率（为保证气体的均匀分布，在电解质附近的多孔率通常较低）。

将多个单电池串联构成“电池堆”以获得大功率，特别是在平板型SOFC电池中，电池与电池之间多采用金属或陶瓷的“连接器（隔板）”进行连接。而在管型SOFC电池中，连接器多采用陶瓷制成。

此外，电池堆的集合成为具有一定功率的“模块”，例如“1.5kw模块”。由单个或多个模块与燃气重整器、热交换器、涡轮机等构成的整体称为“SOFC系统”。

04SOFC系统的构造

下图为利用电池的废热使涡轮机转动的混合发电的示例。

当甲烷和氧气反应时，理论上会产生800 KJ/mol的能量，在燃烧的情况下能力损失为265 KJ/mol，而在SOFC中的能量损失仅为96 KJ/mol。在SOFC系统中，电池温度最高，利用其废热进行甲烷重整、涡轮发电等效率最高（而其他部分的高温则是通过燃烧提高温度或是从外部导入能量，这意味着系统效率的降低。）。

还存在其他方法，例如使用催化剂燃烧电池中的残余燃料气体、或是将电池的废热用于重整器和生成热水等，但是在任何情况下，电池的温度都保持最高。

增长寿命和提高效率是SOFC的开发中的重要课题，而这取决于工作温度。一般认为SOFC的工作温度范围为500-1000℃。其原因是，当温度超过1000℃时，电池材料会急剧劣化，而周围部件可选用的材料有限，导致成本增加；反之，当温度低于500℃时，电解质的离子交换反应会急剧降低，低温也会导致热交换重整（例如，甲烷→氢）的难以进行。工作温度总结如下。

■SOFC的工作温度-高温下的优缺点

・电流密度高。（电流顺畅）

・便于重整（甲烷→氢气重整是吸热反应，高温下效率更高）。

・材料选择有限，价格较高。

・材料劣化较快。

・材料强度下降，操作不便。

・电解质等的电阻增大。

■SOFC的工作温度-低温下的优缺点

・材料选择范围广，可选用廉价材料。

・材料劣化相对缓慢。

・材料强度稳定，操作方便。

・电解质等的电阻值减小。

・电流密度低。（电流不畅）

・不利于重整。

（文中图片皆来自于kunisan.jp）

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