固体氧化物燃料电池系统及其应用

蔡 浩，陈洁英，邓 奎，陈茹玲

（中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

固体氧化物燃料电池系统及其应用

蔡 浩，陈洁英，邓 奎，陈茹玲

（中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

对固体氧化物燃料电池系统和单体电池及其工作原理、材料组成等作了简要介绍，并介绍了固体氧化物燃料电池在电厂混合发电方面与燃气轮机组成的联合系统技术以及以天然气为燃料家庭热电联产方面的应用。并指出固体氧化物燃料电池由于其高效、环保清洁将是未来能源利用的主要方式。

固体氧化物燃料电池；燃料电池燃气轮机；热电联产

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一种在高温下将储存燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置。它以具有氧离子导电性的陶瓷固体材料作为电解质，具有全固态结构，无液态电解质泄露等缺点，长期稳定性好；能量转化效率高，效率不受卡诺循环热机的限制，一次发电效率为 40%～60%，系统热电联供效应为 60%～80%[1]；燃料适应性强来源广泛，可作为 SOFC 的燃料包括煤气、沼气、氢气和天然气等；无运动部件，电池模块化组装堆积，可以根据实际应用要求，组装成从数瓦的微型发电系统到数百兆瓦的发电用发电系统，在分布式发电、可移动便携电源、辅助动力装置、交通运输动力系统以及军事运用等方面具有广泛的应用前景[2]。被认为是继火电、水电与核电之后的第四代发电方式[3]，近年来得到了各国政府、各大公司以及各研究机构的普遍重视。

1 SOFC 系统及单电池

1.1 SOFC 系统

一套完整的 SOFC 的发电系统主要由电池电堆系统和辅助管理系统构成[4]，其中电池电堆是 SOFC的关键单元，由几个单电池片串连组装而成，重整脱硫后的燃料和空气在电堆里发生反应产生直流电。辅助管理系统主要包括燃料供应系统、热管理里系统和电管理系统，燃料供应系统包括重整器部分，如图1所示。

图 1 SOFC 系统Fig.1 The system of SOFC

热管理系统是固体氧化物燃料电池发电系统的根本保障[5]。热管理里系统主要包括热平衡单元，主要工作是控制好系统各级的换热工作，使固体氧化物燃料电池的电堆工作温度保持在正常范围内。

电管理系统主要包括固体氧化物燃料电池直流交流变换器单元、管理总体控制器单元和辅助供电电源单元等，直流交流变换器将电堆产生的直流电通过变压和逆变转换成 50 Hz的交流电，管理总体控制器单元通过对输出的电流动态负载跟踪，根据负载需要，进行电力变换，反馈调节控制燃料和空气进出电堆的速度完成电能管理，辅助供电电源单元主要保证 SOFC 自身系统在出现故障时可正常运行。电管理系统是固体氧化物燃料电池发电系统走向实际应用的关键部分。

1.2 SOFC 单电池

SOFC 系统的关键部分电堆是由单电池通过串连或并连组装而成，单电池是组成 SOFC 的重要基础部件。单电池的组成包括阳极、电解质、阴极和连接体等，平板式单电池及电堆如图2所示。

图 2 板式结构 SOFC 及电池组[6]Fig.2 Planar-design SOFC and stack[6]

其工作原理反应式如下（以氢气为燃料）：

阳极反应 H2+O2-→H2O+2e-

阴极反应 ½O2+2e-→O2-

总反应 H2+½O2→H2O

各组成部分因作用不同而对材料的选择有不同的性能要求。阳极材料[7]和阴极材料[8]不仅要为燃料的电化学氧化反应提供场所，也要对燃料氧化反应的进行起催化作用，同时还要转移反应产生的电子和气体。在对阳极和材料进行选择时，必须同时考虑其作用功能和工作环境。对于阳极和阴极材料要求：(1) 好的化学稳定性和热稳定性；(2)良好的催化活性和足够的表面积，以促进燃料的电化学氧化反应的进行；(3)适当的孔隙率，使燃料气能源源不断的供应到阳极与电解质的界面处参与反应，并将产生的水蒸气和其它的副产物带走，同时又不严重影响阳极的结构强度；SOFC 的阳极一般由金属镍及氧化钇稳定的氧化（YSZ ）骨架组成，掺杂的锰酸镧是常用的阴极材料。

电解质的主要作用是在两电极之间传导氧离子及对燃料及氧化剂产生有效隔离，电解质的性能直接决定电池的性能，对于电解质要求氧离子电导率高；电子电导率低，不渗透反应气体。可作电解质材料的物质有氧化锆、氧化铋、氧化铈和钙钛矿等。

连接材料作为连接体或双极板在电池堆中起着支撑、收集电流、提供气体通道的作用，其基本要求是在工作温度和氧化还原气氛中抗氧化性较好、有较高的电子电导、与单电池的热膨胀系数匹配、有良好的化学稳定性(与阳极和阴极在室温工作范围内不反应)，同时要求不透气，能有效分隔燃料和氧化剂。可用作连接体的材料有掺杂铬酸镧和合金。

2 SOFC 的应用

2.1 电厂混合发电

SOFC 在高温（700～1 000 ℃）下运行，其排出的高温气体因此带有很大的能量，结合燃气轮机或者蒸汽机进行混合发电，能使排出气体中的废热得到有效利用, 提高系统整体效率。SOFC 与燃气轮机组成的联合系统技术（SOFC-GT）有两种基本循环方式[9]: 顶层模式和底层模式。在顶层模式中, 燃料和空气先进入 SOFC 电池参与化学反应释放能量，从阳极出来的气体中仍然含有一定量的、反应不完全的 H2和 CO 等可燃气体。从阳极出来的气体与阴极出来的气体在燃烧室中混合燃烧, 燃烧后的高温混合气体进入透平做功, 透平排出的废气经过回热器再利用后排出。在底层模式中, 燃料先在燃烧室中燃烧, 通过透平膨胀做功后的尾气仍然含大量没有燃烧的 O2, 并具有较高的温度。这些透平出来的尾气进入燃料电池作为氧化气体。有文献报道，增压型 SOFC 与带回热器和中间冷却器的燃气轮机组成的发电效率可达到 70%或更高，在分布式能量系统应用上微型燃气轮机与 SOFC 组成的发电系统效率也可达到 65%[9]。SOFC 与燃气轮机联合发电，将是一种极有前景的分布式发电方案

2.2 家用热电联产

SOFC 系统产生的废热不仅可以通过与发电厂燃气轮机联合作为热源供给联合循环发电系统的其他部分使用混合发电，而且可以直接通过换热器为城市或家庭供热。家用型微型 SOFC 热电联产工艺如图3。

图 3 SOFC 热电联产[10]Fig.3 SOFC combined heat and power generation[10]

可以根据当地具体燃料使用情况选择天然气或者煤气作为 SOFC 的燃料，燃料气通过脱硫和催化重整处理后用于 SOFC 发电用于家庭电器用电，剩余电量用储蓄电池储存或者联接电网输送，高位尾气的热量通过换热器换热可以用于加热家庭生活用水或为室内供暖。

3 结 论

伴随着石油和煤炭等传统能源的日益枯竭和对环保的要求，如何寻找一种绿色、高效利用的能源方式成为了各国的能源发展的主题。SOFC 不受卡诺循环的效率限制，热电联供最高能量利用效率能达到 80%，而且污染小对环境友好，作为未来的一种新型发电技术将会越来越得到人们的重视。但目前还存在制造成本偏高，单位发电价格高于现有发电单位价格，目前还处于实验室试运行阶段离真正的商业化应用还有一定的距离。

［1］ 韩敏芳,彭苏萍.碳基燃料固体氧化物燃料电池发展前景[J].中国工程科学,2013,15（2）：4-6．

［2］ 衣宝廉. 燃料电池- 原理. 技术. 应用[M] .北京: 化学工业出版社, 2003.

［3］ 隋智通,隋升,罗冬梅.燃料电池及其应用[M].北京:冶金工业出版社,2004.

［4］ 侯丽萍，张暴暴. 固体氧化物燃料电池的系统结构及其研究进展[J]. 西安工程科技学院学报，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］ 杨乃涛, 孟秀霞. 中文固体氧化物燃料电池的研究[J]. 无机材料学报, 2006, 21(2): 409-414

［8］ 沈薇, 赵海雷. 固体氧化物燃料电池阴极材料的研究进展[J]. 电池, 2009, 39(3): 173-175．

［9］ 卢涛，佟德斌．饱和含水土壤埋地原油管道冬季停输温降[J].北京化工大学学报，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文献标识码： 1671-0460（2014）07-1260-02

中国矿业大学“大学生创新训练计划”项目，项目号：X1029012251；中央高校基本科研业务费专项资金资助，项目号：2013DXS02。

2013-12-02

蔡浩（1992-），男，中国矿业大学能源与化学工程， E-mail：yifanccai@hotmail.com。