中國粉體網訊  燃料電池與傳統的發電裝置不同，它能直接將燃料的化學能轉化為電，不用熱動力循環做功，因而擺脫了卡諾循環的限制，具有更高的發電效率。

燃料電池的種類多，目前主要有堿性燃料電池（AFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）等幾種類型。其中SOFC具有反應溫度高、催化劑不含貴金屬、燃料來源廣、能夠熱電聯供等優點，近年來其發展速度越來越快。

工作原理

SOFC由氧電極(陰極) 、燃料電極(陽極) 和夾在其之間的致密離子導體(固體電解質) 及連接陽極和陰極以收集電能的外部電路組成。

以碳氫化合物為燃料的SOFC工作示意

工作過程中，電極不直接參與反應，僅起催化劑作用，并提供離子和電子傳輸。如果使用碳氫化合物作為 SOFC 的燃料氣體，并假設燃料在工作過程中被完全氧化，則陰極和陽極會自發發生以下反應：

陰極與氧氣接觸，O₂分子利用來自陽極的電子還原為陰離子( O₂^－) 。隨后，O₂^－離子穿過電解質并進入陽極，并氧化燃料產生水和二氧化碳，最后在陽極釋放電子。產生的電子穿過外部電路并返回到陰極。當燃料和氧化劑充足時，SOFC 可以繼續對外電路供電。

關鍵材料

SOFC典型結構

固體氧化物燃料電池由陽極、陰極、電解質、連接體及密封材料等部件組成。其中電極的主要功能是為電化學反應提供反應場所，并傳導電化學反應產生的(或需要的)電子；電解質的主要功能為傳導氧離子或質子；連接體的主要功能是將單電池連接，實現大功率輸出，并隔斷空氣與燃料直接反應；密封材料則是將燃料和空氣分隔密封在各自的流程區域內。

目前陽極主要采用Ni-YSZ多孔金屬陶瓷。

電解質多為氧離子傳導性良好、不透氣的固態氧化物電解質，主要用陶瓷材料，通常采用氧化釔穩定的氧化鋯（YSZ），也可以是摻雜的氧化鈰、氧化鈧穩定的氧化鋯、摻雜的鎵酸鑭等。

陰極催化劑一般采用鈣鈦礦氧化物與電解質材料構成復合陰極，如廣泛使用的LSM-YSG復合陰極，也可以是鈷酸鑭、鈷酸鍶釤等鈣鈦礦。

SOFC組件結構

管式SOFC（a）和平板式SOFC（b）

目前市場上廣泛使用的SOFC單元的組件設計形式大體分為兩類，即管式設計圖（a）和平板式設計圖（b）。管式設計由于其良好的密封性能而具有良好的長期穩定性，而平板式設計由于短的電流路徑而具有高的功率密度，這兩種設計方式各有優缺點，因此可根據不同的應用場景選擇SOFC的設計類型。

優勢

固體氧化物燃料電池與其它燃料電池相比，主要有以下優勢：

①SOFC是采用固體氧化物作為電解質，具有全固態結構，因而無腐蝕、無泄漏、安全性高，可以單體設計。

②SOFC工作溫度高（600~1000℃），在此溫度下，電極反應迅速，且不需要使用貴金屬如Pt等作為電極催化劑。

③發電效率高，不受卡諾循環限制，且燃料利用率高，高品質余熱可以繼續發電，也可以實現熱電聯供，能量利用率高達80%~90%。

④燃料適用范圍廣，由于工作溫度較高，可以直接使用諸如天然氣、液化石油氣、煤氣化氣等來自于化石能源的燃料，也可以使用乙醇、沼氣、生物質氣化氣等來自于生物質的燃料，還可以使用甲醇、氨氣等未來利用“綠氫”和CO2反應得到的可再生燃料。

應用場景

基于以上特性，SOFC具有廣闊的應用前景。具體的應用場景有以下幾個方面：

小型家庭熱電聯供系統

小型SOFC家庭熱電聯供系統能夠為家庭住宅提供電能和熱水，在節能減排以及電力的削峰填谷方面優勢明顯。這方面日本已經有了成功的先例，其家用熱電聯產產品“ENE Farm”自 2009年5月已經累計銷售超過11萬臺。

分布式發電

SOFC發電效率高、無噪音、無污染排放、功率范圍調整靈活，可以提供百kW到幾十MW功率的燃料電池系統，特別適合作為分布式發電或者數據中心的備用電源。Bloom Energy公司開發的產品目前已在蘋果、谷歌、易趣等眾多公司得到應用，在美國安裝超過130MW的SOFC燃料電池。

交通領域

SOFC作為車輛、輪船、無人機等工具的輔助或者動力電源也得到了推廣應用。2016年日產發布了世界首輛SOFC作為動力源的汽車，SOFC的燃料是生物乙醇，續航里程可超過600km。Bloom Energy公司與三星重工合作，計劃將產品應用于船舶電源，預計到2027年，將有超過100艘郵輪需要超過4GW的電池訂單。

大型發電站

CO₂近零排放的大型煤氣化燃料電池發電技術（IGFC）是將整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）與高溫固體氧化物燃料電池或MCFC相結合的發電系統，發電效率更高，CO₂捕集成本低，是煤炭發電的根本性變革技術。三菱日立電力則致力于SOFC聯合循環大型發電系統研發，2018年實現商用250kW和1MW規格的聯合發電產品。

反向電解制氫

SOFC正向運行可發電，逆向運行可實現電解，即為固體氧化物電解池（SOEC）。SOEC可以通過電解水制氫，把與負荷不匹配而浪費的電能儲存到氫氣中，且電解效率高達85%～95%，遠高于其他電解技術。

參考來源：

1.張偉等《碳基固體氧化物燃料電池研究進展》

2.中國化工信息周刊《固體氧化物燃料電池，距離商業化差什么？》

3.上海海事大學TISC《科技前沿速遞——船用固體氧化物燃料電池》

（中國粉體網編輯整理/喬木）

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