近幾十年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為一個能源生產(chǎn)和消費大國，隨之引起的資源消耗和環(huán)境問題日益凸顯，尋求和發(fā)展高效、清潔的新能源技術(shù)是解決上述問題的關(guān)鍵。燃料電池是一種通過電極反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，燃料電池技術(shù)是繼水力、火力和核能之后的新一代發(fā)電技術(shù)。根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為多種類型，其中，固體氧化物燃料電池因具有能量轉(zhuǎn)化效率高(熱電聯(lián)供的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%以上)、對環(huán)境友好、良好的安全性與適應(yīng)性等優(yōu)點而備受關(guān)注。

在國際上，美國、德國、加拿大、日本等國家都投入了大量的人力和財力對固體氧化物燃料電池技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，已經(jīng)取得了令人矚目的成績。日本三菱重工開發(fā)的200kW固體氧化物燃料電池-MGT復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，已經(jīng)連續(xù)運行超過4000h，日本分布式家用燃料電池系統(tǒng)ENE-FARM快速普及，終端用戶已達(dá)幾十萬套。雖然我國在固體氧化物燃料電池研發(fā)中處于追趕狀態(tài)，但已經(jīng)有越來越多的高校和科研院所投入到固體氧化物燃料電池的研究工作中，國家也將發(fā)展百千萬級至兆瓦級固體氧化物燃料電池發(fā)電分布式能源系統(tǒng)列入技術(shù)攻關(guān)項目。

本書作者孫克寧及其團(tuán)隊十幾年來一直致力于固體氧化物燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)，經(jīng)過多年不懈努力和集體攻關(guān)，團(tuán)隊在單體電池研發(fā)和電池堆的構(gòu)建上開展了一系列創(chuàng)新性的工作，取得了較為突出的成績，積累了相當(dāng)豐富的理論知識和實踐經(jīng)驗。本書的撰寫立足于上述研究工作，同時對國內(nèi)外知名研究團(tuán)隊的最新研究成果進(jìn)行了梳理和總結(jié)。筆者希望，這本書能為從事固體氧化物燃料電池領(lǐng)域研發(fā)工作的科研人員提供指導(dǎo)和幫助。

按所用電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池(alkalinefuelcell，AFC)、磷酸型燃料電池(phosphoricacidfuelcell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell，MCFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)等。目前，燃料電池的研究重點為SOFC和PEMFC，并向商業(yè)化發(fā)展。表1是目前各種燃料電池技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

SOFC原理

SOFC結(jié)構(gòu)類型

為了實際應(yīng)用，SOFC單體電池需要做成電池堆以增加電壓和輸出功率。合理的SOFC結(jié)構(gòu)應(yīng)具有四個基本特征，即性能可靠、便于放大、方便維修和價格低廉。SOFC的構(gòu)型不同，電池的制作方法也不同。SOFC電池堆可以做成不同結(jié)構(gòu)，如平板式、管式、套管式和瓦楞式等。但經(jīng)過長期的發(fā)展和優(yōu)化，目前采用的SOFC結(jié)構(gòu)類型主要有平板式、圓管式和扁管式三種。

SOFC特點及應(yīng)用

SOFC的優(yōu)勢符合能源市場的自由化、環(huán)境意識的加強(qiáng)和分布式發(fā)電的趨勢。SOFC系統(tǒng)最誘人的特性是效率高、燃料的適應(yīng)性強(qiáng)及幾乎沒有顆粒物、NOx、SOx的排放。以燃?xì)鈾C(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)和組合循環(huán)裝置等有競爭力的系統(tǒng)設(shè)定的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的規(guī)格為基準(zhǔn)，SOFC組合系統(tǒng)在電效率、部分負(fù)荷效率和排放方面都比現(xiàn)有的技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢。SOFC的具體特點如下。

01

高的工作溫度(一般在600°C以上)有效地提升了電極的反應(yīng)活性，使其不必像其他低溫燃料電池那樣使用貴金屬催化劑，而代之以廉價的氧化物電極材料。

02

高溫工作拓寬了燃料的選擇范圍，價格相對低廉的烷烴類燃料可以在電池內(nèi)部重整和氧化產(chǎn)生電能。這樣就避免了使用價格相對昂貴的氫氣作為燃料。同時，高溫工作大大提高了電池對硫化物的耐受能力，其耐受能力比其他燃料電池至少高兩個數(shù)量級。

03

SOFC工作時產(chǎn)生大量的余熱，可以實現(xiàn)熱電聯(lián)用，提高發(fā)電系統(tǒng)的效率，理論上電池的總效率可以達(dá)到80%左右。

04

SOFC是全固態(tài)結(jié)構(gòu)，可以避免使用液態(tài)電解質(zhì)所帶來的腐蝕和電解液流失等問題，全固態(tài)結(jié)構(gòu)還有利于電池的模塊化設(shè)計，提高電池體積比容量，降低設(shè)計和制作成本。

SOFC發(fā)電系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，目前已確定能使用SOFC的市場包括家居、商業(yè)和工業(yè)熱電聯(lián)供、分布式發(fā)電、運輸領(lǐng)域的輔助電源裝置及輕便電源。SOFC作為移動式電源，可以為大型車輛提供輔助動力源。第一輛以SOFC作為輔助電源系統(tǒng)(auxiliarpowerunit，APU)的汽車，由BMW與Delphi合作推出，于2001年2月16日在德國慕尼黑問世。作為美國能源部固體能源轉(zhuǎn)換協(xié)會的示范項目，美國汽車配件廠商戴姆勒公司在華盛頓由美國能源部主辦的展會上展出使用SOFC的第二代輔助電源裝置，用煤氣作燃料。SOFC輔助電源裝置質(zhì)量為70kg，體積為44L，與第一代裝置相比，質(zhì)量和體積均縮小了75%，SOFC輔助電源裝置是針對轎車、商用車、特種車及固定電源等用途設(shè)計的，輸出功率為5kW。

SOFC應(yīng)用的優(yōu)點如下。

(1)可以使用與內(nèi)燃機(jī)相同的烴燃料(如汽油、柴油)。

(2)可以提供有用的熱能。

(3)比現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)的效率高。

(4)排放低。