| 单词 | 固体氧化物燃料电池 |
| 释义 | 【固体氧化物燃料电池】 拼译：solide oxide fuel cell 简称SOFC。它是一种全固态燃料电池，由两块多孔陶瓷电极和介于电极间的固体电解质组合而成。鉴于所采用的固体氧化物电解质在低温时比电阻过大，于是，SO-FC的工作温度需维持在800℃～1000℃左右。 由于它在高温下操作，因而具有以下优点：较高的电流密度和功率密度；阳、阴极的极化可以忽略，极化损失集中在电解质阻力降；可直接使用烃类、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；避免了中、低温燃料电池中的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀性及封接问题；附产具有工业利用价值的高温废气，实现热电联产，燃料利用率高。自从Baur和Preis(E．Bauer，H Z．Preis et al，1973)建立第1只SOFC发电装置以来，已有50余年的历史。1962年美国J．Weissbart和R．Ruke发表文章介绍了氢氧SOFC电池特性，并首次将甲烷用作燃料，指出烃类燃料在SOFC内必须完成燃料的催化重整和电化学反应两个基本过程，为SOFC的发展奠定了基础。后来西屋公司与OCR机构协作，连接小圆筒形ZrO2－CaO电解质400个，试作100W电池，但此形式不便供大规模发电。在前西德海德堡中央研究所，则致力于研究推出圆筒或半圆筒形电解质组合成的SOFC发电装置，获得良好的单电池的性能，并连续运行了3400h(吉野四郎监修等，1981)。80年代后，为了开辟新能源，缓解石油资源紧缺而带来的能源危机，迎接“氢能时代”的到来，SOFC研究得到蓬勃发展。A．O．Isenberg将电化学气相沉积法(EVD)用于SOFC的薄膜电解质的加工，使SOFC的加工手段大为改善，电池性能显著提高，揭开了SOFC研究新的一页。西屋公司与美国能源部(DOE)携手合作，大力发展管式SOFC发电装置，将多根圆管按列管方式排列，组成大功率电池组，1986年，400W管式SOFC电池组在田纳西州运行成功。1987年，又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3kW级列管式SOFC发电机组，成功地进行连续运行试验长达5000h，标志着SOFC研究从实验研究向商业化发展。90年代后，DOE机构继续投资给西屋电气公司6400余万美元，旨在开发出转化率在50%以上，2MW级的SOFC发电机组。D．C．Fee和N．O．Minh等在SOFC的结构形式研究上取得了可喜成绩。他们研究开发的叠层波纹板式SOFC电池组，电池性能优越，是比较有发展前途的电池结构。日本和西欧各国的科技工作者也纷纷开展SOFC的研究与开发。中国的SOFC研究工作尚处于起步阶段，华南理工大学在广东省科委资助下，开展了SOFC技术的基础研究工作。研究的目标是以天然气(甲烷)为燃料，寻找适当的电极催化剂，以期在SOFC内部完成甲烷的直接转化与电化学反应两个过程。SOFC研究的关键是材料的研究及其加工方法的选择实施。电池的材料包括固体电解质、阳极材料、阴极材料和联接体材料。1．固体电解质。SOFC研究中常用的固体电解质是两元或三元的氧化物体系，通常包括基体和稳定剂两部分。稳定化的ZrO2是良好的氧离子导体，除ZrO2之外，CeO2和ThO2也常被用作基体材料，碱土金属氧化物和稀土氧化物是应用最广的稳定剂。目前，SOFC中使用最多的固体电解质是Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)和CaO稳定的ZrO2(CSZ)。以CeO2为基的固体电解质，与CaO、Sm2O3或InO1．5等氧化物掺合后，在较低温度下(600～800℃)具有较高的氧离子电导率，获得较大的能量密度和电流密度，降低了电池工作温度，是一种具有竞争能力的固体电解质。其不足之处是，在氢气的还原气氛中易被还原出部分电子电导，使电池的开路电压下降。Hide-Y．Nori等人研究发现，在阳极表面覆盖ZrO2可抑制电压下降。N．Bonanos则采用新颖的钙钛矿型材料BaCeO3：Gd［10(mol)%］作固体电解质，电池的电流——电压特性显著提高，工作稳定性增强，性能降解现象明显减少。2．阳极材料。阳极材料的选择与燃料气在电极表面发生的催化氧化反应机理有关。它必须具有电子电导与热稳定性，在高温时与电解质材料有好的相容性和热膨胀匹配。用贵金属Pt、Ag或Au等作阳极，因其热膨胀系数比YSZ等固体电解质大，单独使用时电极层易于剥离，造成短路。处理方法是将金属催化剂分散在ZrO2系固体电解质中，制成金属陶瓷。如Ni／ZrO2陶瓷、Co／YSZ陶瓷。若生成的金属陶瓷中含金属(Ni或Co)60%左右，则金属与ZrO系固体电解质的两相均为连续相，通过烧结处理，可得到适宜的孔率。SOFC研究中常采用的阳极材料有贵金属Pt、Ag、Pt／Ru；氧化物半导体V2O3、TiOx(x＜2)；金属陶瓷Ni／ZrO2陶瓷、NiO／YSZ陶瓷、Ni／YSZ陶瓷。3．阴极材料。阴极，又称空气电极，它暴露在氧气气氛中，把表面的氧分子转化成氧离子后输送到电极与电解质界面上。阴极材料首先应具有足够的还原能力，才能确保氧离子的迁移数目。同时，阴极材料的热稳定性以及与电解质的化学相容性也须加以考虑。钙钛矿型氧化物比Pt、Ag等与YSZ等固体电解质的热膨胀性能强，因此，钙钛矿型氧化物已逐渐取代Pt、Ag。目前，常用于SOFC研究的阴极材料有贵金属Pt、Ag；钨青铜MxWO3(x＜1)，M－碱土金属或稀土金属；钙钛矿型氧化物La1－xSrxCoO3、和Lai－xSrxMnO3。研究最多的是La1－x－M′xM″O3型混合物，式中M′=碱土金属，M″=Co、Mn或Cr。4．联接体材料。联接体是指单电池间的联接物，使之成为电池组。联接体材料必须耐高温、耐燃料气和氧化剂气体，具有化学稳定性和半导体导电性质。使用最多的联接体材料是以LaCr1－xMxO3(M=Cu、Zn、Ti或Ni，0＜x≤0．3)型陶瓷为基的氧化物陶瓷。鉴于用SOFC的固体电解质比电阻高，SOFC结构设计的基本要求是固体电解质应尽可能薄。在此基础上，要求结构紧凑、密封性好、比能量高、固体电解质电阻小、气体隔流能力强、各组合材料之间有良好的热膨胀性能匹配、化学相容性好、电池组有足够机械强度、制造价格适中。目前研究的电池结构形式有平板式结构、圆管式结构、叠层波纹板式结构按燃料气与氧化剂的流动方向不同，叠层波纹板式结构又有错流式与并流式之分。为了确保电池的机械强度，通常选择适当材料作支撑体，并在支撑体表面分别制电极与固体电解质薄膜。电池上薄膜材料的制备方法对SOFC的电极和电解质的微观结构影响很大，而电极微观结构又将直接影响电池的工作性能。因此，解决电极和固体电解质的薄膜的制备方法是SOFC研究中的关键。SOFC研究中采用的制备方法有：电化学气相沉积法、真空镀膜法、等离子喷涂法及纸带压延法。由于SOFC在高温下操作，给研究工作带来很大影响。研究过程中需解决的主要问题是：由于固体电解质的比电阻，在800～1000℃时仍然很小，因此，固体电解质制成薄膜需有昂贵的成膜设备，成本高，单电池造价高。提高材料的稳定性。阳极、阴极和联接体都要求有良好的电子电导性，相近的热膨胀系数和热稳定性，以免几次升降温操作后便发生剥离或“串气”现象。提高各材料间的结合力。除固体电解质电阻之外，电极与固体电解质间接触电阻对电池输出功率影响较大，应设法减低阳极、阴极和联接体与固体电解质的接触电阻以及彼此间的接触电阻。减少电极极化损失，研究高活性的催化电极材料及其制备方法，提高电池的工作性能和电池寿命。(华南理工大学马紫峰、林维明撰) |
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