固體氧化物燃料電池的研究

沈元興

固體氧化物燃料電池的研究

沈元興

（福州職業技術學院，福建 福州 350108）

固體氧化物燃料電池（SOFC）作為一種新型的能量轉換裝置，由于其具有高能量利用率、環境友好、燃料選擇廣泛等特性，已經引起了學者的廣泛關注。隨著世界各國對環保問題關注的升溫，友好型能源的開發利用已經成為國家能源發展的重要方向，在國家政策的推動下，高校和相關研究機構也加大了研究力度，爭取在環境友好型能源的開發利用上搶占先機。文章主要針對目前SOFC的發展現狀進行分析，并對SOFC未來的發展提出合理化建議。希望通過以上的論述，能對SOFC的發展起到促進作用。

固體氧化物；燃料電池；研究

前言

隨著科技和工業地快速發展，能源和環境污染問題也隨之日益凸顯。為了確保科技和工業綠色協同發展，環保型能源的開發利用刻不容緩，世界各國也都在有針對性的頒發相關政策，鼓勵高校和相關研究機構加強研發力度，以加快推進綠色能源的發展。SOFC作為一種新型的能量轉換裝置，可以將燃料的化學能直接轉換為電能，且一次發電效率為40%～60%，熱電聯供效率可達80%以上，被譽為21世紀最重要的綠色能源技術之一，已經成為各國學者的主要研究對象。[1-4]對于SOFC而言，高純度的H2是最理想的燃料，由于SOFC的燃料適應性較強，除H2外SOFC可直接利用烴類、甲醇、炭等作燃料，可大大降低運行成本。目前SOFC依然無法實現產業化和商業化主要是因為，要保證SOFC的穩定運行的環境溫度較高，這就要求SOFC在穩定工作之前，需要額外對SOFC提供熱源，該過程將消耗大量的能量，而且高溫環境下，對SOFC的材料要求較高，材料的特性將直接決定SOFC性能、成本和使用壽命。SOFC在溫度較低的環境下進行工作時，其電學性能和電極催化活性會大幅降低、歐姆電阻和電池電極的極化電阻顯著増加，導致SOFC能量密度迅速下降，嚴重時甚至無法進行電能轉換。因此，需要尋找合適的SOFC電解質和電極材料，來改善高溫SOFC和低溫SOFC的缺陷，以提高SOFC的整體性能，使其商業化成為可能。

1 SOFC的電解質材料研究

SOFC的類型如圖1所示，根據SOFC電池組的結構類型不同可分為管狀型、平板型和整體型三種。根據其工作溫度不同可分為低溫、中溫和高溫三種。其中，低溫型SOFC的工作溫度為300~600℃、中溫型SOFC的工作溫度為600~800℃、高溫型SOFC的工作溫度為800~1000℃[5]，工作溫度不同的SOFC，對其電解質材料的要求差異較大，而電解質材料將直接影響SOFC的性能。電解質不僅要隔絕燃料和助燃劑，還要將氧離子從陰極傳導至陽極。因此良好的電解質材料必須滿足：在強氧化還原氣氛下穩定存在、擁有足夠高的離子電導率（通常要求要大于0. S/cm）、易于薄膜化加工以及具有較高的機械強度等優良性能。

圖1 SOFC的類型

1.1 中低溫SOFC的電解質材料研究

隨著SOFC工作溫度的降低，電解質材料電導率也將隨之下降，這將會導致歐姆損失急劇增加。要想實現SOFC低溫高性能工作，首先要減少SOFC內部歐姆電阻，從而減少歐姆損失。研究表明使用具有高氧離子電導率的電解質材料以及電解質材料的薄膜化是實現SOFC中低溫化的主要途徑[6]。中低溫電解質材料主要有：螢石型電解質、鈣鈦礦型電解質、磷灰石型電解質以及復合型電解質等，具體參數如表1所示。

從表1可知，鈣鈦礦型電解質（ABO3）在中低溫條件下電導率較高，是作為中低溫SOFC較佳的電解質材料。

由于高溫對SOFC各部件的熱穩定性、高溫強度、電子導電率、熱膨脹匹配以及化學穩定性等要求較高，使得電解質材料選用受限，且創造高溫環境不僅需要消耗大量的能量而且會導致SOFC的電池性能下降。由于高溫SOFC存在著諸多明顯的缺陷，因此，隨著研究的不斷深入，高溫SOFC將逐漸被中、低型SOFC所取代。適當的降低SOFC的工作溫度不僅可以提高電極的穩定性、延長電池壽命，而且更廣的材料選擇范圍可大大降低SOFC的制造成本，更有利于其實現產業化和商業化。

表1 中低溫SOFC電解質材料及性能

2 SOFC的電極材料研究

電極材料也是影響SOFC性能的關鍵因素，其中陽極和陰極材料一般均需要滿足以下幾種特性：（1）較高的離子電導率和電子電導率；（2）較高的工作穩定性；（3）與SOFC中的鄰近組元材料化學相容，且與其他組元的熱膨脹系數相匹配；（4）具備多孔結構，易于氣體進出等。

2.1 SOFC陰極材料研究

SOFC的陰極也被稱為氧電極，是氧分子被還原為氧離子的場所。早期的SOFC常以Pt和Au等貴重金屬作為陰極材料，主要是由于此類材料在1000℃的環境下仍能保持較高的物理化學穩定性和電導率，確保SOFC的穩定工作。但采用貴重金屬作為陰極材料也存在高溫易燒結，使得孔隙受堵，以及成本高等缺陷。鈣鈦礦型（ABO3）氧化物材料的出現，則有效地彌補了這些缺陷。其中，鈣鈦礦結構摻雜鈷酸鑭（LaCoO3）作為陰極材料，在中低溫下具有良好的性能，是目前最有應用前景的中低溫SOFC陰極材料之一[15]。

2.2 SOFC陽極材料研究

SOFC需要陽極材料滿足以下幾種特性：1）在強還原氣氛下仍能保持結構穩定；2）具有較高的混合電導率；3）具有較高的燃料催化能力；4）有較強的抗積碳和抗硫中毒性能。

除Pt和Au等貴重金屬之外，Ni、Fe、Co等金屬元素在早期常被作為SOFC的陽極材料，但由于都存在著高溫易揮發、易燒結等不穩定因素未能得到廣泛應用。Ni是一種很好的催化劑，但純Ni無法在高溫下穩定工作。為了利用Ni良好的催化特性，將Ni與其他物質進行復合作為陽極材料，成為廣大學者研究SOFC陽極材料的出發點。其中Ni與 YSZ（Y2O3摻雜ZrO2）復合作為陽極材料，則大大改善了采用純Ni時的高溫易揮發、易燒結等不穩定因素。

除此之外，雙鈣鈦礦型電極材料由于具備較高的混合電導率，快速地氧離子擴散系數及表面交換動力學參數以及極強的抗積碳能力和抗硫中毒能力等優點，也在SOFC的電極材料中受到廣泛關注。

3 不同燃料的SOFC特性

SOFC的性能除了與電解質和電極材料有關之外，燃料的類型也是影響SOFC性能的重要因素。SOFC的燃料適應性非常廣，氫氣、天然氣、甲烷等氣體燃料、甲醇、乙醇等液體燃料以及固體炭都可以作為SOFC燃料。使用不同燃料時，SOFC性能如表2所示。

表2 不同燃料的SOFC性能

從表2可知，在同一條件下采用氫氣作為燃料時，SOFC的最大功率密度最大，這也進一步表明高純度的氫氣SOFC是最理想的燃料。為了加快氫能的發展，截至2019年底，我國已累計建成61座加氫站，加氫站的擴建將會使得獲取氫氣的成本大大降低，這也使得氫氣作為SOFC燃料商業化成為可能。除此之外，液體燃料甲醇最大功率密度較高，且液體燃料易于儲運、成本較低，也是一種良好的SOFC燃料。固體炭作為SOFC燃料一直是廣大學者的主要研究對象之一，雖然固體炭燃料易于儲運且獲取成本低，但由于其最大功率密度偏低、阻抗偏高以及燃料利用率偏低，使得采用固體炭直接作為SOFC的燃料時，SOFC的性能較差。隨著世界各國學者對直接炭SOFC研究的不斷深入，相信直接炭SOFC的不足將會得到改善。

4 結論

綠色發展是全世界的共同目標，SOFC作為第三代燃料電池，與第一代燃料電池（磷酸型燃料電池PAFC）和第二代燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池MCFC）相比，具有燃料使用范圍廣、燃料利用率高、成本低等明顯優勢，被稱為21實際的綠色能源。但工作溫度偏高一直是制約SOFC發展的主要因素。隨著SOFC研究的不斷深入，目前中低溫SOFC的性能已經得到很大提升，相信在全世界學者的共同努力下，SOFC工作溫度與性能之間的矛盾將會進一步得到改善，SOFC的商業化也必將成為可能。

[1] 趙忱,張婷,和永,曲亮武,周青軍.中溫固體氧化物燃料電池陰極Sr_3Fe_(2-x)Ni_xO_(7-δ)(x=0,0.1,0.2,0.3)的制備與性能[J].無機化學學報,2019,35(06):1027-1033.

[2] 林囿辰,羅凌虹,吳也凡,等.中溫固體氧化物燃料電池鐵系陽極催化劑的性能研究[C]//第十九屆全國高技術陶瓷學術年會摘要集. 2016.

[3] 陳勝,薛優,安勝利,彭軍.水基流延法制備固體氧化物燃料電池工藝的研究[J].稀土,2018,39(03):88-93.

[4] 蘇春生,錢錦,張海峰.合成氣用于固體氧化物燃料電池[J].真空電子技術, 2019, 339(02):73-75.

[5] 梁瀟,許思傳.車用燃料電池耐久性的研究進展[J].中國科技博覽, 2012(3):36-38.

[6] 郝紅,馮國紅,曹艷芝.中低溫固體氧化物燃料電池的研究現狀[J]. 輕工科技,2010, 26(6):32-33.

[7] 汪燦,劉寧,石敏,等.固體氧化物燃料電池電解質材料的研究進展[J].材料導報,2004,18(2):264-267.

[8] Arachi Y,Sakai H, Yamamoto O,et al.Electrical conductivity of the ZrO2-Ln2O3 (Ln=lanthanides) system.Solid State Ionics, 1999,121 (1):133-139.

[9] Yahiro H, Eguchi K, Arai H. Electrical properties and reducibilities of ceria-rare earth oxide systems and their application to solid oxide fuel cell. Solid State Ionics,1989,36(1):71-75.

[10] Jiang N,Wachsman E D.Structural stability and conductivity of phase-stabilized cubic bismuth oxides. Journal of the American Ceramic Society, 1999, 82(11): 3057-3064.

[11] 徐舜.中低溫SOFC電極材料及電解質材料研究[D].北京:中國地質大學,2017.

[12] Chen T Y, Fung K Z. Comparison of dissolution behavior and ionic conduction between Sr and/or Mg doped LaGaO3 and LaAlO3. Journal of Power Sources, 2004,132(1): 1-10.

[13] Sebastian L,Shukla A K,Gopalakrishnan J.La0.9Sr0.1Ga0.8M0.2 O3-δ(M= Mn,Co,Ni,Cu or Zn):transition metal-substituted deri -vatives of lanthanum-strontium-galliummagnesium (LSGM) pero -vskite oxide ion conductor. Bulletin of Materials Science, 2000, 23(3):169-173.

[14] 景翠.磷灰石型硅酸鑭電解質的制備與研究[D].大連:大連理工大學,2011.

[15] Sun W,Jiang Y,Wang Y,et al. A novel electronic current-blocked stable mixed ionic conductor for solid oxide fuel cells.Journal of Power Sources,2011,196(1):62-68.

[16] 毛宗強,王誠.低溫固體氧化物燃料電池[M].上海:科學技術出版社,2013,7-8.

[17] 畢忠合,程謨杰,吳合進,等.以甲醇為燃料的中溫固體氧化物燃料電池性能研究[J].高等學校化學學報,2005,26(6):1110-1113.

[18] 劉亞迪,袁春,周玉存,鄒杰,辛顯雙,王紹榮.Ni浸漬的LST-SSZ復合陽極及其直接甲烷固體氧化物燃料電池研究[J].無機材料學報,2014,29(11):1121-1126.

[19] 孫凡,劉瑞泉,王吉德,等.天然氣燃料電池中雙層陽極Ni-SDC的性能[J].電源技術,2007,031(006):462-464.

[20] 丘倩媛,陳倩陽,劉志軍,等.以椰殼生物質炭為燃料的直接炭固體氧化物燃料電池[J].燃料化學學報, 2019,47(03):106-114.

[21] 丘倩媛,周明揚,陳倩陽,劉江.以甘蔗渣為燃料的直接碳固體氧化物燃料電池[J].電源技術,2019,43(09):1492-1495.

Research on Solid Oxide Fuel Cell

Shen Yuanxing

( Fuzhou Vocational and Technical College, Fujian Fuzhou 350108 )

As a new type of energy conversion device, solid oxide fuel cell (SOFC) has attracted wide attention from scholars because of its high energy efficiency, environmental friendliness and wide fuel selection. With the warming of environmental protection issues in various countries around the world, the development and utilization of friendly energy has become an important direction for national energy development. Under the impetus of national policies, universities and related research institutions have also increased their research efforts and strived for environmentally friendly The development and utilization of energy will take the lead. This paper mainly analyzes the current development status of SOFC and proposes rationalization suggestions for the future development of SOFC. I hope that through the above discussion, it can promote the development of SOFC.

Solid oxides; Fuel cells; Research

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.002

TM911.4

A

1671-7988(2021)07-03-04

TM911.4

A

1671-7988(2021)07-03-04

沈元興（1992.08-），男，助教，碩士研究生，就職于福州職業技術學院，研究方向：汽車新能源、汽車制造。