近幾十年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為一個能源生產和消費大國，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、清潔的新能源技術是解決上述問題的關鍵。燃料電池是一種通過電極反應直接將燃料的化學能轉化為電能的電化學裝置，燃料電池技術是繼水力、火力和核能之后的新一代發(fā)電技術。根據(jù)電解質的不同，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化效率高(熱電聯(lián)供的轉化效率可達80%以上)、對環(huán)境友好、良好的安全性與適應性等優(yōu)點而備受關注。

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進行研發(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)列入技術攻關項目。

本書作者孫克寧及其團隊十幾年來一直致力于固體氧化物燃料電池關鍵技術的研究與開發(fā)，經(jīng)過多年不懈努力和集體攻關，團隊在單體電池研發(fā)和電池堆的構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，同時對國內外知名研究團隊的最新研究成果進行了梳理和總結。筆者希望，這本書能為從事固體氧化物燃料電池領域研發(fā)工作的科研人員提供指導和幫助。

按所用電解質的不同，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的發(fā)展狀態(tài)。

SOFC原理

SOFC結構類型

為了實際應用，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結構應具有四個基本特征，即性能可靠、便于放大、方便維修和價格低廉。SOFC的構型不同，電池的制作方法也不同。SOFC電池堆可以做成不同結構，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結構類型主要有平板式、圓管式和扁管式三種。

SOFC特點及應用

SOFC的優(yōu)勢符合能源市場的自由化、環(huán)境意識的加強和分布式發(fā)電的趨勢。SOFC系統(tǒng)最誘人的特性是效率高、燃料的適應性強及幾乎沒有顆粒物、NOx、SOx的排放。以燃氣機、燃氣渦輪機和組合循環(huán)裝置等有競爭力的系統(tǒng)設定的經(jīng)濟和技術的規(guī)格為基準，SOFC組合系統(tǒng)在電效率、部分負荷效率和排放方面都比現(xiàn)有的技術具有更明顯的優(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部重整和氧化產生電能。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到80%左右。

04

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

SOFC發(fā)電系統(tǒng)有著廣泛的應用，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輔助電源裝置質量為70kg，體積為44L，與第一代裝置相比，質量和體積均縮小了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計的，輸出功率為5kW。

SOFC應用的優(yōu)點如下。

(1)可以使用與內燃機相同的烴燃料(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。