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固体氧化物氢燃料电池概况

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)属于第三代燃料电池,是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。采用的是固态电解质(钻石氧化物),性能很好。他们需要采用相应的材料和过程处理技术,因为电池的工作温度约为1000℃。固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高,它们使用诸如用氧化稳定的氧化错等固态陶瓷电解质,而不用使用液体电解质。其工作温度位于800-1000℃之间。

固体氧化物氢燃料电池

在这种燃料电池中,当氧离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体(主要是氢和一氧化碳的混合物)使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上,减少进入的氧,从而完成循环。

阳极反应:H2?+?O2-?→H2O?+?2e-

CO?+?O2-?→?CO2?+?2e-

阴极反应:O2?+?4e-?→?202-

对于溶化的碳酸盐燃料电池而言,高温意即这种电池能抵御一氧化碳的污染,正如上式显示的那样,一氧化碳会随时氧化成二氧化碳。这便省却了外部重整从燃料中提取氢,而且这种电池还可以再直接使用石油或天然气。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它们使用固态的电解质,这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定,然而它们用来承受所产生的高温的建造材料却要昂贵得多。

固体氧化物燃料电池特点:

SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池,简称PAFC)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池,简称MCFC)相比它有如下优点:

①较高的电流密度和功率密度;

②阳、阴极极化可忽略,彼化损失集中在电解质内阻降;

③可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料,而不必使用贵金属作催化剂;

④避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题;

⑤能提供高质余热,实现热电联产,燃料利用率高,能量利用率高达80%左右,是一种清洁高效的能源系统;

⑥广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极,具有全固态结构;

⑦陶瓷电解质要求中、高温运行(600~1000℃),加快了电池的反应进行,还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原,简化了设备。

固体氧化物燃料电池的发展及应用

固体氧化物燃料电池的开发始于20世纪40年代,但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。早期开发出来的SOFC的工作温度较高,一般在800~1000℃。目前科学家已经研发成功中温固体氧化物燃料电池,其工作温度一般在800C左右。一些国家的科学家也正在努力开发低温SOFC,其工作温度更可以降低至650~700℃。工作温度的进一步降低,使得SOFC的实际应用成为可能。

固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右,可供工业界用来发电和取暖,同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。

固体氧化物燃料电池的开发研究以及商业化,是解决目前世界能源短缺和环境污染的重要手段,受到了世界主要国家的普遍重视,包括美国、欧洲、日本、澳大利来、韩国等。

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