根據電解質材料的不同，通常可以將燃料電池分為五大類，即堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。

AFC和PAFC是早期的燃料電池，目前受到的關注程度較低；MCFC雖然表現出很好的穩定性，但是高成本限制了它的商業化發展；目前人們關注的熱點主要是PEMFC和SOFC。

 

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是繼磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池之后的第三代燃料電池，是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置，被稱為未來世界十大科技之首和21世紀的綠色能源。

SOFC研究背景

能源是人類生存、生活與發展的主要基礎。眼下煤炭、石油和天然氣等化石能源日益枯竭，所探明的儲量將在短短幾十年內用完；此外這些燃料燃燒產生并且排放出大量的溫室氣體二氧化碳和有毒有害氣體硫氧化物、氮氧化物、懸浮顆粒等對大氣、淡水資源、土地造成嚴重污染。

隨著我國經濟的快速增長，對能源的需求將持續快速增長。而我國能源結構不合理，相較于世界其他國家，我國過分依賴于化石能源。在“碳達峰碳中和”的背景下，尋找可持續的替代能源成為關系我國安全的重大戰略問題。

 

世界部分國家能源比例構成

固體氧化物燃料電池最早由Nernst在1899年提出，但由于受技術復雜性、材料加工手段的限制，發展緩慢。直到20世紀六七十年代由于航天業的需求以及80年代以后，為了開辟新能源，緩解石油緊缺帶來的能源危機，固體氧化物燃料電池才得到了蓬勃發展。目前，世界許多國家紛紛瞄準了21世紀新能源的市場，都在引進或聯合開發SOFC。

美國在2000年左右成立了Solid State Energy Conversion Alliance（SECA）的專門機構；歐盟則通過第六框架計劃和第七框架計劃支持SOFC發電系統的商業化應用；日本于2005年啟動了“先進陶瓷反應器”項目，目標就是開發SOFC陶瓷反應系統。

SOFC結構及工作原理

SOFC單電池的主體部分由陽極、陰極和固體氧化物電解質組成。SOFC根據電解質傳導離子種類，可分為質子導體SOFC和氧離子導體SOFC，其中氧離子導體SOFC被廣泛研究和應用。

 

氧離子導體SOFC結構及原理圖

SOFC電解質采用固態氧化物，電解質在SOFC運行中表現出傳導O2－和隔離空氣端、燃料端的作用。目前，Y2O3穩定的ZrO2（YSZ）是研究最深入、使用最廣泛的電解質材料。

SOFC陽極可以催化氧化燃料發生電化學反應，并將釋放出的電子傳導至外電路。陽極通入燃料氣，如氫氣、天然氣、甲烷、煤氣等，處于還原氣氛。富氫化合物儲量豐富、成本低、便于儲存運輸，是目前SOFC使用最多的燃料，是最有可能實現產業化的燃料。

SOFC陰極主要作用是催化還原氧氣成氧離子，并將其傳送至電解質。陰極通入氧氣或空氣，處于氧化氣氛。

SOFC的工作原理相當于水電解的“逆”過程。外電路傳導來的電子在SOFC陰極被氧原子獲得轉變為O2－，然后在化學勢的驅使下，進入固體電解質中，在固體電解質中在離子導電作用下遷移到電解質的陽極一側。外電路獲得O2－，并與還原氣體在陽極發生氧化反應釋放出電子，這樣便形成了閉路的直流電路循環。

SOFC優勢

（1）SOFC環境友好。以富氫氣體為燃料時，由于它的能量轉化率高，其二氧化碳排放量比熱機過程低40%；以純氫為燃料時，它的反應產物僅為水。

（2）不需要貴金屬催化劑，大大降低了成本。

（3）SOFC是全固態結構，沒有因使用液體電解質帶來的腐蝕和電解液流失的問題，可望實現長壽命運行。

（4）理論上只要燃料和氧化劑連續供應，SOFC就能連續不斷地向外輸出直流電。

（5）SOFC排出的高質量余熱可與燃氣、蒸汽輪機等構成聯合循環的發電系統，提高總發電效率，使總能量利用率達到80%以上。

SOFC應用

（1）熱電聯產/分布式發電

日本NEDO推進的家用熱電聯產產品“ENE Farm”被公認為世界上最成功的固體氧化物燃料電池商業化項目，自2009年5月進入市場以來累計銷售已超過11萬臺。其主要為公寓型和獨棟型住宅提供電能和熱水，在節能減排以及電力的削峰填谷方面作出了很大貢獻。

美國Bloom Energy公司在固體氧化物燃料電池分布式發電方面是發展最好的企業。Bloom Energy公司自2001年成立以來，共募集12億美元，在美國安裝超過130MW的SOFC，為沃爾瑪、宜家、谷歌、聯邦快遞、美國銀行、可口可樂、AT＆T和Adobe等多家公司提供燃料電池。

 

google總部的Bloom energy發電系統（來源：仙存妮.固體氧化物燃料電池技術發展概述及應用分析）

（2）汽車增程器

在交通領域，日產是最有代表性的企業。2016年日產汽車在巴西奧運會上發布了世界首款由固體氧化物燃料電池驅動的原型車。該原型車采用生物乙醇作為燃料發電。酶生物燃料電池原型車以100%的乙醇為原料為24kWh的電池充電，續航里程可超過600km。

（3）大型發電站

日本三菱重工20世紀80年代開始研究SOFC大規模發電系統，2014年與日立制作所合并業務，成立了三菱日立電力系統株式會社，致力于SOFC聯合循環大型發電系統研發。

其研發的200kW SOFC-MGT（微型燃氣輪機）2012年在東京燃氣的千住科技中心內，連續運轉4000多小時，該系統的工作溫度約為900℃，發電效率為50.2％（LHV）；2015年其開發的加壓SOFC-MGT混合發電系統也開始在九州大學示范運行。

SOFC存在問題

傳統SOFC為電解質支撐型，為保證電池有足夠的機械強度，電解質厚度需達到200μm以上。為了降低電池內阻和提高電池輸出性能，電池需要在1000℃的高溫下工作。

但高溫下長期工作時，電極材料和電解質材料的穩定性不能充分保證，而且電池堆的連接體材料和密封材料的性能也容易衰退。若使用碳基燃料，會在陽極發生裂解反應，形成積炭，導致電池性能衰減。

目前一些研究者發現，如果SOFC能夠把工作溫度降到500-800℃，不僅能夠讓其保持能量轉化效率和熱力學導電效率，而且一些價格低廉價材料可以直接用作SOFC的支撐體，比如不銹鋼材料，做為支撐體既能提高SOFC的抗震強度，又能與電池材料之間保持良好的熱匹配性和化學兼容性。這樣能夠大幅度的降低SOFC的制備和運行成本，同時高溫下存在密封問題也能解決。當溫度降低到一定程度，很多的不良反應就可以避免，電池系統的各組成部件之間的熱應力也減小，這樣能夠很好的解決電池材料在長期工作中因高溫而產生的結構變形與老化的問題，從而能夠在很大程度上推動SOFC的商業化。

但是隨著溫度降低，一些問題也暴露出來：

（1）溫度降低使電極催化活性降低，尤其是陰極的氧還原反應速率顯著下降，這使電池的功率密度大幅下降。

（2）溫度下降會使電解質的離子傳導能力降低，如經典的氧離子導體材料Y0.08Zr0.92O2（YSZ）在1000℃時的離子電導率為0.092S/cm，當溫度降到800℃時只有0.02S/cm，導致電解質的歐姆電阻加大。

解決方向：

（1）研究和開發具有高離子電導率的中低溫電解質材料。

（2）降低電解質的厚度，制備電極支撐的電解質薄膜。

（3）提高陰極和陽極性能，降低電極過電位。

寫在最后

發達國家一直對我國進行固體氧化物燃料電池的技術封鎖，我國固體氧化物燃料電池商業化應用進程緩慢。近幾年，國內出現了一批固體氧化物燃料電池生產企業，開始進行商業化示范運行項目。相信隨著我國研發和創新能力的不斷增強，以及國內外合作交流的進一步開放，我國固體氧化物燃料電池產業在未來幾年將會實現快速發展。

參考來源：

1、徐傳偉.固體氧化物燃料電池及其產業化技術

2、陳孔發.氧化鋯電解質薄膜燃料電池及其電極優化研究

3、榮爽.氧化鈧穩定氧化鋯固體電解質的制備

4、周娜.以生物質為燃料的固體氧化物燃料電池研究

5、徐宏等.固體氧化物燃料電池用鋯基電解質材料研究概述

6、仙存妮.固體氧化物燃料電池技術發展概述及應用分析

7、劉志軍.鈰酸鋇-鋯酸鋇基質子導體固體氧化物燃料電池的制備及性能的研究