固體氧化物燃料電池是一種新型發(fā)電裝置，其高效率、無污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對多種燃料氣體的廣泛適應(yīng)性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質(zhì)（electrolyte）、陽極或燃料極（anode，fuel electrode）、陰極或空氣極（cathode，air electrode）和連接體（interconnect）或雙極板（bipolar separator）組成。

固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽極為燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

在固體氧化物燃料電池的陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣（H2）、甲烷（CH4）、城市煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通人氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。

單體電池只能產(chǎn)生1V左右電壓，功率有限，為了使得SOFC具有實(shí)際應(yīng)用可能，需要大大提高SOFC的功率。為此，可以將若干個(gè)單電池以各種方式（串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)）組裝成電池組。

SOFC組的結(jié)構(gòu)主要為：管狀（tubular）、平板型（planar）和整體型（unique）三種，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成為SOFC的發(fā)展趨勢。

固體氧化物燃料電池工作原理

原理

在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度最高，屬于高溫燃料電池。近些年來，分布式電站由于其成本低、可維護(hù)性高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)漸漸成為世界能源供應(yīng)的重要組成部分。由于SOFC發(fā)電的排氣有很高的溫度，具有較高的利用價(jià)值，可以提供天然氣重整所需熱量，也可以用來生產(chǎn)蒸汽，更可以和燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)，非常適用于分布式發(fā)電。燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不但具有較高的發(fā)電效率，同時(shí)也具有低污染的環(huán)境效益。

常壓運(yùn)行的小型SOFC發(fā)電效率能達(dá)到45%-50%。高壓SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合，發(fā)電效率能達(dá)到70%。國外的公司及研究機(jī)構(gòu)相繼開展了SOFC電站的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，100kW管式SOFC電站己經(jīng)在荷蘭運(yùn)行。Westinghouse公司不但試驗(yàn)了多個(gè)kW級SOFC，而且正在研究MW級SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。日本的三菱重工及德國的Siemens公司都進(jìn)行了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

一般的SOFC發(fā)電系統(tǒng)包括燃料處理單元、燃料電池發(fā)電單元以及能量回收單元。圖一是一個(gè)以天然氣為燃料、常壓運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)。空氣經(jīng)過壓縮器壓縮，克服系統(tǒng)阻力后進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱，然后通入電池的陰極。天然氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后，克服系統(tǒng)阻力進(jìn)入混合器，與蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的過熱蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例為，混合后的燃料氣體進(jìn)入加熱器提升溫度后通入燃料電池陽極。陰陽極氣體在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電池發(fā)出電能的同時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將未反應(yīng)完全的陰陽極氣體加熱。陽極未反應(yīng)完全的氣體和陰極剩余氧化劑通入燃燒器進(jìn)行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體除了用來預(yù)熱燃料和空氣之外，也提供蒸汽發(fā)生器所需的熱量。經(jīng)過蒸汽發(fā)生器后的燃燒產(chǎn)物，其熱能仍有利用價(jià)值，可以通過余熱回收裝置提供熱水或用來供暖而進(jìn)一步加以利用。

固體氧化物燃料電池（SOFC）的工作原理

在固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）中，電解質(zhì)采用固體氧化物氧離子（O2-）導(dǎo)體（如最常用的 Y2O3 穩(wěn)定的氧化鋯簡稱 YSZ），起傳遞 O2-及分離空氣和燃料的雙重作用。其工作原理如圖1-1所示：能量轉(zhuǎn)換是通過電極上的電化學(xué)過程來進(jìn)行的，陰陽極反應(yīng)分別為：

其中燃料氣體可以是H2，也可以是燃料氣體，而O2來源于空氣。式中，下標(biāo)c、a 和 e 分別表示在陰極、陽極和電解質(zhì)中的狀態(tài)。

當(dāng)一個(gè)外部載荷加到電池上時(shí)，氧氣在多孔的陰極還原成氧離子，然后通過固體電解質(zhì)傳輸?shù)疥枠O， 與燃料 （如 H2，CO） 反應(yīng) 生 成 H2O 或CO2。在一定條件下CH4也可以在陽極直接氧化為H2O和CO2。電池的開路電壓 U0可以由下式計(jì)算得出， 即

式中：ΔG ——電化學(xué)反應(yīng)的自由能變化；

ΡO(jiān)2（c）——陰極的氧氣分壓；

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC）屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來會與質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。它除了具有一般的燃料電池的高效率，低污染的優(yōu)點(diǎn)外，SOFC還具有以下特點(diǎn)：

⑴ SOFC的工作溫度可達(dá)1000攝氏度，是目前所有燃料電池工作溫度最高的經(jīng)由熱回收技術(shù)進(jìn)行熱電合并發(fā)電，可以獲得超過80%的熱電合并效率。

⑵SOFC的電解質(zhì)是固體，因此沒有電解質(zhì)蒸發(fā)與泄露的問題。而且電極也沒有腐蝕的問題，運(yùn)轉(zhuǎn)壽命長。此外，由于構(gòu)成材料的池體材料全部是固體，電池外形具有靈活性。

⑶SOFC在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，因此，無需使用貴重金屬作為觸媒，且本身具有內(nèi)重整能力，可直接使用氫氣、烴類（甲烷）、甲醇等作燃料，簡化了電池系統(tǒng)。

⑷ SOFC能提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達(dá)80％左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)。

⑸SOFC具有較高的電流密度和功率密度。

⑹SOFC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，發(fā)電容量大，用途較為廣泛。

固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點(diǎn)，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳?xì)淙剂稀OFC的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，幾乎涵蓋了所有的傳統(tǒng)的電力市場，包括宅用、商業(yè)用、工業(yè)用以及公共事業(yè)用發(fā)電廠等，甚至便攜式電源、移動電源、偏遠(yuǎn)地區(qū)用電及高品質(zhì)電源等，還可作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源。其中以靜置型的商業(yè)用電源、工業(yè)用熱電合并系統(tǒng)及小型電源市場較為看好。