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固体氧化物燃料电池 (SOFC) 产业化的发展分析【钜


文章来源:网络整理  点击次数:  更新时间:2019-06-13  

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一、SOFC(SolidOxideFuelCell)工作原理

1、燃料电池划分

燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料如氢气、天然气等和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置。就燃料电池本身来说,其主要是通过电解质区分,如上图所示。

2、SOFC工作原理

SOFC的工作原理如下图所示。在SOFC的阳极一侧持续通入燃料气(H2、CO、CH4等),具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体,并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧化剂(空气),具有多孔结构的阴极表面吸附氧,使O2得到电子变为O2-,在化学势的作用下,O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体,由于浓度梯度引起扩散,最终到达固体电解质与阳极的界面,与燃料气体发生反应,失去的电子通过外电路回到阴极,形成电流。

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SOFC工作原理

3、SOFC的优点

相对于其他燃料电池,因SOFC采用全固态电池结构,从而避免了使用液态电解质带来的腐蚀和电解液流失等问题;

对燃料的适应性广,氢气、天然气、煤气、液化石油气等气体以及甲醇、乙醇都可以作为燃料;

超过800℃的工作温度,配合热汽轮机将热废气进行有效利用,可以使能量转换率至少达到60%以上;

高温操作提高了电化学反应速率,降低活化极化电势,无需铂等贵金属作为催化剂;

可高度模块化,总装机容量、安装位置灵活方便等。

正是由于SOFC具有以上的诸多优点,因而受到了世界各国的广泛关注,并投入大量经费进行开发研究。

二、SOFC结构设计

目前,SOFC主要有两种结构设计方式:管式(tubular)和平板式(planar)。

1、管式

管式结构是最早发展的一种形式,也是目前较为成熟的一种形式。单电池由一端封闭、一端开口的管子构成。最内层是多孔支撑管,由里向外依次是阳极、电解质和阴极薄膜。燃料从管芯输入,空气通过管子外壁供给。管式SOFC电池堆单体自由度大,不易开裂;采用多孔陶瓷作为支撑体,结构坚固;电池组装相对简单,容易通过电池单元之间并联和串联组合成大功率的电池组。但是管式SOFC电极之间的间距大,电流通过电池的路径较长,内阻损失大,因此相应的功率密度较低。

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管式SOFC

2、平板式

平板式结构的几何形状简单,由阳极、电解质、阴极薄膜组成单体电池,两边带槽的连接体连接相邻阴极和阳极,并在两侧提供气体通道,同时隔开两种气体。平板式SOFC电池结构和制备工艺简单,从而可以大大降低制造成本。但是平板式SOFC电池组件边缘要求进行密封来隔离氧化气和燃料气;对双极连接板材料要求很高,需要与电极材料热匹配、具有良好的抗高温氧化性能和导电性能。

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平板式SOFC

三、SOFC发电系统

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SOFC混合分布式发电系统

上图为SOFC与微型燃气轮机(MGT)、蒸汽机(ST)构成的一种混合分布式发电系统。SOFC/MGT/ST混合发电系统由燃料处理系统、电池堆、余热利用系统以及直交流转换系统组成,发电效率高达70%以上。

具体工作过程为天然气经过加压和脱硫处理后被系统废热加热,与利用电池堆余热加热的水蒸汽混合输入电池堆的阳极。高温的洁净天然气和水蒸气在催化剂的作用下发生重整反应产生H2。常温的空气经压缩后由燃烧器的高温排气加热到电堆入口温度后输入到电池堆的阴极。电堆内发生氧化还原反应产生电能和热能。阳极与阴极排气(未反应完燃料和空气)进入燃烧室燃烧,燃烧室的排气在将天然气和空气加热到电池堆的入口温度后,进入燃气轮机做功,输出电能。由于废气温度很高,经过燃气轮机排出的废气也有较高的温度,这部分废气通过余热回收蒸汽发生器,将冷凝水加热升温产生大量蒸汽带动蒸汽机转动,再次输出电能。经过余热回收蒸汽发生器的废气温度大幅降低,并排入大气中。

四、SOFC成本

成本一直是限制SOFC推广应用的一个关键性因素。美国能源部固态能量转换联盟(SolidStateEnergyConversionAlliance,SECA)从2001开始投入SOFC研发,在单电池性能、功率密度、可靠性和先进制造技术上取得上重大进展,SOFC电池堆成本与2001相比降低了10倍以上,如下图所示。

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