固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池是一种电化学转换装置，可直接通过氧化燃料来发电。燃料电池的特点是其电解质材料；固体氧化物燃料电池具有固体氧化物或陶瓷电解质。

此类燃料电池的优点包括高热电联产效率、长期稳定性、燃料灵活性、低排放和相对较低的成本。xxx的缺点是工作温度高，导致启动时间较长以及机械和化学兼容性问题。

固体氧化物燃料电池是一类燃料电池，其特点是使用固体氧化物材料作为电解质。SOFC使用固体氧化物电解质将负氧离子从阴极传导到阳极。因此，氧离子对氢、一氧化碳或其他有机中间体的电化学氧化发生在阳极侧。最近，正在开发质子传导固体氧化物燃料电池(PC-SOFC)，它通过电解质传输质子而不是氧离子，其优点是能够在比传统固体氧化物燃料电池更低的温度下运行。

它们在非常高的温度下运行，通常在500到1,000°C之间。在这些温度下，SOFC不需要昂贵的铂催化剂材料，这是目前低温燃料电池（如PEMFC）所必需的，并且不易受到一氧化碳催化剂中毒的影响。然而，硫中毒的脆弱性已被广泛观察到，硫必须在进入细胞之前通过使用吸附床或其他方式去除。

固体氧化物燃料电池具有广泛的应用，从用作车辆的辅助动力装置到输出功率从100W到2MW的固定发电。2009年，澳大利亚公司CeramicFuelCells成功地将SOFC装置的效率提高到之前的理论值60%。较高的工作温度使固体氧化物燃料电池成为热机能量回收装置或热电联产应用的合适候选者，这进一步提高了整体燃料效率。

由于这些高温，轻烃燃料，如甲烷、丙烷和丁烷可以在阳极内进行内部重整。固体氧化物燃料电池也可以通过外部重整更重的碳氢化合物来提供燃料，例如汽油、柴油、喷气燃料(JP-8)或生物燃料。此类重整产品是氢气、一氧化碳、二氧化碳、蒸汽和甲烷的混合物，通过在SOFC阳极上游的装置中使烃类燃料与空气或蒸汽反应形成。SOFC电力系统可以通过将燃料电池内的放热电化学氧化释放的热量用于吸热蒸汽重整过程来提高效率。此外，煤和生物质等固体燃料可气化形成合成气适用于在集成气化燃料电池动力循环中为SOFC提供燃料。

热膨胀需要在启动时进行均匀且良好调节的加热过程。具有平面几何形状的SOFC堆栈需要大约一个小时才能加热到工作温度。微型管状燃料电池设计几何形状承诺更快的启动时间，通常在几分钟的数量级。

与大多数其他类型的燃料电池不同，SOFC可以具有多种几何形状。平面燃料电池设计几何形状是大多数类型的燃料电池采用的典型夹层型几何形状，其中电解质夹在电极之间。固体氧化物燃料电池也可以制成管状几何形状，其中空气或燃料通过管内，另一种气体沿管外通过。管状设计是有利的，因为它更容易从燃料中密封空气。平面设计的性能目前优于管状设计的性能，但是，因为平面设计的阻力相对较低。固体氧化物燃料电池的其他几何形状包括改进的平面燃料电池设计（MPC或MPSOFC），其中波状结构取代了平面电池的传统平面配置。这种设计非常有前途，因为它们具有平面电池（低电阻）和管状电池的优点。

固体氧化物燃料电池由四层组成，其中三层是陶瓷（因此得名）。由这四层堆叠在一起组成的单个电池通常只有几毫米厚。然后将数百个这样的电池串联起来，形成大多数人所说的“固体氧化物燃料电池堆栈”。SOFC中使用的陶瓷不会发生电性和离子性直到它们达到非常高的温度才有效，因此，堆栈必须在500到1,000°C的温度范围内运行。氧还原成氧离子发生在阴极。然后这些离子可以通过固体氧化物电解质扩散到阳极，在那里它们可以电化学氧化燃料。在该反应中，会释放出一种水副产物以及两个电子。然后这些电子流过一个可以工作的外部电路。然后随着这些电子再次进入阴极材料，循环重复。

SOFC的大部分停机时间源于设备、空气预热器、预重整器、加力燃烧室、水热交换器、阳极尾气氧化器的机械平衡，以及设备、电力电子设备、硫化氢传感器和风扇的电气平衡。在设计一个完整的系统时，内部重整导致工厂成本平衡的大幅下降。

陶瓷阳极层必须非常多孔，以允许燃料流向电解质。因此，通常选择粒状物质用于阳极制造程序。像阴极一样，它必须传导电子，离子电导率是一项确定的资产。阳极通常是每个电池中最厚和xxx的层，因为它具有最小的极化损耗，并且通常是提供机械支撑的层。从电化学上讲，阳极的工作是利用通过电解质扩散的氧离子来氧化氢燃料。氧化反应氧离子和氢之间产生热量以及水和电。如果燃料是轻质烃，例如甲烷，阳极的另一个功能是充当将燃料蒸汽重整成氢气的催化剂。这为燃料电池堆提供了另一个操作优势，因为重整反应是吸热的，这会在内部冷却堆。最常用的材料是由镍与陶瓷材料混合而成的金属陶瓷，该陶瓷材料用于特定电池中的电解质，通常是YSZ（氧化钇稳定氧化锆）。这些基于纳米材料的催化剂，有助于阻止镍的晶粒生长。较大的镍颗粒会减少离子可以通过的接触面积，从而降低电池效率。钙钛矿材料（混合离子/电子导电陶瓷）已被证明在0.7V和800°C下产生0.6W/cm2的功率密度，这是可能的，因为它们能够克服更大的活化能。

化学反应：

H2+O2-——>H2O+2e

然而，YSZ作为阳极材料存在一些缺点。Ni粗化、积碳、还原-氧化不稳定性和硫中毒是限制Ni-YSZ长期稳定性的主要障碍。Ni粗化是指在YSZ中掺杂的Ni粒子的演化，其晶粒尺寸变大，从而降低了催化反应的表面积。当由烃热解或CO歧化形成的碳原子沉积在Ni催化表面上时，就会发生碳沉积。碳沉积变得很重要，尤其是在使用碳氢化合物燃料（即甲烷、合成气）时。SOFC的高工作温度和氧化环境有利于Ni催化剂通过反应Ni+½O2氧化=NiO。Ni的氧化反应降低了电催化活性和电导率。此外，Ni和NiO之间的密度差异会导致阳极表面的体积变化，这可能会导致机械故障。使用天然气、汽油或柴油等燃料时会发生硫中毒。同样，由于硫化合物（H2S、(CH3)2S）与金属催化剂之间的高亲和力，即使是进料流中硫化合物的最小杂质也会使YSZ表面上的Ni催化剂失活。

目前的研究集中在减少或替代阳极中的镍含量以提高长期性能。为了抗硫中毒，发明了含有CeO2、Y2O3、La2O3、MgO、TiO2、Ru、Co等其他材料的改性Ni-YSZ，但由于初期反应快，改进有限。降解。铜基水泥阳极被认为是碳沉积的解决方案，因为它对碳是惰性的，并且在典型的SOFC氧分压(pO2)下稳定。特别是Cu-Co双金属阳极在暴露于纯CH4后表现出很大的碳沉积电阻率在800℃。Cu-CeO2-YSZ在使用CO和合成气时表现出比Ni-YSZ更高的电化学氧化速率，并且在添加钴助催化剂后，使用CO可以实现比H2更高的性能。包括氧化锆基萤石和钙钛矿在内的氧化物阳极也用于替代镍陶瓷阳极以提高碳电阻。铬铁矿即La0.8Sr0.2Cr0.5Mn0.5O3(LSCM)用作阳极，表现出与Ni-YSZ金属陶瓷阳极相当的性能。通过浸渍Cu和溅射Pt作为集流体进一步改进了LSCM。

电解质是传导氧离子的致密陶瓷层。其电子电导率必须保持尽可能低，以防止泄漏电流造成的损失。SOFC的高工作温度允许氧离子传输的动力学足以实现良好的性能。然而，随着工作温度在600°C左右接近SOFC的下限，电解质开始具有较大的离子传输阻力并影响性能。流行的电解质材料包括氧化钇稳定氧化锆(YSZ)（通常为8%的8YSZ）、氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)（通常为9mol%Sc2O3–9ScSZ）和钆掺杂氧化铈(GDC)。电解质材料对电池性能具有至关重要的影响。已发现YSZ电解质与现代阴极（如镧锶钴铁氧体(LSCF)）之间的有害反应，并且可以通过薄(<100nm)二氧化铈扩散屏障来防止。

如果固体氧化物燃料电池中氧离子的电导率即使在较低温度下也能保持较高（目前研究目标约为500°C），那么SOFC的材料选择将会拓宽，许多现有问题都可能得到解决。某些处理技术，如薄膜沉积可以通过以下方式帮助解决现有材料的这个问题：

• 减少氧离子的传播距离和电解质电阻，因为电阻与导体长度成正比；
• 产生电阻较小的晶粒结构，例如柱状晶粒结构；
• 控制微结构纳米晶细晶粒，实现电性能的“微调”；
• 具有作为界面的大界面区域的建筑复合材料已被证明具有非凡的电性能。