收稿:1996年10月,收修改稿:1997年5月高温固体氧化物燃料电池(SOFC)进展江义李文钊王世忠(中国科学院大连化学物理研究所大连116023)摘要固体氧化物燃料电池(SOFC)采用的是全固体的电池结构,不存在液体电解质带来的腐蚀和流失等问题,而且具有燃料适应性广等突出优点,近几年发展非常迅速,已经展示出作为集中或分散发电新技术的前景。本文较详细地介绍了固体氧化物燃料电池的特点、工作原理和关键电池材料的研制,并全面阐述了国内外发展现状和发展趋势。关键词固体氧化物燃料电池能源固体电解质TheProgressinSolidOxideFuelCellsJiangYiLiWenzhaoWangShizhong(DalianInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Dalian116023,China)AbstractSolidoxidefuelcells(SOFC),fabricatedonentiresolidstatestructure,possessseveraladvantagesoverothertypesoffuelcells.Theuseofsolidelectrolyteelimi2natescorrosionandliquidelectrolytehandleproblem,andthehighoperatingtemperaturemakesfuelflexible.TherapiddevelopmentofSOFCinrecentyearshasdemonstratedthegreatpossibilityforSOFCasanewtechniquebothforcentralizedanddecentralizedpowergeneration.Thepresentreviewgivesanintroductiontothecharacteristics,workingprin2cipal,cellstructuresandkeymaterialsrelatedtosolidoxidefuelcells.ThestatusandtrendofR&DinthefieldofSOFCbothabroadandathomehavebeenreviewedindetails.Keywordssolidoxidefuelcells;energysources;solidoxideelectrolytes燃料电池是将化学能直接转化为电能的电化学能量转化装置。从原理上讲,燃料电池不受卡诺循环限制,与传统热机相比,具有能量转化效率高(可达50%～60%)和环境友好(即很低的NOx、SO2和噪音排放)等优点[1]。早在内燃机问世之前(1842年),英国的WilliamGrove就展示了世界上第一台以稀硫酸为电解质,H2、O2为燃料的电化学电能转化装置[2]。然而到本世纪50年代之前,由于电极过程动力学理论的落后以及在19世纪后期内燃机这种相对简单的能量转化装置的问世和迅速发展,燃料电池的发展一直处于停滞状态[1]。到本世纪中叶,在宇航工业发展的推动第9卷第4期1997年12月化学进展PROGRESSINCHEMISTRYVol.9No.4Dec.,1997©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.下,常温氢氧燃料电池技术有了长足的发展。由于当时这类燃料电池系统造价昂贵,只在航天、军事等特殊场合应用。近年来,由于矿物资源的日趋贫乏和保护生态环境日益受到重视,人们迫切希望发展高效的既可节省有限矿物资源同时又可减少CO2排放的环境友好发电技术。燃料电池发电技术正好满足以上要求,重新受到人们的重视。燃料电池从第一代碱性燃料电池(AFC)开始已经发展到今天的第五代离子膜燃料电池(PEMFC)。除了AFC电池外,第二代磷酸电池(PAFC),第三代熔融碳酸盐电池(MCFC),第四代固体氧化物电池(SOFC)和第五代PEMFC电池各有其优点,目前都正在向商业化发展。一、SOFC的特点和其它燃料电池不同,在SOFC中,采用固体氧化物氧离子(O2-)导体(如最常用的Y2O3稳定的氧化锆,简称YSZ)作电解质起传递O2-和分离空气、燃料的双重作用。这类氧化物由于掺杂了不同价态的金属离子,为了保持整体的电中性,晶格内产生大量的氧空位。在高温下(>750℃),这类掺杂氧化物具有足够高的O2-离子导电性能[3]。由于采用这种高温氧化物固体电解质,和其它类型的燃料电池相比,SOFC具有许多显著优点[4～5]。比如,由于是全固体的电池结构,避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;高的工作温度(900～1000℃),使电极反应过程相当迅速,无须采用贵金属电极,因而电池成本大大下降;同时高温工作电池排出的高质量余热可充分利用,既可用于取暖也可与蒸汽轮机联用循环发电,能量综合利用效率可从单纯60%电效率提高到80%以上。最突出的优点是燃料适用范围广,不仅可以用H2、CO等燃料,而且可直接用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物作为燃料。目前SOFC的主要问题是电池组装相对困难,其中由高温引起的技术难题较多。近几年随着SOFC材料和组装技术的发展,SOFC有希望成为将来集中或分散发电的新技术。...
