固体氧化物燃料电池新进展

来源:用户上传      作者: 刘岩 张齐琪

　　固体氧化物燃料电池(SolidOxide Fuei Cell SOFC)是通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化成电能的发电技术。该技术具有效率高、CO2排放少、无噪声、无NO2、SO2等酸性废气排放等优点，被称之为21世纪的一种绿色发电技术。上海硅酸盐研究所王绍荣研究员多年来一直坚持固体氧化物燃料电池的研究，取得了重重突破。
　　
　　SOFC技术成果显著
　　
　　由于SOFC的运行温度使得燃料的内部重整成为可能，其不仅可以使用纯氢燃料，还可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统；其采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。利用煤气发电的SOFC未来实现大型化系统后，可望显著地提高火力发电效率，节能减排；利用天然气重整发电的分布式或家庭用热电联供系统可望在智能电网中发挥重要的作用，确保电力供应的安全与稳定；利用生物质气发电的SOFC可望绕过生物质利用中的收集瓶颈，为广大农村提供优质的能源。
　　据王绍荣研究员介绍，长期以来，困扰SOFC技术研发的主要问题是高温密封、冷热循环、部件材料的成本、电池堆的寿命、以及系统集成技术等问题。问题的解决既需要科研人员的努力、也需要国家和社会给以广泛支持和投入。截至目前为止，我国对SOFC技术的投入主要来自于政府部门，特别是国家科技部和中国科学院白“九五”以来持续支持了SOFC的关键材料、关键技术研究，有力地推动了该技术的发展并取得了　批令人鼓舞的成果。但是、也应该看到我国对SOFC技术的投入比起西方发达国家的投入还远远不够；即便是国内横向比较，对SOFC技术的投入比起对其它相关能源技术的投八也差距甚大。这样的不平衡直接导致了SOFC技术的研发进展相对缓慢，与其重要性很不相称
　　
　　SOFC研究新进展
　　
　　中国科学院上海硅酸盐研究所长期以来研究具有自主知识产权的多层流延共烧结法制备SOFC单电池的技术，其主要特点是烧结次数少、成本低、成品率高。王绍荣介绍说，自2004年在国内率先实现了面积大于10×10cm2的阳极支撑型电解质复合膜以来，经过十几代更新与改良，目前，已经实现了面积大于20×20cm2的阳极支撑型电池的小批量制备。该核心产品具有强度高、完全平整、功率密度稳定可靠、衰减率低的优点。
　　在密封材料方面，上海硅酸盐研究所探索了一系列不同膨胀系数的玻璃和玻璃陶瓷材料，解决了电池组件热膨胀系数匹配问题，和密封的成功率问题，成功实现了电池堆7次以上的冷热循环(室温～750℃)。更加可喜的是，2010年下半年的努力使得他们的电池堆已经克服了冷热循环后的功率衰减问题；长期稳定运行的电池堆在春节“休息”以后重新出发，而性能不变。
　　在双极连接板方面，上海硅酸盐研究所不仅对气道和密封结构进行了成功的设计，而且攻克了等离子喷涂法制备合金抗高温氧化涂层的技术关键。这对保障电堆的寿命起到了十分关键的作用。同时，针对电池堆内部流场优化的难题，该团队开发了一种方法，布置测温点阵，可以直接测得电池两极的温度分布，改变了长期以来国际国内对此问题只能采用计算机模拟计算的格局。
　　上海硅酸盐研究所是国内首家成功运行数百瓦级高、中温平板型固体氧化物燃料电池堆的单位，在电池堆设计、控制、运行等方面积累了丰富的经验。利用自主制备的大面积电池搭建的电池堆在750℃下最大功率达到了1.5kW。考察过的最长运行时间超过1500小时。衰减率小于3％／1000h。
　　图3显示了一个小电池堆在经历7次热循环时的开路电压情况，以及循环后长期运行时的功率变化，在热循环过程中开路电压完全正常，表示密封完好无损；循环后在标准工作电流300mA／cm2下放电数百小时，电压没有衰减，说明电堆的稳定性得到了保证，在这些工作基础之上，上海硅酸盐研究所于2010年10月对外销售了第一个平板电堆试制产品。
　　
　　总结起来，中国科学院上海硅酸盐研究所在平板式SOFC研究上已经取得了长足的进展，显著缩短了和国际间的差距。在十二五规划中，SOFC作为上海硅酸盐研究所重点推进的工程化研发方向之一，将致力于5kW级的家庭用热电联供系统的开发，重点解决SOFC系统集成技术问题，推动SOFC的实际应用。

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