浅论固体氧化物燃料电池

王建军

身份证号：500236199612104959

摘要: 固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种直接将燃料化学能转化为电能的能量转换装置，不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，具有燃料适应性广、清洁无污染、全固态结构、无需使用贵金属催化剂等优点。SOFC技术具有广泛的应用前景，不仅可以实现氢能的绿色高效利用，还可以实现传统化石能源的高效清洁利用，为我国实现碳峰值、碳中和目标做出重要贡献。SOFC技术应用广泛，不仅能绿色高效地利用氢能，还能高效清洁地利用传统化石能源，为中国实现碳峰值、碳中和目标做出了重要贡献。

关键词: 固体氧化物燃料电池；电解质；阴极材料；阳极材料

前言

随着经济的不断发展，随之而来的能源问题亟待解决，一场前所未有的能源革命即将展开。燃料电池是能源的重要组成部分，因其不受卡诺循环限制的特点而有别于传统的热机。燃料电池是一种转换效率高、排放量低的能源转换装置。

一、固体氧化物燃料电池简介

随着工业技术的发展，生态环境迅速恶化。全球变暖、雾霾天气和臭氧层的破坏都是工业发展的副产品。如果我们不处理技术发展带来的双刃剑问题，那么人类最终将自食其果。因此，我们需要在人与自然和谐共生的原则上发展工业，新能源技术的发展已成为一种趋势。今天的世界经济正在迅速扩张，世界对能源的需求也在显著增加。在对这些多重问题的思考下，出现了与能源危机相关的问题。石油和煤炭等不可再生资源日益枯竭，世界迫切需要新能源。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）是新能源领域比较热门的课题。

固体氧化物燃料电池具有不受卡诺循环限制、高能量转换效率和多种形式的固体电解质的稳定应用等优点。传统电池不存在液体成分损失或损坏的问题，是一种环保的全固态电池，满足当今世界的能源要求。燃料电池有着悠久的历史。早在19世纪，英国化学家就发表了关于燃料电池的文章，为燃料电池的发展奠定了基础。直到今天，固体氧化物燃料电池在公共交通、航空航天和军事等其他工业领域都有重要应用。

二、SOFC的工作原理和性能要求

固体氧化物燃料电池（SOFC）的电解质是以全固态为特征的固体氧化物。但本质上类似于普通电池，两者都发生在阳极和阴极之间的氧化还原反应中，将储存在燃料和助燃剂中的化学能转化为电能。在SOFC的操作期间，电池的阳极经历还原剂的氧化反应，而阴极经历氧化剂的还原反应。

由于在由固体氧化物组成的电解质中在高温下传导氧负离子的效率很高，固体氧化物燃料电池属于高温燃料电池的范畴。他的工作温度范围控制在400℃至1000℃的高温环境内，这是影响固体氧燃料电池性能的重要因素。在高温环境中，固体氧化物燃料电池的转换效率更高。然而，从实践的角度来看，使用这种高温的必要性可能会导致显著的缺点，例如材料的热降解和腐蚀、电池寿命短以及电极-电解质界面处的额外反应和界面熔化。此外，选择耐高温所需的材料将增加电池的成本。因此，将电池的工作温度控制在一定范围内，不仅可以降低成本，还可以在一定程度上延长电池的使用寿命。除了温度，压力也是一个重要的影响因素。在常压下运行的小型固体氧化物燃料电池的发电效率可以达到50%左右。固体氧化物燃料电池的性能也受到燃料类型的影响。来自大学的学者对使用SOFC的不同燃料的性能进行了研究，发现在控制其他变量时，高纯度H2电池的转化效率最高。甲醇在最大功率密度中排名第二，因此高纯度氢气是最理想的燃料。绿色、环保、高效是理想燃料的重要要求之一，研究高纯度氢气作为燃料具有重要意义。

三、SOFC（固体氧化物燃料电池）的材料选择

固体氧化物燃料电池材料由电解质、阳极材料（燃料电极）、阴极材料（氧电极）和双极连接等四部分材料组成。

（一）电解质材料

电解质是固体氧化物燃料电池的核心部件。电解质材料需要具有足够高的离子和电子电导率、足够高的氧化还原分类稳定性、价格低廉且易于获得、无毒且易于压制成薄片等特性。氧化锆基固体电解质是学者们研究最早、使用最多的材料，常用的还有掺杂钆的氧化铈（GDC）等。它是高效离子传导的迁移介质。钇稳定氧化锆（YSZ）电解质在1000°C 时的氧离子导电率约为10-1 S·cm-1。它所具有的众多优点使其成为固体氧化物燃料电池电解质材料的最佳选择。

（二）阳极材料（燃料电极材料）

燃料电极材料需要具有足够高的离子和电子导电性，并且在氧化还原气氛中具有足够的稳定性。它要求与电解质材料具有高兼容性，并在高温环境中具有良好的热膨胀性。早期的燃料电极由铂、金、镍、铁和钴等金属制成，但由于其相应的缺陷，它们无法成为最合适的材料。Ni和YSZ的复合阳极具有良好的抗硫中毒等相关性能，并且几乎没有其他不利性能，是当前领域中广泛使用的阳极材料。

（三）阴极材料（氧电极材料）

阴极又称氧电极，因为O2 在阴极发生氧还原反应（ORR）。阴极材料应满足以下要求：首先，阴极材料疏松中空，有利于O2 的通过和扩散，对O

2-具有良好的离子传导性；其次，热稳定性好，热膨胀系数（TEC）与电解质相匹配；最后，作为阴极对O2向O2-的转化具有良好的催化活性等。

由于金、银等贵金属在电池工作的高温环境下能保持较稳定的性能，所以早期固体氧化物燃料电池的阴极都是用贵金属制成的。然而，贵金属除了生产成本高之外，还存在堵塞电池孔隙等硬性缺点。目前，最有前途的正极材料是铬化物正极材料，因为它能克服贵金属在中低温下的相关缺陷，且性能较高。

（四）双极连接材料

双极连接材料用于连接氧化还原气氛中的阳极（燃料电极）和阴极（氧气电极），需要有足够高的稳定性，双极连接材料的热膨胀系数应与阳极和阴极材料的热膨胀系数相匹配。

四、SOFC（固体氧化物燃料电池）材料选择需要克服的问题

在SOFC（固体氧化物燃料电池）的材料选择方面仍有几个问题需要克服，首先是合金材料。例如，不锈钢在高温下的抗氧化性较差，这会因接触电阻增加而影响 SOFC 的性能。其次，大部分金属材料在氧化环境中很可能与密封所用材料发生其他反应，破坏电池环境。第三，目前市场上所有的双极连接金属材料都是掺铬合金，而铬蒸汽会在电池运行过程中毒害电池电极。目前的工作重点是研究不掺杂铬的双极连接金属材料。

五、SOFC（固体氧化物燃料电池）的发展现状

固体氧化物燃料电池是新一代高效清洁能源。目前，固体氧化物燃料电池已不再局限于高温工作环境，而是扩展到在中低温环境中工作。纵观世界，在发达国家中，日本和美国在固体氧化物燃料电池的研究和应用方面相对领先。日本主要将SOFC应用于住宅热电联产，而美国将SOFC用于微电网系统和无人机等相关部件。日本三菱等相关公司是全球知名的SOFC能源公司。在21世纪中期之前，SOFC的市场规模超过了一万亿元。SOFC无论从环境角度还是从经济角度都具有巨大的发展前景.

结束语

燃料电池具有发电效率高、噪音低、能量转换率高、燃料多样、负载响应快、氮和硫氧化物排放低、环境兼容性好、燃料范围广、可靠性高的优点。在国家政策和各项环保要求的大力支持下，这将推动我国燃料电池技术的不断突破，推动我国的燃料电池产业不断发展。

参考文献

[1]孟君玲,田川,徐娜,等.固体氧化物燃料电池电极表面原位析出的研究进展[J].应用化学, 2023, 40(10):1335-1346.DOI:10.19894/j.issn.1000-0518.230141.

[2]郭土,孙兆松,张伟.固体氧化物燃料电池产业发展现状及前景分析[J].现代化工, 2023.

[3]黄掌发,曹宝华,王建新,等.一种固体氧化物燃料电池复合阴极材料及其应用:CN202210036966.5[P].CN116487616A[2023-10-24].

[4]韩敏芳,彭苏萍.固体氧化物燃料电池发展及展望[J].新材料产业(7):39-41[2023-10-24].

[5]孙杨,陈海峰,杨杰,等.固体氧化物燃料电池电解质发展现状[J].中国材料进展, 2023, 42(5):421-430.