固体氧化物燃料池工作原理

　　固体氧化物燃料池是一种新型发装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。

　　固体氧化物燃料池的工作原理与其他燃料池相同，在原理上相当于水解的“逆”装置。其单池由阳极、阴极和固体氧化物解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速极化学反应的催化剂。工作时相当于一直流源，其阳极即源负极，阴极为源正极。

　　在固体氧化物燃料池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气（H2）、料池工作原理甲烷（CH4）、城市煤气等，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解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，终到达固体解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的子通过外路回到阴极。

　　单体池只能产生1V左右压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的功率。为此，可以将若干个单池以各种方式（串联、并联、混联）组装成池组。

　　SOFC组的结构主要为：管状（tubular）、平板型（planar）和整体型（unique）三种，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。

　　在所有的燃料池中，SOFC的工作温度高，属于高温燃料池。近些年来，分布式站由于其成本低、可维护性高等点已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。由于SOFC发的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，可以和轮机组成联合循环，非常适用于分布式发。燃料池和轮机、蒸汽轮机等组成的联合发系统不但具有较高的发效率，同时也具有低污染的环境效益。

　　常压运行的小型SOFC发效率能达到45%-50%。高压SOFC与轮机结合，发效率能达到70%。国外的公司及研究机构相继开展了SOFC站的设计及试验，100kW管式SOFC站己经在荷兰运行。Westinghouse公司不但试验了多个kW级SOFC，而且正在研究MW级SOFC与轮机发系统。日本的三菱重工及德国的Siemens公司都进行了SOFC发系统的试验研究。

　　一般的SOFC发系统包括燃料处理单元、燃料池发单元以及能量回收单元。图一是一个以天然气为燃料、常压运行的发系统。空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入预热器预热，然后通入池的阴极。天然气经过压缩机压缩后，克服系统阻力进入混合器，与伊春伊春蒸汽发生器中产生的过热蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例为，混合后的燃料气体进入加热器提升温度后通入燃料池阳极。阴阳极气体在池内发生化学反应，池发出能的同时，固体氧化物燃化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热。阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外，也提供伊春伊春蒸汽发生器所需的热量。经过伊春伊春蒸汽发生器后的燃烧产物，其热能仍有利用价值，可以通过余热回收装置提供热水或用来供暖而进一步加以利用。

　　在固态氧化物燃料池（SOFC）中，伊春蒸汽发生器厂家解质采用固体氧化物氧离子（O2-）导体（如常用的 Y2O3 稳定的氧化锆简称 YSZ），其工作原理如图1-1所示：能量转换是通过极上的化学过程来进行的，阴阳极反应分别为：

　　其中燃料气体可以是H2，也可以是燃料气体，而O2来源于空气。式中，下标c、a 和 e 分别表示在阴极、阳极和解质中的状态。

　　当一个外部载荷加到池上时，氧气在多孔的阴极还原成氧离子，然后通过固体解质传输到阳极， 与燃料 （如 H2，CO） 反应 生 成 H2O 或CO2。在一定条件下CH4也可以在阳极直接氧化为H2O和CO2。池的开路压 U0可以由下式计算得出， 即

　　固体氧化物燃料池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成能的全固态化学发装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料池（PEMFC）一样得到广泛普及应用的一种燃料池。它除了具有一般的燃料池的高效率，低污染的点外，SOFC还具有以下特点：

　　⑴ SOFC的工作温度可达1000摄氏度，是目前所有燃料池工作温度高的经由热回收技术进行热合并发，可以获得超过80%的热合并效率。