固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，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、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。
固体氧化物燃料电池基本信息
| 中文名称 | 固体氧化物燃料电池 | 外文名称 | Solid Oxide Fuel Cell |
|---|---|---|---|
| 简称 | SOFC | 性质 | 第三代燃料电池 |
固体氧化物燃料电池是一种新型发电装置，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。
固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)组成。
固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的"逆"装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如:氢气(H2)、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电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，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得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。
单体电池只能产生1V左右电压，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，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组。 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。
固体氧化物燃料电池造价信息
1、启动时间长。
因操作温度在650~1000℃，为保护电池组件，升温速率不能太快，5-10℃每分钟升温，启动时间在65分钟至200分钟;
2、成本高
常用电极材料含贵金属、稀土元素，导致原料成本高;
3、寿命
固体氧化物燃料电池的寿命扔需考证。
固体氧化物燃料电池原理
在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度最高，属于高温燃料电池。近些年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。由于SOFC发电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，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。
常压运行的小型SOFC发电效率能达到45%-50%。高压SOFC与燃气轮机结合，发电效率能达到70%。国外的公司及研究机构相继开展了SOFC电站的设计及试验，100kW管式SOFC电站己经在荷兰运行。Westinghouse公司不但试验了多个kW级SOFC，而且正在研究MW级SOFC与燃气轮机发电系统。日本的三菱重工及德国的Siemens公司都进行了SOFC发电系统的试验研究[2]。
一般的SOFC发电系统包括燃料处理单元、燃料电池发电单元以及能量回收单元。图一是一个以天然气为燃料、常压运行的发电系统。空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入预热器预热，然后通入电池的阴极。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电池阳极。阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时，电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，也提供蒸汽发生器所需的热量。经过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。
固体氧化物燃料电池常见问题
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根据我的了解，固体氧化物燃料电池的价格有以下几种情况： 1.青岛天尧实业有限公司，报价是755元。 2.上海依夫实业有限公司，报价是300元。 3.子美国际贸易（上海）有限公司，报价是345元。 价格...
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SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池，简称PAFC)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池，简称MCFC)相比它有如下优点:(1)较高的电流密度和功率密度;(2)阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电...
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固体氧化物燃料电池是由美国西屋（Westinghouse）公司研制开发的．它以固体氧化锆-氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O2-）在其间通过。
SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池，简称PAFC)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池，简称MCFC)相比它有如下优点:(1)较高的电流密度和功率密度;(2)阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降;(3)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;(4)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;(5)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;(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构;(7)陶瓷电解质要求中、高温运行(600~1000℃)，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。
除了燃料电池的一般优点外，SOFC还具有以下特点:对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行;不需要使用贵金属催化剂;使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题;积木性强，规模和安装地点灵活等。这些特点使总的燃料发电效率在单循环时有潜力超过60%，而对总的来说体系效率可高达85%，SOFC的功率密度达到1MW/M3，对块状设计来说有可能高达3MW/M3。事实上，SOFC可用于发电、热电回用、交通、空间宇航和其他许多领域，被称为21世纪的绿色能源。
固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。
固体氧化物燃料电池文献
固体氧化物燃料电池封接玻璃的研究:成分与性能
固体氧化物燃料电池封接玻璃在初期必须具备一定的流动性以便有效形成封接,进而保持足够的机械强度。它的热膨胀系数必须与燃料电池的其它部件相匹配,还需要具有化学稳定性。通过对研制的80多个逆性硅酸盐玻璃成分的分析,获得了成分-性能的一些规律:B2O3能够降低玻璃的软化温度和玻璃转变温度;ZnO通过拓宽玻璃转变温度和结晶温度之间的温度范围而改善封接性能,如Zn/Si比为0.7的成分可以获得230℃的温度范围;逆性玻璃的热膨胀系数取决于网络配体的平均势场强度,如加入BaO因为其较小的势场强度而提高玻璃的热膨胀系数,而加入势场强度较大的ZnO则呈现相反趋势。
固体氧化物燃料电池在建筑冷热电联产中的应用
介绍了燃料电池的基本工作原理、特点和种类 ,以及一种固体氧化物燃料电池在作者所在大学建筑冷热电联产项目中的应用。
本书结合国内外固体氧化物燃料电池材料的研究进展，探讨钙钛矿型复合氧化物电解质材料、阴极材料和阳极材料及其组成单电池的制备工艺和性能，以期对固体氧化物燃料电池技术的研究有所推动。
第1章绪论1
1.1燃料电池简介1
1.2固体氧化物燃料电池优势2
1.3固体氧化物燃料电池的开路电压2
1.4固体氧化物燃料电池的三种极化损失4
1.4.1活化极化5
1.4.2欧姆极化6
1.4.3浓差极化6
1.5固体氧化物燃料电池的效率7
第2章具有菲克定律形式的尘气模型11
2.1引言11
2.2理论12
2.3模型验证14
2.3.1模型描述14
2.3.2数值模拟方法和模型参数15
2.4DGMFM准确性分析16
2.4.1基本模型参数时DGMFM准确性分析16
2.4.2不同阳极结构时DGMFM准确性分析17
2.4.3不同操作条件时DGMFM准确性分析17
2.4.4DGMFM高度准确的原因20
2.5小结21
参考文献21
第3章传统电极曲率模型23
3.1传质理论23
3.1.1菲克模型23
3.1.2麦克斯韦-斯特藩模型24
3.1.3尘气模型24
3.1.4菲克形式尘气模型25
3.2曲率综述25
3.3曲率的计算27
3.3.13D立方体堆积27
3.3.2扩散模拟27
3.3.3模型验证与计算结果分析28
3.4曲率的推导31
3.4.1理论推导31
3.4.2模型验证及计算结果分析33
3.5小结34
参考文献34
第4章静电纺丝电极三相线模型37
4.1电极TPB模型简介37
4.1.1传统电极37
4.1.2浸渍电极38
4.2静电纺丝电极TPB模型39
4.3静电纺丝电极TPB长度计算40
4.4逾渗率42
4.5TPB长度43
4.6小结44
参考文献45
第5章阳极支撑与阴极支撑SOFC性能对比分析47
5.1引言47
5.2模型48
5.2.1控制方程48
5.2.2边界条件50
5.3模型参数52
5.4计算结果分析52
5.4.1气体浓度分布53
5.4.2电势分布54
5.4.3温度分布54
5.4.4肋宽度的影响54
5.4.5接触电阻和单元宽度的影响55
5.5小结56
参考文献57
第6章双电极支撑SOFC性能分析58
6.1引言58
6.2模型59
6.2.1物理模型59
6.2.2导电过程的控制方程59
6.2.3质量输运过程的控制方程60
6.2.4边界条件60
6.2.5模型参数及验证62
6.3计算结果分析63
6.3.1物理量分布对比63
6.3.2不同参数的影响65
6.4小结67
参考文献67
第7章电解质支撑SOFC电极厚度分析69
7.1引言69
7.2物理模型70
7.3数学模型70
7.3.1物质传输控制方程70
7.3.2导电控制方程71
7.4计算结果分析71
7.4.1气体浓度分布71
7.4.2电极集流层厚度优化71
7.5小结74
参考文献74
第8章阳极支撑SOFC肋尺寸分析76
8.1引言76
8.2理论方法77
8.2.1物理模型77
8.2.2气体在多孔介质中的输运控制方程78
8.2.3导电过程的控制方程79
8.2.4边界条件(BCs)80
8.2.5数值方法81
8.2.6模型参数和数值验证81
8.3结果与讨论83
8.3.1电池性能与肋宽度的关系83
8.3.2阳极肋宽度对电池性能的影响85
8.3.3阴极肋宽度对电池性能的影响87
8.3.4最优肋宽度的计算公式89
8.4小结91
参考文献91
第9章阴极支撑SOFC肋优化93
9.1引言93
9.2模型94
9.2.1几何模型94
9.2.2传质过程模拟95
9.2.3导电过程模拟97
9.2.4边界条件99
9.2.5数值求解99
9.2.6数值验证100
9.3结果与讨论101
9.3.1肋宽度对电池性能影响101
9.3.2最优肋宽度表达式102
9.4小结104
参考文献104
第10章SOFC肋尺寸选取107
10.1引言107
10.2模型108
10.3计算结果分析108
10.4小结113
参考文献114
第11章SOFC新型连接体设计与优化115
11.1引言115
11.2模型115
11.2.1几何模型115
11.2.2气体输运方程117
11.2.3导电方程117
11.2.4Butler-Volmer方程118
11.2.5边界设置118
11.3不同连接体设计性能对比119
11.3.1阳极浓度过电势分布119
11.3.2阴极电势分布119
11.3.3电导率的影响121
11.3.4孔隙率的影响122
11.3.5单元宽度和Vop的影响123
11.4交叉形连接体结构优化125
11.4.1阴极连接体多参数优化125
11.4.2阳极连接体多参数优化128
11.5小结131
参考文献131
第12章SOFC多场模型的开发133
12.1SOFC多场模型概述133
12.2模型134
12.2.1几何模型134
12.2.2电荷守恒方程135
12.2.3动量守恒方程136
12.2.4质量守恒方程136
12.2.5能量守恒方程137
12.2.6边界条件138
12.2.7多场模型开发139
12.3计算结果分析140
12.4新型电堆设计142
12.5小结145
参考文献146 2100433B
与火力发电原理不同，燃料电池是直接将燃料的化学能转变为电能，因此燃料电池的效率比火力发电的效率高得多。燃料电池作为继水电、火电、核电之后的第四代新型发电技术，得到了世界各国的重视。与其他类型的燃料电池相比， 固体氧化物燃料电池（SOFC）具有燃料灵活、全固态、不需要昂贵的催化剂、高温余热等突出的优势。《固体氧化物燃料电池理论分析与结构优化设计》在固体氧化物燃料电池气体传质模型和电极孔隙结构的重构、曲率的推导、纺丝电极的三相线模型构建、支撑结构对性能的影响、双电极支撑SOFC提出及分析、电极厚度的优化、肋尺寸的影响及优化、新型连接体及电堆的设计、SOFC多场模型的开发等方面进行了重点介绍。
本书适合从事新能源、能源化学，特别是燃料电池领域的研究生和科研人员使用，也可供能源行业相关工程师和技术人员参考。
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