（材料學(xué)專業(yè)論文）固體氧化物燃料電池的cfd模擬.pdf

摘要 摘要 固體氧化物燃料電池( s o f c ) 以其高能量轉(zhuǎn)換效率，環(huán)境友好和對燃料氣適應(yīng)性廣等特 點(diǎn)，已成為下一代能源轉(zhuǎn)換裝置的首選之一。眾所周知，一氧化碳與氫氣的混合氣制備較 簡單，來源豐富。如能合理地用作s o f c 燃料氣，則其運(yùn)行成本可以大大降低。 本文根據(jù)s o f c 的工作原理，采用一氧化碳和氫氣的混合氣為燃料，建立平板式s o f c 單體、串聯(lián)的單流道、多流道三維數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件f l u e n t 及編寫部分子 程序?qū)ζ溥M(jìn)行模擬計算。分析了一定工況條件( 燃料流速、空氣流速、燃料氣組分比例等) 4 個不同流場下的串聯(lián)s o f c 傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象和電學(xué)性能；分析不同流場設(shè)計對多流道s o f c 熱學(xué)性能、電學(xué)性能的影響；比較了單體、串聯(lián)與多流道s o f c 在相同工況條件下的熱學(xué)、 電學(xué)性能。結(jié)果表明：對單體及串聯(lián)s o f c ，燃料氣和氧化氣在同向進(jìn)氣的情況下較反向 進(jìn)氣的電流密度、溫度場分布均勻，同時，調(diào)節(jié)燃料氣和空氣流速，也可以使電流密度和 電池溫度場的分布更趨均勻。多流道s o f c 采用交叉流設(shè)計時熱電性能最優(yōu)。增加燃料氣 中氫氣與一氧化碳的質(zhì)量比至l ：1 6 ，電池的熱學(xué)、電學(xué)性能能夠保持在合理范圍內(nèi)。s o f c 的電解質(zhì)越薄，其熱電性能越好。在相同工況條件下多流道s o f c 較單體及串聯(lián)s o f c 的 溫度略高，電學(xué)性能略好。 關(guān)鍵詞：固體氧化物燃料電池：三維數(shù)值模擬：熱學(xué)性能；電學(xué)性能；f l u e n t a b s t r a c t a b s t r a c t s o l i do x i d ef u e lc e l l s ( s o f c ) a r ea m o n gp o s s i b l ec a n d i d a t e so fn e x tg e n e r a t i o ne n e r g y c o n v e r s i o nd e v i c e ss i n c et h e y r ec a p a b l eo fp r o v i d i n ge n v i r o n m e n tf r i e n d l y ，h i g h l ye f f i c i e n t p o w e rg e n e r a t i o n m o r e o v e r , s o f c sa r el e s ss e n s i t i v et of u e lc o m p o s i t i o nc o m p a r e dt oo t h e rf u e l c e l ls y s t e m s i ti sw e l lk n o w nt h a tt h es y n g a s ( h 2 c o ) g e t se a s i l ya n dh a sa b u n d a n ts o u r c e i f s y n g a s ( h 2 c o ) i sr e a s o n a b l yf e dt os o f ca sf u e l ，t h eo p e r a t i n gc o s to fc e l lc o u l db ec u td o w na l o t i nt h i st h e s i s ，w i t hs y n g a s ( h 2 c o ) a sf u e l ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo f s i n g l e ，s e r i e sa n ds t a c kc e l la r ei n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lf u e lc e l l s t h e o r i e sa n d s o l v e db yt h ec o m p u t a t i o n a lt o o lf l u e n ta n ds o m es u b r o u t i n e so fs o u r c e s i nf o u rk i n d so ff l o w d e s i g n ，t h ei n f l u e n c eo fw o r k i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha st h e f l o wd i r e c t i o no fg a s ，t h ef u e l c o m p o n e n t sa n dt h ef l o wv e l o c i t yo fg a so nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，m a s st r a n s f e rb e h a v i o r a n de l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c eo fs e r i e sc e l la r ea n a l y z e d f o rt h es t a c km o d e lw i t ht h e d i f f e r e n tf l o wd e s i g n s ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dc u r r e n td e n s i t yf i e l do fc e l lw a s c a l c u l a t e d f u r t h e r m o r e ，t h et h e r m o - f l u i da n de l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tc e l l m o d e l sa r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tf o rs i n g l ec e l la n ds e r i e sc e l l ，t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n dt h ea v e r a g ec u r r e n td e n s i t ya r em o r eu n i f o r mi nt h ec o f l o wc a s et h a ni nt h e c o u n t e r - f l o wc a s e a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h ea v e r a g ec u r r e n td e n s i t yc a nh e o p t i m i z e db ya d j u s t i n g f u e lv e l o c i t ya n da i rv e l o c i t y t h et h e r m a la n de l e c t r o c h e m i c a l p e r f o r m a n c eo fs t a c kw i t hc r o s sf l o wd e s i g ni se x c e l l e n t a d j u s t i n gm a s sc o n t e n tr a t i oo fh 2 c o t o1 1 6 ，t h ep e r f o r m a n c eo f s o f cc a nk e e pi nt h er e a s o n a b l er a n g e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h et h i n n e rt h et h i c k n e s so fe l e c t r o l y t e ，t h eb e t t e rt h ep e r f o r m a n c eo fs o f ci s i nc o m p a r i s o n w i t hs i n g l ec e l l ，s e r i e sc e l la n ds t a c kc e l lp o s s e s s h i g h e rw o r k i n gt e m p e r a t u r ea n db e t t e r e l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c ei nt h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n k e y w o r d s s o l i do x i d ef u e lc e l l ：t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t h e r m o d ，n a m i c c a p a b i l i t y ：e l e c t r i c a lc a p a b i l i t y ；f l u e n t 東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意。 研究生簽名：壟盈盔 日 期： 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的 復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可 以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研 究生院辦理。 一弛壟玲選名：i 全 第一章緒論 1 1 研究背景及意義 第一章緒論 能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動力，也是衡量綜合國力、國家文明發(fā)達(dá)程度和人民生活水平 的重要指標(biāo)。2 l 世紀(jì)是節(jié)能、能源變遷與環(huán)境保護(hù)的世紀(jì)。新型清潔能源的開發(fā)、現(xiàn)有能 源的合理利用，與環(huán)境保護(hù)相互協(xié)調(diào)的發(fā)展已成為本世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。在這個世 紀(jì)，有世界三大能源之稱的石油、天然氣和煤等化石燃料即將被耗盡，同時由于這些燃料 的低效“燃燒”使用，既浪費(fèi)了能源，也對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此，節(jié)省能源與開 發(fā)新能源，提高燃料的利用率與減少燃料燃燒產(chǎn)生的污染，已成為本世紀(jì)必須要解決的重 要問題。燃料電池作為一種新型高效、潔凈的新能源技術(shù)，正是順應(yīng)新世紀(jì)高效、潔凈和 安全利用能源的發(fā)展趨勢發(fā)展起來的，其廣闊的應(yīng)用前景已引起了世界各國的高度重視， 將引發(fā)新世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。燃料電池已成為國際能源領(lǐng)域的研究與開發(fā)熱點(diǎn)， 被認(rèn)為是2 l 世紀(jì)的一種綠色發(fā)電技術(shù)。 燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源 不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電l lj 。與常規(guī)電池不同，一 般化學(xué)電池是儲能裝置，與環(huán)境只有能量交換，而燃料電池是發(fā)電裝置，與環(huán)境既有能量 交換又有物質(zhì)交換。燃料電池的燃料和氧化劑是貯存在電池外部的，當(dāng)它工作時需要不斷 的向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑并同時排出反應(yīng)產(chǎn)物。燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流 體，常用的燃料為純氫、甲醇、各種富氫氣體( 如天然氣、石油液化氣、煤氣等) 拉兒3 | 。 燃料電池技術(shù)的原理早在1 9 世紀(jì)就已發(fā)明；一直到2 0 世紀(jì)6 0 年代才真正應(yīng)用在航空 航天上：8 0 年代開始進(jìn)入民用市場開發(fā)，美國、加拿大、西歐各國以及日本、韓國的多達(dá) 幾百家公司與研究機(jī)構(gòu)紛紛投入燃料電池技術(shù)的開發(fā)；9 0 年代后期，幾乎每個月都有新的 專利產(chǎn)生；進(jìn)入2 1 世紀(jì)，世界上幾乎所有的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家都在投入巨資和力量研究開發(fā)燃 料電池發(fā)電技術(shù)，發(fā)展迅速，競爭激烈。目前，燃料電池已經(jīng)沒有不可克服的技術(shù)障礙， 燃料電池的主要問題之一是成本過高，但在技術(shù)不斷改進(jìn)和批量生產(chǎn)后，成本將迅速下降， 最終可與內(nèi)燃機(jī)或化學(xué)電池相互抗衡1 4 6 j 。 在五類燃料電池中，固體氧化物燃料電池( s o l i do x i d ef u e lc e l l ，s o f c ) 憑借其獨(dú)特的 優(yōu)點(diǎn)，與質(zhì)子交換膜燃料電池一起成為新世紀(jì)各國的研究熱點(diǎn)。s o f c 屬高溫型燃料電池， 與其它裝置( 如燃?xì)廨啓C(jī)) 組成的各種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)可以大幅度地提高燃料的利用效 率。但s o f c 發(fā)電系統(tǒng)的工作環(huán)境封閉、復(fù)雜，內(nèi)部狀態(tài)測量極為困難，實(shí)驗測試受到制 備條件及工藝的限制，實(shí)驗研究一般耗資很大。因此，數(shù)值模擬成為重要的研究手段。根 據(jù)s o f c 工作原理建立數(shù)學(xué)模型，利用計算機(jī)對其各方面參數(shù)進(jìn)行模擬分析，可以為改進(jìn) 電池性能的方案提供理論參考。 1 2 固體氧化物燃料電池概述 燃料電池是一種電化學(xué)的發(fā)電裝置，不同于常規(guī)意義上的電池。它等溫地按電化學(xué)方 式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。其不經(jīng)過熱機(jī)過程，因此不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效 率高( 4 0 6 0 ) ；環(huán)境友好，幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比 常規(guī)發(fā)電廠減少4 0 以上1 2 j 。 燃料電池的種類很多，而且分類方式也各不相同。按照電解質(zhì)性質(zhì)的不同，有堿性燃 料電池( a f c ) 、磷酸型燃料電池( p a f c ) 、熔融碳酸鹽燃料電池( m c f c ) 、固體氧化物 燃料電池( s o f c ) 和質(zhì)子交換膜燃料電池( p e m f c ) ；按照工作溫度范圍的不同，有低溫 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 燃料電池( a f c 、p e m f c ) ，中溫燃料電池( p a f c ) ，高溫燃料電池( m c f c 、s o f c ) ；按 照開發(fā)時間的順序一般將p a f c 稱為第一代燃料電池，m c f c 稱為第二代燃料電池，s o f c 稱為第三代燃料電池。 表1 1 常見燃料電池分類及基本特性【1 3 1 溫度類型低溫燃料電池低溫燃料電池高溫燃料電池 ( 6 0 2 0 0 ) ( 1 6 0 2 2 0 1 2 )( 6 0 0 l o o o ) 電解質(zhì)類型堿性燃料電池質(zhì)子交換膜燃磷酸燃料電池熔融碳酸鹽燃固體氧化物燃 ( a f c ) 料電池( p e m f c ) ( p a f c )料電池( m c p c ) 料電池( s o f c ) 燃料純氫氫氣、甲醇、重重整氣凈化煤氣、天然凈化煤氣、天然 整氫氣、重整氣氣、沼氣 氧化劑純氧空氣、氧氣空氣、氧氣空氣、氧氣空氣、氧氣 陽極 p t 廠n ip t cp i cn i a l ，n i c rn “s z 陰極 p t a g p t c眥 l i n i o s r l a m n 0 3 電解質(zhì) k o hp e m磷酸 l i 2 c 0 3 k 2 c 0 3 y s z 導(dǎo)電離子 o h 。h +h + c 0 3 2 。 0 2 。 應(yīng)用太空飛行、國電站，機(jī)動車便 區(qū)域性供電，輕區(qū)域性供電，聯(lián)區(qū)域性供電，聯(lián) 防、車輛攜式電源便電源合循環(huán)發(fā)電合循環(huán)發(fā)電 發(fā)電效率 6 0 7 0 4 3 5 8 3 7 4 2 5 0 5 0 6 5 優(yōu)點(diǎn)低污染、電效率低污染排放、低低污染、低噪聲能源效率高、低能源效率高、低 高、維護(hù)需求低 噪聲、啟動快噪聲、具有內(nèi)重噪聲、具有內(nèi)重 整能力整能力 缺點(diǎn)燃料與氧化劑與常規(guī)發(fā)電技價格昂貴、發(fā)電啟動時間長、電啟動時間長、對 限制嚴(yán)格、壽命術(shù)相比價格昂效率較低解液具腐蝕性材料的要求苛 短、造價高貴 刻 由表1 1 可以看出，s o f c 的工作溫度最高，可達(dá)1 0 0 0 ，是目前所有燃料電池工作 溫度最高的，通過熱回收技術(shù)進(jìn)行熱點(diǎn)合并發(fā)電，可以獲得超過8 0 的熱電合并效率。由 于s o f c 具有多燃料適應(yīng)性及無需使用貴重金屬觸媒，其成本大大降低，被認(rèn)為是最適合 應(yīng)用于電站系統(tǒng)的先進(jìn)燃料電池技術(shù)。s o f c 應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，幾乎涵蓋所有的傳統(tǒng)電 力市場，包括住宅用、商業(yè)用、工業(yè)用現(xiàn)場型發(fā)電機(jī)，以及公用事業(yè)用發(fā)電廠等，甚至應(yīng) 用于便攜式電源、移動電源、偏遠(yuǎn)地區(qū)用電及高品質(zhì)電源等，其中以靜置型的商業(yè)用電源、 工業(yè)用熱電合并系統(tǒng)及小型電源市場前景較為看好 7 1 0 】。 1 2 1s o f c 的組成 電池單體主要由電解質(zhì)、陽極、陰極和集流板( x 2 極連接板) 組成。 1 2 2 1 陽極 s o f c 陽極的主要作用是為燃料的電化學(xué)氧化提供反應(yīng)場所，所以s o f c 陽極材料必 須在還原氣氛中穩(wěn)定，并且具有足夠高的電子電導(dǎo)率和對燃料氧化反應(yīng)的催化活性9 】。 對于直接通入甲烷、一氧化碳等燃料氣的s o f c ，其陽極還必須能催化甲烷的重整反應(yīng)或 直接氧化反應(yīng)，并能有效的避免積碳的產(chǎn)生。由于s o f c 在中溫、高溫下操作，陽極材料 2 第一章緒論 還必須與其它電極材料在室溫至操作溫度乃至更高的制備溫度范圍內(nèi)化學(xué)上相容、熱膨脹 系數(shù)相匹配。 目前工藝水平下s o f c 的陽極通常是由加入釔的氧化鋯( y s z ) 做骨架和金屬鎳制備而 成一種金屬陶瓷電極。這種金屬陶瓷電極不僅能夠防止金屬觸媒的燒結(jié)，而且由于它的結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定與空隙足夠，能夠?qū)㈥枠O的電化學(xué)反應(yīng)面從二度空間擴(kuò)展為三度空間，同時，由于 加入電解質(zhì)材料而調(diào)整了金屬陽極陶瓷的熱膨脹系數(shù)，而能夠與固態(tài)氧化物電解質(zhì)的熱膨 脹系數(shù)相互匹配。陽極的工藝通常是將納米的氧化鎳和y s z 粉末混合后并調(diào)配成陽極漿 料，然后以網(wǎng)印或電化學(xué)沉積法等程序?qū)⒒旌蠞{料沉積于y s z 固態(tài)電解質(zhì)上，然后再以高 溫( 1 4 0 0 ) 燒結(jié)而形成鎳y s z 金屬陶瓷電極。 1 2 1 2 陰極 s o f c 陰極是電化學(xué)反應(yīng)中氧化劑被還原的場所，所以s o f c 陰極材料必須具備足夠 高的陰極活性、高的電子電導(dǎo)率，有一定的離子導(dǎo)電能力，與電池其它組件材料熱膨脹系 數(shù)匹配，化學(xué)穩(wěn)定性好p 1 。 目前使用最廣泛的陰極材料是摻入鍶的錳酸鑭( l s m ) 。當(dāng)l s m 所摻入鍶的量其原子 數(shù)與鑭原子數(shù)的比值在0 1 o 3 時的熱膨脹系數(shù)與y s z 的熱膨脹系數(shù)最為接近。l s m 不 但具有高的氧氣還原反應(yīng)的催化活性，而且具有良好的導(dǎo)電性。一般而言，為了增加電極 的反應(yīng)界面，在陰極制作過程中會在l s m 中摻入2 0 4 0 的y s z 電解質(zhì)，在工藝上則 是利用網(wǎng)印或噴涂等方法將l s m 與y s z 的混合漿料涂布到固態(tài)電解質(zhì)膜上，最后，再經(jīng) 高溫( 1 3 0 0 1 4 0 0 ) 燒結(jié)即可制作出厚度大約為5 0 m 的s o f c 的陰極。 1 2 1 3 電解質(zhì) 作為s o f c 的電解質(zhì)材料有三點(diǎn)基本要求：不能有孔隙而讓氣體通過：必須是電的絕 緣體而且氧離子的傳導(dǎo)能力越大越好；就結(jié)構(gòu)而言電解質(zhì)越薄越好，以降低歐姆阻抗【2 j 。 目前s o f c 所使用的電解質(zhì)的主要成分為摻入摩爾分?jǐn)?shù)為3 1 0 的三氧化二釔的 氧化鋯，這種材料經(jīng)常用來制作氧氣產(chǎn)生器及氧氣感應(yīng)器。常溫下的純氧化鋯屬于單斜晶 體系，在1 1 5 0 不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)構(gòu)，到了2 3 7 0 進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎浆撌Y(jié)構(gòu)，并 一直保持到熔點(diǎn)2 6 8 0 。引入三氧化二釔等異價氧化物后可以使瑩石結(jié)構(gòu)的氧化鋯從室溫 一直到熔點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時能在氧化鋯晶格內(nèi)形成大量的氧離子空位， 以保持材料整體的電中性。每加入兩個三價離子可以產(chǎn)生一個氧離子空位。摻入三氧化二 釔能夠使氧化鋯穩(wěn)定于瑩石結(jié)構(gòu)而具有極高的離子傳導(dǎo)能力。然而，過多的雜質(zhì)原子反而 會使離子傳導(dǎo)能力降低。摻入摩爾分?jǐn)?shù)為8 的三氧化二釔的氧化鋯是目前在s o f c 中廣 泛采用的電解質(zhì)材料，它在1 0 0 0 時的電導(dǎo)率約為0 1 s c m 。在工藝方面，平板式s o f c 的電解質(zhì)隔膜通常采用帶鑄法制作，而管式s o f c 則采用電化學(xué)蒸氣沉積法( e v d ) 制作 電解質(zhì)隔膜。 1 2 1 4 雙極連接板 固體氧化物燃料電池相鄰兩單電池的陰極和陽極以雙極連接板連接導(dǎo)電，在平板式 s o f c 中，它具有導(dǎo)氣的作用。雙極連接板在高溫狀態(tài)下必須具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性、足 夠的機(jī)械強(qiáng)度、高的導(dǎo)電度及與電解質(zhì)相近的熱膨脹系數(shù)等特征。目前s o f c 連接材料主 要有摻入鈣或鍶的鉻酸鑭( l c c ，l s c ) 、鎳鉻合金及不銹鋼等【2 j 口l c c 具有很好的抗高溫 3 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 氧化性、良好的導(dǎo)電性及與s o f c 其他組件相匹配的熱膨脹系數(shù)。然而l c c 燒結(jié)性能差， 不易制作成形，而且材料價格比較昂貴，以l c c 作為平板式s o f c 的雙極連接板所需費(fèi)用 將高達(dá)電池材料成本的8 0 。因此，目前平板式s o f c 普遍采用鎳鉻合金或不銹鋼作為雙 極連接板?；旧?，鎳鉻合金能夠滿足s o f c 的物理化學(xué)特性要求，缺點(diǎn)是長期穩(wěn)定性能 較差。不銹鋼則是目前平板式s o f c 常用的雙極連接板，由于大部分的鋼材在高于8 0 0 的溫度下容易氧化，因此并不適合用于工作溫度高于8 0 0 的高溫型s o f c 。在工藝方面， 管式s o f c 采用電化學(xué)蒸氣沉積法將l c c 沉積在空氣電極后經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成，平板式 s o f c 通常將鎳鉻合金或不銹鋼薄板直接沖壓成形或者以機(jī)械加工方式制作成具有氣體流 道的雙極板。 1 2 2s o f c 的工作原理 燃料電池是一種以氫為主要燃料并把燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接變換成電能 的高效、低污染、無噪聲的發(fā)電裝置。其工作原理為氣體燃料連續(xù)不斷地供入負(fù)極，空氣( 氧 氣) 連續(xù)不斷地供入正極，固體電解質(zhì)通過陽極及陰極與外部電路一起形成一個導(dǎo)電回路。 工作時，陽極處燃料氣被氧化，同時對外電路放電；陰極處氧氣被還原，并從外電路接受 電子，最終反應(yīng)產(chǎn)物為水和二氧化碳等。電子從電池陽極( 外電路負(fù)極) 流向電池陰極( 外電 路正極) ，產(chǎn)生直流電【1 2 叫5 1 。圖1 1 顯示了固體氧化物燃料電池的基本工作原理。 c o + o z 啼c 饒+ 簿 圖1 1 固體氧化物燃料電池的工作原理示意圖 s o f c 的燃料具有多樣性，可以為純氫、一氧化碳、天然氣( 甲烷) 以及烴類燃料等，電 極上的電化學(xué)反應(yīng)可表示如下： 陽極燃料被氧化： h ，+ o - - - * h ，o + 2 e c h 4 + 4 0 - - - 2 h ，0 _ 卜c 0 2 + b e c o + o c 0 7 + 2 e 陰極氧化劑被還原： 0 5 0 ，+ 2 e o 。 4 第一章緒論 電池總的反應(yīng)方程式為： ；0 5 0 2 一h 2 0 c h 4 + 2 仉一2 也o + c 0 2 c o + 05 0 2 _ c 0 2 1 2 3s o f c 的結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn) 1 2 31 s o f c 的結(jié)構(gòu)類型 由于構(gòu)成s o f c 的所有組件都是固體，因此電池結(jié)構(gòu)與外形具有多樣性?？梢砸勒詹?同要求與環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。目前常用的設(shè)計有管式結(jié)構(gòu)與平板結(jié)構(gòu)兩種。結(jié)構(gòu)示意圈見圖 i - 2 、圖i - 3 。 圖i 2 平板式s o f c 結(jié)構(gòu)示意圖 圖i - 3 管式s o f c 結(jié)構(gòu)示意圖 a 平板式s o f c 平板式s o f c 單體的結(jié)構(gòu)如圖i - 2 其設(shè)計是將空氣電極、固體電解質(zhì)及燃料電掇燒 結(jié)成為一體而形成三合一的夾層平板結(jié)構(gòu)( p e n 板) 然后在p e n 板與p e n 板之間以雙面 都刻有流道的職極連接板串聯(lián)，空氣和燃料氣體則分別從雙極連接板兩面的氣體流道中交 叉流過。 平板式s o f c 的優(yōu)點(diǎn)是電池結(jié)構(gòu)簡單，平板電解質(zhì)和電極制備工藝簡單，容易控制， 造價低；電流經(jīng)過的路徑短，歐姆極化比管式結(jié)構(gòu)低，電池功卑密度高，性能好。但是， 需要解決高溫?zé)o機(jī)密封的技術(shù)難題以及由此帶來的熱循環(huán)性能差的問題；其次，對雙極連 接板的材料也有報高的要求。平板式s o f c 的電解質(zhì)與電板燒結(jié)成一體，形成p e n 板。為 了避免空氣與燃料的混合，p e n 板和雙板連接扳之問采用高溫?zé)o機(jī)粘結(jié)劑密封。 b 管式s o f c 管式s o f c 單體的結(jié)構(gòu)如圖1 3 ，從里到外分別由空氣電極、電解質(zhì)、燃料電極及積 極連接材料四層所組成。其燃科電池堆則是由許多單電池管以串聯(lián)與并聯(lián)形式組裝山成。 管式s o f c 的制作過程是：首先以擠壓成形與燒結(jié)方式制作陰極支撐( a i re l e c t r o d e s u p p o r t ，a e s ) 管，然后分別以電化學(xué)蒸氣沉積法( e v d ) 及物理蒸氣沉積法( p v d ) 將 電解質(zhì)與雙極連接材料涂布至陰極支撐管上，然后再將陽極漿料涂布到電解質(zhì)層上最后 經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，加工好的單管電池一端封閉，另一端則沿著單電池管的中心軸插八氧化 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 鋁空氣導(dǎo)流管，將空氣直接導(dǎo)入電池管封閉端附近，再沿著空氣電極面流回到開口端。燃 料氣體則是沿著電池外部，與管內(nèi)空氣相同方向流過燃料電極。離開燃料電極的未完全反 應(yīng)的燃料氣體可以有兩種不同的處理方式：一種是與空氣在燃燒室混合后進(jìn)行燃燒，所得 余熱可作為燃料電池進(jìn)口空氣預(yù)熱之用；第二種則是將其導(dǎo)回燃料氣體回路中再重新進(jìn)入 燃料電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。 管式s o f c 的主要特點(diǎn)是組裝容易且不需要進(jìn)行單電池間密封程序，因此，比較容易 通過單管電池之間并聯(lián)和串聯(lián)的方式組合成大型燃料電池系統(tǒng)。然而，免密封管式設(shè)計也 有缺點(diǎn)，電流沿著環(huán)形電極行進(jìn)將會造成較長的路徑而增加歐姆阻抗，進(jìn)而影響電池的效 率；此外，單電池圓管的制作技術(shù)中，y s z 電解質(zhì)和雙極連接板所采用的電化學(xué)蒸氣沉積 法，原料利用率低，相對制作成本偏高。 1 2 3 2 s o f c 特點(diǎn) 固體氧化物燃料電池( s o f c ) 是目前國際間正在積極研發(fā)的新型發(fā)電技術(shù)之一，除了 具有一般燃料電池高效率、低污染的優(yōu)點(diǎn)外，s o f c 具有以下特點(diǎn)【2 叫】： ( i ) s o f c 的工作溫度可達(dá)1 0 0 0 ，是目前所有燃料電池工作溫度最高的，通過熱回收技 術(shù)進(jìn)行熱點(diǎn)合并發(fā)電，可以獲得超過8 0 的熱電合并效率。 ( 2 ) s o f c 的電解質(zhì)是固體，因此沒有電解質(zhì)蒸發(fā)和泄漏的問題，而且電極也沒有腐蝕的 問題，運(yùn)轉(zhuǎn)壽命長。此外，由于構(gòu)成池體材料全部是固體，電池外形設(shè)計具有靈活性。 ( 3 ) s o f c 在高溫下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，因此，無須使用貴金屬觸媒，而且本身具有內(nèi)重整 能力，可以直接采用天然氣、煤氣或其他碳?xì)浠衔镒鳛槿剂希喕穗姵叵到y(tǒng)。 ( 4 ) s o f c 排出的余熱及未使用的燃料氣體可與燃?xì)廨啓C(jī)等構(gòu)成復(fù)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，如此 可以提高總發(fā)電效率，并減低對環(huán)境的污染。與其他燃料電池比較，s o f c 系統(tǒng)設(shè)計簡單， 發(fā)電容量范圍大，用途較為廣泛。 高溫工作下的s o f c 的缺點(diǎn)： ( 1 ) 對電池材料的要求較高及開路電壓較低。包括電極、電解質(zhì)及雙極連接板材料等s o f c 的所有組件，在高溫時必須具備穩(wěn)定且兼容的物理化學(xué)特性。例如，電池材料間不能發(fā)生 化學(xué)反應(yīng)，而且彼此之間的熱膨脹系數(shù)也必須相互配合。 ( 2 ) 由于工作溫度高，預(yù)熱時間較長，s o f c 不適用于需經(jīng)常啟動的、非固定場所。 ( 3 ) 燃料電池的價格是其他的分散式發(fā)電系統(tǒng)( 內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)) 的2 1 0 倍。目前最先 進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)的價格相當(dāng)于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的價格。燃料電池的維護(hù)與其他的發(fā)電裝 置有很大的不同，目前這方面的專業(yè)維護(hù)人員可以說非常少。燃料電池發(fā)生故障之后，往 往需要運(yùn)回生產(chǎn)基地進(jìn)行維修，目前還無法做到現(xiàn)場更換電池堆。 1 2 4s o f c 的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 4 1 s o f c 的國外發(fā)展研究狀況 美國是世界上最早從事s o f c 研究的國家。西屋電氣公司起到了非常重要的作用，現(xiàn) 已成為s o f c 研究方面最有權(quán)威的機(jī)構(gòu)【2 4 1 。早在1 9 6 2 年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料， 在s o f c 試驗裝置上獲得電流，并指出烴類燃料在s o f c 內(nèi)必須完成燃料的催化轉(zhuǎn)化與電 化學(xué)反應(yīng)2 個基礎(chǔ)過程，為s o f c 的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后1 0 年間，該公司與o c r 機(jī)構(gòu) 6 第一章緒論 協(xié)作，連接4 0 0 個小圓筒型z r 0 2 c a o 電解質(zhì)，試制1 0 0 w 電池，但此形式不便供大規(guī)模 發(fā)電裝置應(yīng)用。8 0 年代后，為了開辟新能源，緩解石油資源緊缺而帶來的能源危機(jī)，s o f c 研究得到蓬勃發(fā)展。西屋電氣公司將電化學(xué)氣相沉積技術(shù)應(yīng)用于s o f c 的電解質(zhì)及電極薄 膜制備過程，使電解質(zhì)層厚度減至微米級，電池性能得到明顯提高，使s o f c 的研究進(jìn)入 了嶄新的領(lǐng)域。8 0 年代中后期，它開始向研究大功率s o f c 電堆發(fā)展。1 9 8 6 年，4 0 0 w 管 式s o f c 電池組在田納西州運(yùn)行成功。1 9 8 7 年，又在日本東京、大阪煤氣公司安裝了3 k w 級列管式s o f c 發(fā)電機(jī)組，成功地連續(xù)運(yùn)行了5 0 0 0 h - - - - 標(biāo)志著s o f c 研究從試驗研究向 商業(yè)發(fā)展。進(jìn)入9 0 年代能源部機(jī)構(gòu)繼續(xù)給西屋電氣公司投資6 4 0 0 余萬美元，旨在開發(fā)出 高轉(zhuǎn)化率、2 m w 級的s o f c 發(fā)電機(jī)組。1 9 9 2 年2 臺2 5 k w 管型s o f c 分別在日本大阪、 美國南加州進(jìn)行了幾千小時試運(yùn)行。從1 9 9 5 年起，西屋電氣公司采用空氣電極作支撐管， 取代了原先的z r 0 2 支撐管，簡化了s o f c 的結(jié)構(gòu)，使電池的功率密度提高了近3 倍。1 9 9 8 年底該公司為荷蘭u t i l i e s 公司建造1 0 0 k w 管式s o f c 系統(tǒng)，能量利用率達(dá)到7 5 ，已正 式投入使用。目前，西門子西屋公司宣布有2 座2 5 0 k w s o f c 示范電廠很快將在挪威和加 拿大的多倫多附近建成。位于匹茲堡的p p m f 是s o f c 技術(shù)商業(yè)化的重要生產(chǎn)基地，這里 擁有完整的s o f c 電池構(gòu)件加工、電池裝配和電池質(zhì)量檢測等設(shè)備，是目前世界上規(guī)模 最大的s o f c 技術(shù)研究開發(fā)中心。1 9 9 0 年，該中心為美國能源部制造了2 0 k w 級s o f c 裝 置，該裝置采用管道煤氣為燃料，已連續(xù)運(yùn)行了1 7 0 0 h 。該中心還為日本東京和大阪煤氣 公司、關(guān)西電力公司提供了2 套2 5 k w 級s o f c 試驗裝置，其中l(wèi) 套為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。美 國阿爾貢國家實(shí)驗室研究開發(fā)了疊層波紋板式s o f c 電池堆，并開發(fā)出適合這種結(jié)構(gòu)材料 成型的澆注法和壓延法，使電池能量密度得到顯著提高，是比較有前途的s o f c 結(jié)構(gòu)。2 0 0 2 年5 月，西門子西屋公司與加州大學(xué)合作，在加州安裝了第一套2 2 0 k w 功率的s o f c 與氣 體渦輪機(jī)聯(lián)動發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)時獲得的能量轉(zhuǎn)化效率為5 8 。2 0 0 6 年1 1 月西門子能源產(chǎn)生 公司日前宣布：公司的最新款固體氧化物燃料電池( s o f c ) 技術(shù)已經(jīng)成功通過測試。該技術(shù) 整合了美國能源部固體國家能源轉(zhuǎn)換聯(lián)盟的高密度技術(shù)，一個5 k w 級的完整系統(tǒng)原形通過 采用s e c a 技術(shù)，已成功運(yùn)作2 8 0 0 小時并會繼續(xù)運(yùn)作。2 0 0 8 年，美國m e s o s c o p i cd e v i c e s 公司制造的、使用固體氧化物型燃料電池( s o f c ) 的便攜電源已經(jīng)向民用市場投放。 歐洲早在7 0 年代，德國海德堡中央研究所就研制出圓管式或半圓管式解質(zhì)結(jié)構(gòu)的 s o f c 發(fā)電裝置，單電池運(yùn)行性能良好。德國的西門子i4 | 、d o m i e r g m b h 及a b b 研究公司 致力于開發(fā)千瓦級平板式s o f c 發(fā)電裝置。西門子公司還與荷蘭能源中心( e c n ) 合作開 發(fā)平板式s o f c 單電池，有效電極面積為6 7 c m 2 。a b b 研究公司于1 9 9 3 年研制出改良型 平板式千瓦級s o f c 發(fā)電裝置，這種電池用金屬雙極性結(jié)構(gòu)，在8 0 0 下進(jìn)行試驗，效果 良好。英國r e s e a r c h 和i m p e r i a lc o l l e g e d 、丹麥r i s e 國家實(shí)驗室、瑞士s u l z e r 公司也緊跟 其后，紛紛投巨資進(jìn)行平板式s o f c 的研究工作，進(jìn)展相當(dāng)迅速，目前正在進(jìn)行千瓦級s o f c 的研究。澳大利亞從1 9 8 9 年開始研究平板型固體氧化物燃料電池堆，期間可以劃分為5 代：2 0 0 1 年后為第四代，2 0 0 4 年后為第五代。2 0 0 1 年，實(shí)現(xiàn)以1 0 y s z 、1 0 y s z 1 5 a 為電 解質(zhì)材料，密封材料分別為玻璃、玻璃和陶瓷，電池堆由5 4 個單電池組成，運(yùn)行溫度為 8 5 0 ；2 0 0 3 年實(shí)現(xiàn)k w 級；2 0 0 4 年，實(shí)現(xiàn)以1 0 y s z 2 a 為電解質(zhì)材料，密封材料為玻璃 和陶瓷，電池堆由l l o 個單電池組成，并實(shí)現(xiàn)多個電池堆的串聯(lián)，運(yùn)行溫度為8 5 0 ，實(shí) 現(xiàn)熱電聯(lián)供( c o m b i n e dh e a ta n dp o w e r ，c h p ) ，k w 級。 國際上s o f c 的研發(fā)主流是中溫s o f c 電池組的研制與新材料的開發(fā)。加拿大的g l o b a l 熱電公司在中溫s o f c 研發(fā)領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。g l o b a l 的研發(fā)方向為中溫平板 s o f c ，主要面向分散供電、家庭熱電聯(lián)供市場，目前該公司己經(jīng)形成l k w 系統(tǒng)運(yùn)行1 0 0 0 小時的生產(chǎn)能力。 除了歐美國家之外，亞洲的日本也很早就進(jìn)行s o f c 的研發(fā)工作，是國際上技術(shù)先進(jìn) 7 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 的國家之一。日本政府先后出臺s o f c 研究的“月光計劃”及“新陽光計劃”【2 1 。1 9 7 2 年， 電子綜合技術(shù)研究所開始研究s o f c 技術(shù)，后來并入“月光計劃”的研究與開發(fā)行列，1 9 8 6 年研究出5 0 0 w 圓管式s o f c 電池堆，并組成1 2 k w 發(fā)電裝置。東京電力公司與三菱重工 從1 9 8 6 年1 2 月開始研制圓管式s o f c 裝置，獲得了輸出功率為3 5 w 的單電池，當(dāng)電流 密度為2 0 0 m a c m 2 時，電池電壓為0 1 7 8 v ，燃料利用率達(dá)到5 8 。1 9 8 7 年7 月，電源開 發(fā)公司與這2 家公司合作，開發(fā)出l k w 圓管式s o f c 電池堆，并連續(xù)運(yùn)行達(dá)1 0 0 0 h ，最大 輸出功率為1 3 k w 。關(guān)西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機(jī)構(gòu)則從美國西屋電氣 公司引進(jìn)3 k w 及2 5 k w 圓管式s o f c 電池堆進(jìn)行試驗，并取得了滿意的結(jié)果。從1 9 8 9 年 起，東京煤氣公司著手開發(fā)大面積平板式s o f c 裝置，1 9 9 2 年6 月完成了1 0 0 w 平板式s o f c 裝置。該電池的有效面積為4 0 0 c m 2 ?，F(xiàn)f u j i 與s a n y o 公司開發(fā)平板式s o f c 功率己達(dá)到 千瓦級。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從1 9 9 0 年起對疊層波紋板式s o f c 系統(tǒng)進(jìn) 行研究和綜合評價，研制出4 0 6 w 試驗裝置，該裝置的單電池有效面積達(dá)1 3 l c m 2 。2 0 0 0 年9 月1 1 日，三菱重工神戶造船所與中部電力合作，實(shí)現(xiàn)了功率輸出為1 5 k w 的平板式 s o f c ，連續(xù)運(yùn)行1 0 0 0 小時無衰減的良好記錄；富士電機(jī)綜合研究所與三洋電機(jī)共同合作， 開發(fā)千瓦級平板型模塊，并組織7 個研究機(jī)構(gòu)，開發(fā)高性能、長壽命的s o f c 材料及其基 礎(chǔ)技術(shù)。 1 2 4 2 s o f c 的國內(nèi)發(fā)展研究狀況 由于我國對s o f c 的研究起步較晚，各項基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)與其他國家有一定的差 距。 最早開展s o f c 研究的是中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，他們在1 9 7 1 年就開展了 s o f c 的研究，主要側(cè)重s o f c 電極材料和電解質(zhì)材料的研究。8 0 年代在國家自然科學(xué)基 金會的資助下又開始s o f c 的研究，系統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽極材 料、單體s o f c 結(jié)構(gòu)等，已初步掌握了濕化學(xué)法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技 術(shù)f 5 1 0 吉林大學(xué)于1 9 8 9 年在吉林省青年科學(xué)基金資助下開始對s o f c 的電解質(zhì)、陽極和陰極 材料等進(jìn)行研究，組裝成單體電池，通過了吉林省科委的鑒定。1 9 9 5 年獲吉林省計委和國 家計委4 5 0 萬元人民幣的資助，先后研究了電極、電解質(zhì)、密封和聯(lián)結(jié)材料等，單體電池 開路電壓達(dá)1 1 8 v ，電流密度4 0 0 m a c m 2 ，4 個單體電池串聯(lián)的電池組能使收音機(jī)和錄音 機(jī)正常工作。 1 9 9 1 年中國科學(xué)院化工冶金研究所在中國科學(xué)院資助下開展了s o f c 的研究，從研制 材料著手，制成了管式和平板式的單體電池，功率密度達(dá)0 0 9 w c m 2 0 1 2 w c m 2 ，電流密 度為1 5 0 m a c m 2 1 8 0 m a c m 2 ，工作電壓為0 6 0 v 0 6 5 v 。1 9 9 4 年該所從俄羅斯科學(xué)院烏 拉爾分院電化學(xué)研究所引進(jìn)了2 0 w 3 0 w 塊狀疊層式s o f c 電池組，電池壽命達(dá)1 2 0 0 h 。 他們在分析俄羅斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國w e s t i n gh o u s e 的管式結(jié)構(gòu)和德國s i e m e n s 板式結(jié)構(gòu)的 基礎(chǔ)上，設(shè)計了六面體式新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸收了管式不密封的優(yōu)點(diǎn)，電池間組合采用金 屬氈柔性聯(lián)結(jié)，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)于1 9 8 2 年開始從事固體電解質(zhì)和混合導(dǎo)體的研究，于1 9 9 2 年在國 家自然科學(xué)基金會和“8 6 3 ”計劃的資助下開始了中溫s o f c 的研究。一種是用納米氧化鋯 作電解質(zhì)的s o f c ，工作溫度約為4 5 0 。另一種是用新型的質(zhì)子導(dǎo)體作電解質(zhì)的s o f c ， 已獲得接近理論電動勢的開路電壓和2 0 0 m a c m 2 的電流密度。此外，他們正在研究基于多 孔陶瓷支撐體的新一代s o f c 。 清華大學(xué)在9 0 年代初開展了s o f c 的研究，他們利用緩沖溶液法及低溫合成環(huán)境調(diào)和 8 第一章緒論 性新工藝成功地合成了固體電解質(zhì)、空氣電極、燃料電極和中間聯(lián)結(jié)電極材料的超細(xì)粉， 并開展了平板型s o f c 成型和燒結(jié)技術(shù)的研究，取得了良好效果。 華南理工大學(xué)于1 9 9 2 年在國家自然科學(xué)基金會、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)李嘉 誠科研基金、廣東佛山基金共一百多萬元的資助下開始了s o f c 的研究，組裝的管狀單體 電池，用甲烷直接作燃料，最大輸出功率為4 m w c m 2 ，電流密度為1 7 m a c m 2 ，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 1 4 0 h ，電池性能無明顯衰減。 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在1 9 9 4 年開始s o f c 的研究，用超細(xì)氧化鋯粉在l1 0 0 下燒結(jié)制成穩(wěn)定和致密的氧化鋯電解質(zhì)。該所從8 0 年代初開始煤氣化熱解的研究，以 提供燃料電池的氣源。煤的灰熔聚氣化過程已進(jìn)入工業(yè)性試驗階段，正在鎮(zhèn)江市建立工業(yè) 示范裝置。該所還開展了使煤氣化熱解的煤氣在高溫下脫硫除塵和甲醇脫氫生產(chǎn)合成氣的 研究，合成氣中c o 和h 2 的比例為l ：2 ，已有成套裝置出售。 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1 9 9 4 年開展了s o f c 的研究工作，在電極和電解質(zhì)材料 的研究上取得了可喜的進(jìn)展。中國科學(xué)院北京物理所在國家自然科學(xué)基金會的資助下，開 展了用于s o f c 的新型電解質(zhì)和電極材料的基礎(chǔ)性研究1 6 j 。 s o f c 技術(shù)未來在我國的應(yīng)用有一些特別有利的條件：( 1 ) 利用我國豐富的沼氣資源， 將其與農(nóng)村的沼氣工程配套組成熱電聯(lián)產(chǎn)的清潔能源系統(tǒng)，改善農(nóng)村環(huán)境與能源結(jié)構(gòu)；( 2 ) 利用氯堿廠的排出氫氣發(fā)電；( 3 ) 用s o f c 改造老火電廠，s o f c 發(fā)電系統(tǒng)作為前級，把原 有的蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組作為底循環(huán)，構(gòu)成高效熱電聯(lián)產(chǎn)的清潔能源系統(tǒng)；( 4 ) 我國有豐富的 稀土資源，可滿足s o f c 發(fā)展的需要。同時也帶動了稀土資源的開發(fā)。所以開發(fā)s o f c 發(fā) 電系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 此外，s o f c 不僅可以用純氫為燃料，還可以用資源豐富而且經(jīng)濟(jì)的天然氣、液化石 油氣作為燃料，尤其適合缺水而具有天然氣資源或以天然氣為一次能源來發(fā)電的地區(qū)，例 如我國西部地區(qū)。因此開發(fā)s o f c 電站技術(shù)完全符合我國能源發(fā)展規(guī)劃的指導(dǎo)思想和開發(fā) 西部的戰(zhàn)略方針，它不但可以優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)，降低電能生產(chǎn)所帶來的環(huán)境污染，同 時還可以帶動和促進(jìn)相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對我國國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)起著至關(guān)重要 的作用。 目前已有一些課題研究證明，只要s o f c 的生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到火力發(fā)電規(guī)模，s o f c 的生 產(chǎn)成本和發(fā)電成本可以降到后者以下。此外，s o f c 電站系統(tǒng)在輸配電設(shè)備上的費(fèi)用預(yù)計 遠(yuǎn)低于火力電站系統(tǒng)。因此，s o f c 發(fā)電技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上也將優(yōu)于火電技術(shù)。 隨著我國越來越多的科研人員和企業(yè)致力于s o f c 技術(shù)的研發(fā)，在不久的將來，s o f c 將成為我國發(fā)電技術(shù)的重要組成部分之一。 1 2 4 3 有關(guān)s o f c 數(shù)值模擬的研究狀況 固體氧化物燃料電池( s o f c ) 以其固態(tài)結(jié)構(gòu)、高能量轉(zhuǎn)換效率和對燃料氣廣泛適應(yīng)等特 點(diǎn)，己成為各國研究開發(fā)的