固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀一、本文概述隨著全球能源需求的持續(xù)增長和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，SOFC）作為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，受到了廣泛關(guān)注。本文旨在全面綜述固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，包括其工作原理、材料進(jìn)展、系統(tǒng)設(shè)計、性能優(yōu)化以及應(yīng)用領(lǐng)域等方面的最新進(jìn)展。本文將簡要介紹固體氧化物燃料電池的基本工作原理和組成部分，以便讀者對其有一個整體的認(rèn)識。隨后，將重點(diǎn)討論SOFC的關(guān)鍵材料，如電解質(zhì)、陽極和陰極材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。還將涉及SOFC系統(tǒng)設(shè)計方面的創(chuàng)新，包括電池尺寸、形狀、連接方式和模塊化等方面的優(yōu)化。在性能優(yōu)化方面，本文將分析提高SOFC效率和穩(wěn)定性的方法，如操作條件優(yōu)化、熱管理、氣體供給和排放控制等。還將探討降低制造成本、提高系統(tǒng)可靠性和壽命的途徑。本文將展望固體氧化物燃料電池在能源、環(huán)保、交通等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，并討論當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢。通過本文的綜述，希望能夠為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和企業(yè)決策者提供有價值的參考信息，推動固體氧化物燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。二、SOFC的基本原理與結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC）是一種高效、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，其基本原理是通過氧離子在固體電解質(zhì)中的移動，將燃料（如氫氣、天然氣、生物質(zhì)氣等）與氧化劑（如空氣）之間的化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能。SOFC的核心結(jié)構(gòu)包括電解質(zhì)、陽極（正極）和陰極（負(fù)極）三部分。電解質(zhì)是SOFC中最關(guān)鍵的部分，它通常是由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）等材料制成，具有高離子導(dǎo)電性和在高溫下（通常在600-1000℃）保持穩(wěn)定的特性。電解質(zhì)的主要功能是隔離燃料和氧化劑，同時允許氧離子通過。陽極是燃料發(fā)生氧化的地方，通常使用鎳和氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯的復(fù)合材料制成。在陽極，燃料與氧離子發(fā)生反應(yīng)，生成水、二氧化碳和電子。電子通過外電路流向陰極，形成電流。陰極則是氧氣發(fā)生還原的地方，通常由鈷酸鍶、鈷酸鑭等鈣鈦礦型材料制成。在陰極，氧氣得到電子被還原成氧離子，氧離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陽極，與燃料發(fā)生反應(yīng)。除了電解質(zhì)、陽極和陰極之外，SOFC還包括連接各部件的密封材料、用于燃料和空氣進(jìn)出的氣孔以及用于熱量管理的結(jié)構(gòu)等。整個系統(tǒng)需要在高溫下運(yùn)行，因此需要耐高溫的材料和良好的熱管理設(shè)計。SOFC的基本原理是利用固體電解質(zhì)隔離燃料和氧化劑，通過氧離子在電解質(zhì)中的移動實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的直接轉(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精細(xì)，需要在高溫下穩(wěn)定運(yùn)行，因此對材料的選擇和熱管理設(shè)計提出了很高的要求。目前，SOFC的研究主要集中在提高性能、降低成本和延長壽命等方面。三、SOFC系統(tǒng)研究現(xiàn)狀固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC）作為一種高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換裝置，近年來在全球范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注和研究。作為新一代燃料電池的代表，SOFC具有高效率、低污染、燃料選擇多樣性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的清潔能源技術(shù)。目前，SOFC系統(tǒng)的研究主要集中在材料創(chuàng)新、系統(tǒng)優(yōu)化和規(guī)?；瘧?yīng)用等方面。在材料創(chuàng)新方面，研究者們致力于開發(fā)高性能的電解質(zhì)、陽極和陰極材料，以提高電池的工作效率和穩(wěn)定性。同時，針對SOFC在高溫下運(yùn)行的特點(diǎn)，研究者們也在探索新型的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱管理策略，以提高系統(tǒng)的可靠性和耐久性。在系統(tǒng)優(yōu)化方面，研究者們通過對SOFC系統(tǒng)進(jìn)行整體性能分析和模擬，優(yōu)化電池的運(yùn)行參數(shù)和控制策略，以提高系統(tǒng)的整體效率和穩(wěn)定性。研究者們還在探索將SOFC與其他能源系統(tǒng)（如太陽能、風(fēng)能等）進(jìn)行集成，構(gòu)建多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。在規(guī)?；瘧?yīng)用方面，隨著SOFC技術(shù)的不斷成熟和成本的降低，研究者們開始關(guān)注其在大規(guī)模能源供應(yīng)和分布式能源系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。例如，在電力系統(tǒng)中，SOFC可以作為一種高效、靈活的發(fā)電單元，與電網(wǎng)進(jìn)行互補(bǔ)運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可再生能源的消納能力。在分布式能源系統(tǒng)中，SOFC可以與其他能源設(shè)備（如燃?xì)廨啓C(jī)、儲能系統(tǒng)等）進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用和高效轉(zhuǎn)換。總體而言，目前SOFC系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)和問題。例如，材料成本高、制備工藝復(fù)雜、系統(tǒng)可靠性有待提高等問題仍然需要解決。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，相信SOFC系統(tǒng)將會在能源轉(zhuǎn)換和利用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。四、SOFC應(yīng)用領(lǐng)域的拓展隨著固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。從最初的能源轉(zhuǎn)換和電力系統(tǒng)供電，到現(xiàn)在的分布式能源、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等多個領(lǐng)域，SOFC的應(yīng)用前景日益廣闊。在分布式能源領(lǐng)域，SOFC的高效、環(huán)保和靈活性使其成為一種理想的能源解決方案。通過與可再生能源（如風(fēng)能、太陽能）的結(jié)合，SOFC可以實(shí)現(xiàn)能源的高效存儲和利用，提高能源利用效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。SOFC還可以與燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等熱力設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行，構(gòu)建高效的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高能源利用效率。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，SOFC作為一種高效、環(huán)保的動力源，正逐漸應(yīng)用于汽車、船舶和飛機(jī)等交通工具。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，SOFC具有更高的能源轉(zhuǎn)換效率和更低的排放，有助于降低交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放和環(huán)境污染。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，SOFC的高溫和高效特性使其成為一種理想的熱源和動力源。它可以為工業(yè)生產(chǎn)提供高溫蒸汽、熱能和電力等多種形式的能源，滿足工業(yè)生產(chǎn)的不同需求。SOFC還可以與工業(yè)廢氣處理系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廢氣的高效轉(zhuǎn)化和利用，降低工業(yè)生產(chǎn)的能耗和環(huán)境污染。在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，SOFC的應(yīng)用同樣具有重要意義。由于SOFC在發(fā)電過程中產(chǎn)生的污染物較少，因此可以用于替代傳統(tǒng)的燃煤和燃油發(fā)電方式，降低大氣污染物的排放。SOFC還可以與碳捕獲和存儲技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)碳排放的有效控制和減少，為應(yīng)對全球氣候變化提供有效的技術(shù)支持。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，固體氧化物燃料電池（SOFC）將在未來的能源和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。五、SOFC面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢固體氧化物燃料電池（SOFC）作為一種高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，在近年來得到了廣泛的研究和應(yīng)用。然而，隨著技術(shù)的深入發(fā)展，SOFC也面臨著一系列挑戰(zhàn)，同時展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。材料問題：目前，高性能的電解質(zhì)和電極材料仍然是SOFC研發(fā)的關(guān)鍵。需要進(jìn)一步提高材料的穩(wěn)定性、降低成本，并探索新型材料以滿足長期運(yùn)行和大規(guī)模應(yīng)用的需求。系統(tǒng)效率：盡管SOFC具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)輔助設(shè)備的能耗，整體效率仍有待提高。成本問題：相較于傳統(tǒng)能源技術(shù)，SOFC的制造成本仍然較高，限制了其廣泛應(yīng)用。降低成本是SOFC商業(yè)化推廣的關(guān)鍵。規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化：隨著SOFC技術(shù)的成熟，如何實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化操作成為新的挑戰(zhàn)。材料創(chuàng)新：隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，未來SOFC可能會采用更為先進(jìn)的電解質(zhì)和電極材料，提高性能和穩(wěn)定性，降低成本。系統(tǒng)優(yōu)化：通過對SOFC系統(tǒng)的整體優(yōu)化，降低輔助設(shè)備的能耗，進(jìn)一步提高整體效率。大規(guī)模應(yīng)用：隨著成本的降低和技術(shù)的成熟，SOFC有望在電力、交通、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。智能化和集成化：未來SOFC系統(tǒng)可能會與智能電網(wǎng)、可再生能源等技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化管理和集成化應(yīng)用。SOFC雖然面臨一系列挑戰(zhàn)，但隨著科技的進(jìn)步和研究的深入，其未來發(fā)展前景廣闊。我們有理由相信，SOFC將在未來的能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。六、結(jié)論隨著對可再生能源和高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的日益關(guān)注，固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，SOFC）作為一種高效、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。在本文中，我們對固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的探討。從材料研究的角度看，固體電解質(zhì)和電極材料的研究取得了顯著的進(jìn)展。新型電解質(zhì)材料具有更高的離子導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，而電極材料的改進(jìn)則提高了電池的催化活性和耐久性。這些進(jìn)步為提升SOFC的性能和壽命奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。在系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化方面，研究者們通過改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)、優(yōu)化操作條件、提高系統(tǒng)集成度等手段，有效提高了SOFC系統(tǒng)的效率和可靠性。同時，對于SOFC系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)，如啟動和關(guān)閉過程中的熱應(yīng)力問題、長期運(yùn)行中的性能衰減問題等，也進(jìn)行了深入的研究，并提出了一系列解決方案。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，SOFC系統(tǒng)的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。除了傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)外，SOFC還被應(yīng)用于分布式能源系統(tǒng)、交通領(lǐng)域以及工業(yè)廢熱回收等多個領(lǐng)域。這些應(yīng)用不僅展示了SOFC技術(shù)的多樣性和靈活性，也為其在未來的可持續(xù)發(fā)展中提供了廣闊的空間。然而，盡管固體氧化物燃料電池系統(tǒng)取得了顯著的進(jìn)展，但仍存在許多需要解決的問題和挑戰(zhàn)。例如，如何進(jìn)一步降低成本、提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性、優(yōu)化系統(tǒng)集成方案等。因此，未來的研究應(yīng)繼續(xù)關(guān)注這些問題，并不斷探索新的技術(shù)路徑和應(yīng)用場景，以推動固體氧化物燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀表明，該技術(shù)在材料、系統(tǒng)設(shè)計、應(yīng)用領(lǐng)域等方面都取得了顯著的進(jìn)展。但也面臨著一些挑戰(zhàn)和問題。因此，未來的研究應(yīng)繼續(xù)深入探索，以期實(shí)現(xiàn)固體氧化物燃料電池技術(shù)的更廣泛應(yīng)用和商業(yè)化推廣。參考資料：隨著全球能源需求的不斷增長，新型、高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)成為當(dāng)今科研領(lǐng)域的重要研究方向。其中，固體氧化物燃料電池（SOFC）系統(tǒng)因其高能量轉(zhuǎn)換效率和零排放的特點(diǎn)，備受。本文將簡要介紹SOFC系統(tǒng)的研究背景和意義，并探討當(dāng)前市場現(xiàn)狀、研究方法及已有的研究成果，最后展望其未來應(yīng)用前景。SOFC系統(tǒng)作為一種高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。目前，SOFC主要應(yīng)用于分布式能源、移動電源、電動車等領(lǐng)域。隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級，SOFC的市場規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2025年，全球SOFC市場規(guī)模將達(dá)到300億美元。SOFC系統(tǒng)的研究方法主要包括理論分析、實(shí)驗研究和數(shù)值模擬。理論分析主要從熱力學(xué)和動力學(xué)角度，對SOFC的電化學(xué)反應(yīng)過程、材料性能等進(jìn)行研究。實(shí)驗研究則是通過實(shí)際操作，對SOFC系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試和優(yōu)化。數(shù)值模擬方法可以對SOFC系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行模擬，為實(shí)驗研究提供重要參考。在SOFC系統(tǒng)的研究中，已取得了一系列重要成果。在性能方面，新型SOFC系統(tǒng)的功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提升。在成本方面，通過優(yōu)化材料、降低制備溫度等方法，有效降低了SOFC系統(tǒng)的制造成本。在安全性和環(huán)保方面，SOFC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和零排放特點(diǎn)也得到了充分驗證。SOFC系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級，SOFC將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在分布式能源領(lǐng)域，SOFC將成為一種重要解決方案，滿足人們對可再生能源的需求。在移動電源和電動車領(lǐng)域，SOFC的高能量密度和快速充電特點(diǎn)將成為動力電池的有力競爭者。在工業(yè)過程和廢棄物處理領(lǐng)域，SOFC能夠?qū)崿F(xiàn)能源的回收和再利用，提高能源利用效率。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)作為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，SOFC系統(tǒng)的研究取得了一定的成果，但仍存在諸多挑戰(zhàn)，如降低成本、提高穩(wěn)定性、優(yōu)化材料等。未來，需要進(jìn)一步深化SOFC系統(tǒng)的理論研究，加強(qiáng)實(shí)驗研究和數(shù)值模擬的結(jié)合，推動技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級。需要積極拓展SOFC系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，提高其在分布式能源、移動電源、電動車等領(lǐng)域的應(yīng)用比例。SOFC系統(tǒng)的研究和發(fā)展仍任重道遠(yuǎn)，需要科研工作者和產(chǎn)業(yè)界的共同努力。固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，其工作原理是通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。然而，SOFC的工作效率受到多種因素的影響，如溫度、壓力、燃料類型和組分等。因此，對SOFC系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制是提高其效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。溫度是SOFC運(yùn)行過程中的重要參數(shù)。在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，SOFC的電化學(xué)性能和效率會得到提升。但是，過高的溫度可能導(dǎo)致電池內(nèi)部的材料發(fā)生熱降解或熱應(yīng)力，從而降低電池的壽命。因此，對溫度進(jìn)行精確控制是必要的。一種有效的控制方法是采用先進(jìn)的溫度傳感器和控制器，實(shí)時監(jiān)測和控制SOFC的工作溫度。燃料和空氣的流量也可以通過優(yōu)化控制來調(diào)節(jié)溫度。壓力也是SOFC性能的重要因素。適當(dāng)?shù)膲毫梢源龠M(jìn)燃料和氧化劑的充分混合和反應(yīng)，從而提高電池的效率。然而，過高的壓力可能導(dǎo)致電池內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力增加，對電池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，壓力的控制也需要精確和適度。一種可行的方法是采用壓力傳感器和控制器，實(shí)時監(jiān)測和控制SOFC的工作壓力。燃料的類型和組分對SOFC的性能也有顯著影響。不同的燃料類型和組分會導(dǎo)致SOFC的效率和穩(wěn)定性出現(xiàn)差異。因此，選擇合適的燃料和調(diào)整燃料組分也是優(yōu)化控制的重要方面。一種有效的策略是通過實(shí)驗或模擬研究來確定最佳的燃料類型和組分比例，并通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一比例的精確供給。為了實(shí)現(xiàn)SOFC系統(tǒng)的全面優(yōu)化控制，還需要考慮多種因素的交互作用。例如，溫度和壓力的共同作用、燃料類型和組分與溫度和壓力的交互作用等。這些因素之間的相互作用可能對SOFC的性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響，因此需要采用多變量控制策略來綜合考慮和優(yōu)化這些因素。固體氧化物燃料電池系統(tǒng)優(yōu)化控制需要綜合考慮溫度、壓力、燃料類型和組分等多種因素。通過先進(jìn)的傳感器、控制器和多變量控制策略的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對這些因素的精確控制和優(yōu)化，從而提高SOFC的效率和穩(wěn)定性。這不僅有助于推動SOFC技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，還有助于實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)和環(huán)保的能源利用方式。隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，能源需求日益增長，而傳統(tǒng)能源的供應(yīng)壓力也越來越大。因此，尋找一種高效、環(huán)保的能源成為了全球共同的目標(biāo)。固體氧化物燃料電池（SOFC）作為一種新型的能源技術(shù)，具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來能源的重要發(fā)展方向。固體氧化物燃料電池是一種高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，它可以直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具有高效率、低污染、燃料靈活等優(yōu)點(diǎn)。SOFC的工作原理是，在電池的陽極發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)，釋放出電子和離子；電子通過外部電路傳遞，離子通過電解質(zhì)傳遞。在電池的陰極發(fā)生氧的還原反應(yīng)，電子和離子結(jié)合形成水或者二氧化碳。整個過程中，電子通過外部電路傳遞形成電流，產(chǎn)生電能。固體氧化物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)之一是高效率。由于其直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，省去了傳統(tǒng)發(fā)電方式中的許多中間環(huán)節(jié)，因此效率較高。據(jù)報道，SOFC的發(fā)電效率可以達(dá)到60%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的火力發(fā)電和燃?xì)獍l(fā)電。SOFC的燃料適應(yīng)性廣，可以使用各種氣體、液體或固體燃料，包括天然氣、煤、生物質(zhì)等，這使得SOFC在能源利用上具有很高的靈活性。SOFC還有低污染的優(yōu)點(diǎn)。在發(fā)電過程中，SOFC只產(chǎn)生水或者二氧化碳，不會排放硫化物、氮化物等有害氣體。因此，SOFC是一種清潔、環(huán)保的能源技術(shù)。同時，SOFC的可靠性高、壽命長，維護(hù)成本低，使得其在能源領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。然而，盡管SOFC具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，SOFC的工作溫度較高，需要解決高溫下的材料穩(wěn)定性和密封問題；SOFC的生產(chǎn)成本較高，需要進(jìn)一步降低成本才能廣泛應(yīng)用。固體氧化物燃料電池作為一種高效、清潔、環(huán)保的能源技術(shù)，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。盡管目前還面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，SOFC有望成為未來能源的重要解決方案。固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置，是幾種燃料電池中，理論能量密度最高的一種，被普遍認(rèn)為是在未來會與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度最高，屬于高溫燃料電池。近些年來，分布式電站由于其成本低、可維護(hù)性高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)漸漸成為世界能源供應(yīng)的重要組成部分。由于SOFC發(fā)電的排氣有很高的溫度，具有較高的利用價值，可以提供天然氣重整所需熱量，也可以用來生產(chǎn)蒸汽，更可以和燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)，非常適用于分布式發(fā)電。燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不但具有較高的發(fā)電效率，同時也具有低污染的環(huán)境效益。常壓運(yùn)行的小型SOFC發(fā)電效率能達(dá)到45%-50%。高壓SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合，發(fā)電效率能達(dá)到70%。國外的公司及研究機(jī)構(gòu)相繼開展了SOFC電站的設(shè)計及試驗，100kW管式SOFC電站己經(jīng)在荷蘭運(yùn)行。Westinghouse公司不但試驗了多個kW級SOFC，而且正在研究MW級SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。日本的三菱重工及德國的Siemens公司都進(jìn)行了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的試驗研究。一般的SOFC發(fā)電系統(tǒng)包括燃料處理單元、燃料電池發(fā)電單元以及能量回收單元。圖一是一個以天然氣為燃料、常壓運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)?？諝饨?jīng)過壓縮器壓縮，克服系統(tǒng)阻力后進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱，然后通入電池的陰極。天然氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后，克服系統(tǒng)阻力進(jìn)入混合器，與蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的過熱蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例為，混合后的燃料氣體進(jìn)入加熱器提升溫度后通入燃料電池陽極。陰陽極氣體在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電池發(fā)出電能的同時，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將未反應(yīng)完全的陰陽極氣體加熱。陽極未反應(yīng)完全的氣體和陰極剩余氧化劑通入燃燒器進(jìn)行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體除了用來預(yù)熱燃料和空氣之外，也提供蒸汽發(fā)生器所需的熱量。經(jīng)過蒸汽發(fā)生器后的燃燒產(chǎn)物，其熱能仍有利用價值，可以通過余熱回收裝置提供熱水或用來供暖而進(jìn)一步加以利用。固體氧化物燃料電池是一種新型發(fā)電裝置，其高效率、無污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對多種燃料氣體的廣泛適應(yīng)性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。固體氧化物燃料電池單體主要由電解質(zhì)(electrolyte)、陽極或燃料極(anode，fuelelectrode)、陰極或空氣極(cathode，airelectrode)和連接體(interconnect)或雙極板(bipolarseparator)組成。固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽極為燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。在固體氧化物燃料電池的陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。單體電池只能產(chǎn)生1V左右電壓，功率有限，為了使得SOFC具有實(shí)際應(yīng)用可能，需要大大提高SOFC的功率。為此，可以將若干個單電池以各種方式(串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián))組裝成電池組。SOFC組的結(jié)構(gòu)主要為：管狀(tubular)、平板型(planar)和整體型(unique)三種，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成為SOFC的發(fā)展趨勢。SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池，簡稱PAFC)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池，簡稱MCFC)相比它有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)較高的電流密度和功率密度；(2)陽、陰極極化可忽略，極化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降；(3)可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；(4)避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問題；(5)能提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率