固体氧化物燃料电池研究文献论文

作者: Raymond George Klaus Hassmann【摘要】燃料电池具有非同寻常的性能： 电效率可达60％以上，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的4种主要燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重点介绍高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的应用及其发展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market． 燃料电池是通过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料(如天然气、甲醇或纯净氢气)的化学反应直接产生出电能。与汽轮发电机生产的电能相比，燃料电池具有非同寻常的特性：它的电效率可达60％以上，可以在带部分负荷运行的情况下进行维修，而且除了排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其他的有害排放物。1 燃料电池的分类 目前研制的燃料电池技术在运行温度上有不同的类型，从比室温略高直到高达1000℃的范围。大多数工业集团公司的注意力集中在以下4种主要类型上：(1)运行温度在60-80℃之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池(PEMFC)；(2)运行温度在160-220℃之间的磷酸类燃料电池(PAFC)；(3)运行温度在620-660℃之间的熔融碳酸盐类燃料电池(MCFC)；(4)运行温度在880-1000℃之间的固体氧化物燃料电池(SOFC)。 可以将这些类型的燃料电池划分为低温型(100℃及以下)、中温型(约200℃左右)及高温型(600-l000℃)燃料电池。 表1简要地列出了各种类型燃料电池的性能。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池对于静止装置和移动式装置都适用。 实用装置的功率容量差别也很大，可以给笔记本电脑及移动电话供电(数以W计)，也可以给居民住宅(数kW)或是分散的电热设备和动力设备(数百KW到数MW)供电。 最适于用来驱动汽车的是低温型燃料电池。 根据使用期限成本进行的经济性比较结果表明，就发电成本而言，SOFC型燃料电池要PEM型低30％。这个结果是根据SOFC型燃料电池的电效率比PEM型的高，这2种燃料电池最终都可以达到l000美元／KW的投资成本这一假设条件而推导出来的。 2 高温燃科电池 高温型燃料电池具有许多适于在静止式装置上使用的特性。但是在高温型燃料电池产生出电能之前需要较长的加热过程，因而这种技术不能应用于要求在短时间内频繁起动的各种实用装置。此外，高温型燃料电池还具有以下特点： (1)不需要使用贵金属来催化电化学反应。一般情况下使用陶瓷材料。 (2)对CO完全没有限制。CO参加到电化学反应过程并像H2一样被氧化。 (3)对燃料表现出高度灵活性。可以给这类燃料电池发电设备供应天然气，天然气在设备内部被转换成H2和CO。这意味着无需任何外部燃料，从而大大简化了发电设备的平衡问题。 (4)高温可以将燃气轮机连接到该系统上，在这种情况下，燃料电池发电设备是在300kPa压力下运行，并在不考虑燃气轮机输出的情况下将燃料电池的功率密度提高约20％，因此使总的电效率提高10％，可成倍地降低使用期限成本。 (5)较高的运行温度也为排热提供了更多的灵活性。在电效率达60％或更高水平的联合循环系统中可限制废热排放，而在单循环下则会排放出更多的热量。 MCFC和SOFC是这类高温型燃料电池的2种技术。它们使用的材料不同。MCFC是在一只陶瓷容器中放入液态的金属碳酸盐作为电解液，如果没有采取防止电极老化的措施，燃料电他的使用寿命会受到影响。 在MCFC中电化学反应是由CO3离子引发的。MCFC采用的是颊型电池，和SOFC型的管形设计方案相比，这种颊型电他的功率密度要稍微高一些。这在成本上要比SOFC型装置优越。但在另一方面，由于SOFC所用的陶瓷材料非常稳定，可以用在950-1000℃范围内，所以SOFC装置在抗老化性能上更具优越性。到目前为止，所有的长期电池试验和正在运行的试验性机组都表明SOFC型装置的使用寿命可以达到70 000-80 000h，是MCFC型的2倍。 MCFC和SOFC 2种技术在进行100-250kW功率范围的单循环现场试验中，成本都有大幅度的下降。目前在MCFC开发上占有主导地位的是美国的Fuel Cell Energy公司及其在德国的授权单位MTU，日本的Ishikawajima-Harima重工(IHI)和三菱公司等。而Siemens Westinghouse在SOFC开发上处于领先水平。3 中温型燃料电池 目前磷酸类燃料电池(PAFC)是具有最先进技术的燃料电池。80年代，IFC(国际燃料电池公司)决定对其前期商业化生产线进行投资，制造和销售200kW的PAFC装置，并将其投入市场。东芝公司在80年代末就已经努力使PAFC技术进入商用市场。从此，PAFC技术就一直在静止燃料电池的市场中占据着显赫的位置。迄今为止，全球已经安装了150多套PAFC燃料电池装置。 研究表明，这种燃料电池未能实现市场商业化的原因大致有以下几方面： (1)电效率最高为40％，超过维修期限后会降到35％甚至更低水平。通常情况下设备的使用期限不超过20 000运行h。 (2)有些试验性的设备(如东芝公司管理的1套11MW设备未能达到顶期的性能水平。 (3)美国和日本政府大幅度削缩用于PAFC技术研究和开发的投资。 (4)从迄今积累的经验及在改善设计参数和降低产品成本方面的潜力来看，让PAFC技术成功地跻身于当今的市场中的可能性是极低的。4 SOFC在配电市场方面的潜力 Siemens Westinghouse公司根据对市场的分析，决定采取必要的措施加快SOFC技术进入市场的步伐。预计在2003-2004年提供第l批产品，进入商业性生产前的试验阶段，装置容量从目前的2MW扩大到15MW。 北美和欧洲被认为是SOFC燃料电池技术最有希望的市场。Hagler Bailly公司和西门子公司对功率范围为250 kW-l MW的市场进行了调查，结果表明到2005年SOFC燃料电池的市场容量为每年10000MW。北美和欧洲几乎各占50％。考虑到北美洲用户的结构和他们的需求，在北美洲各类小型发电机组的总容量在2010年可能达到每年约1000MW，其中600MW可能是燃料电池发电装置。在各种类型的燃料电池中，SOFC的市场份额约占40％，到2010年在北美洲SOFC的全年销售额将达到亿美元。 在竞争日益激烈的配电市场中的另一个获胜者是微型燃气轮机，主要是作为备用电源或辅助电源。由于SOFC和微型燃气轮机的特性适于不同的应用场所，SOFC效率高但投资成本也高，而微型燃气轮机成本低但效率也低，因而这2种技术不会产生市场上竞争。而往复式发动机会逐渐失去其在市场中的份额。 欧洲电网要比北美洲电网强大得多，欧洲电网强化了集中的大型发电厂的作用。因此在北美洲经常出现的分散式电热设备和动力装置的供电质量和供电可靠性问题在欧洲是不突出的。但另一方面，在欧洲对能量储存更为敏感。 此外，一些国家政府将颁布新的规程和法律及新的能源价格，预计欧洲各国之间市场份额会有重大差异。在有些情况下这个过程会给SOFC用于配电装置起到一定的促进作用。此外，欧洲的自由化近程落后于北美洲。因此，市场预测结果会有很大程度的不确定性。5 SOFC技术应用的扩展 使用天然气作为燃料的SOFC是车载式装置，其扩展应用可有以下几种形式：(1)家庭应用：新一代燃料电池将是扁平管型的，其功率密度是目前所用圆柱型燃料电池技术的2倍，因而将制造出5kW的燃料电池装置。这种设计方案是可行的，在配电市场中可以替代圆柱型燃料电池。(2)l0MW以上的系统装置：很显然，只要SOFC技术占有了功率范围在250-10MW的市场，那么下一步最必然的是要争取占有l0MW以上更大规模发电设备的市场。通过把更多SOFC链接起来便能实现这个目标，也满足了高效率低成本的要求。20MW级规模燃料电池的电效率已经接近甚至超过70％。(3)用液态燃料运行：使用天然气作为燃料将SOFC的应用局限在靠近天然气供气网的区域内，从而使这项新技术的应用受到限制。因此存在着让SOFC使用液态燃料的迫切要求。因此，应与大型石油公司合作进行该课题的研究开发，选择一种适宜的液体燃料并设计出最适于使用这种新燃料的SOFC发电装置，以便为边远的用户服务。 (4)C02的分离：Shell公司和 Siemens Westinghouse公司正在共同研制一种能将CO2从完全反应后的燃料中分离的SOFC设飞方案。例如，当把其装在用于回收油的平台上时，可以把CO2用泵压到地下储层中，这不但可省去CO2的排放税，还可提高原油的产出量。 (5)综合性应用：CO2分离装置可能是点火的火花装置，它使得SOFC在一种封闭且可再生的能量循环中成为关键性部件。经过-段时间，SOFC能产生出热量和电力，例如用于大型暖房的设施中，SOFC装置产生的C02可用来加快植物的生长。而任何一种农作物收获后的剩余有机物都可以转化为气体供给SOFC作燃料。

【摘要】固体氧化物燃料电池是一种可以直接将燃料的化学能转化为电能的电化学装置，固体氧化物电解池是固体氧化物燃料电池的逆过程，能够高温电解水/二氧化碳制氢气/一氧化碳。可逆电池将二者的功能合二为一。本论文主要进行了可逆电池的氧电极的复合改性研究。采用LSM（()δ），LSCF（δ）和SSC（δ））氧电极材料。采用丝网印刷工艺制备的LSM和LSCF氧电极材料用于高温电解池和可逆电池，长期运行后，LSM与电解质YSZ（氧化钇稳定的氧化锆）发生剥离，YSZ与GDC（δ）阻挡层剥离，导致电池性能衰减。浸渍工艺制备纳米LSM-YSZ，LSCF-YSZ和SSC-YSZ氧电极用于可逆电池，提高了氧电极的性能和催化活性。可逆循环测试或长期稳定性测试后，纳米离子发生团聚导致电池性能衰减。对SSC氧电极的研究发现氧电极SSC与YSZ分层，以及长期电解后氢电极Ni的团聚也是导致电池性能衰减的主要原因之一。最后，将纳米LSCF-YSZ氧电极用于H2O/CO2共电解，研究了共电解的影响因素和反应过程。综上，通过本论文研究为开发高活性和高稳定的氧电极材料奠定了基础。【作者】范慧；【导师】韩敏芳；PrabhakarSingh；【作者基本信息】中国矿业大学（北京），应用化学，2014，博士【关键词】固体氧化物燃料电池；电解池；氧电极；稳定性；【参考文献】[1]刘嘉.一个小型搜索引擎的设计与实现[J].河南科技学院学报(自然科学版),2014,06:46-50.[2]石华.制造业股权结构与企业非效率投资的关系研究[D].天津财经大学,会计学,2012,硕士.[3]朱贝贝.基于遗传算法的网格任务调度研究[D].山东大学,计算机软件与理论,2012,硕士.[4]万宇.2000—2013年我国部分高校硕博学位论文中残疾人体育研究述评[J].体育学刊,2014,04:66-70.[5]陈宁静.ACh诱导的脐带血管收缩效应及其机制研究[D].苏州大学,胚胎生理与围产基础医学,2014,硕士.[6]布伦.复方鳖甲软肝方对自发性高血压大鼠左室重构影响的实验研究[D].第四军医大学,内科学,2004,硕士.[7]封磊.20世纪三四十年代边政研究的学术转型[D].兰州大学,中国近现代史,2013,硕士.[8]贺浩.虚拟财产的刑法保护[D].山东大学,法律（专业学位）,2013,硕士.[9]万德贵.分立半导体元器件焊点缺陷的研究[D].电子科技大学,集成电路工程（专业学位）,2012,硕士.[10]高雷.预售商品房按揭法律问题研究[D].郑州大学,法律,2013,硕士.[11]侯志军,耿加加,窦亚飞,朱誉雅.中美高校年度报告比较分析及启示[J].现代教育管理,2014,05:119-124.[12]方贻洲.论当代中国威权政治的基础[D].山东大学,政治学理论,2013,硕士.[13]邵永星.基于热释电红外传感器的停车场智能灯控系统设计[D].河北科技大学,计算机应用技术,2013,硕士.[14]于世华.常微分方程法在结构影响线求解中的应用[D].吉林大学,桥梁与隧道工程,2014,硕士.[15]张文芳.医药流通企业信息系统的分析与设计[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.[16]杜国勇.移动Ad Hoc网络分簇算法的研究[D].安徽大学,计算机应用技术,2013,硕士.[17]白光,李文兴.铁路对少数民族地区经济的带动作用——以广西、青藏等铁路为例[J].广西民族研究,2014,01:139-145.[18]苏锦松.USP22和SIRT1蛋白在肾透明细胞癌中的表达及其作用[D].复旦大学,外科学,2013,博士.[19]唐爱莲.On Strategies of Raising Vocabulary Teaching Efficiency[D].安徽大学,英语语言文学,2003,硕士.[20]余雷.脉冲电磁场治疗骨质疏松的初步研究[D].第四军医大学,生物医学工程,2004,硕士.[21]李惠.老年糖尿病患者感染危险因素分析[D].吉林大学,护理学,2013,硕士.[22]黄大伟.电磁搅拌作用下轴承钢凝固组织形态演变的研究[D].东北大学,钢铁冶金,2011,硕士.[23]刘江波.企业新员工职业生涯规划研究[D].山东财经大学,企业管理,2012,硕士.[24]杨璐晟.国有企业核心竞争力培育策略研究[D].吉林大学,企业管理,2004,硕士.[25]单艺,马微,刘晓玲,王象欣,夏行昊,于力涛,魏雪冬,姜毓君.婴幼儿配方乳粉中微量碘测定方法的比较[J].食品工业科技.[26]温广辉.短时接触亲社会电子游戏对小学儿童亲社会行为的影响[D].浙江理工大学,应用心理学,2014,硕士.[27]华天海.基于DEA的水泥企业技术创新能力评价研究[D].安徽工程大学,管理科学与工程,2012,硕士.[28]王莉.论城市夜景照明的景观特性[D].南京艺术学院,2004,硕士.[29]伊朝接.基于新兴信息技术的智慧施工进度管理研究[D].哈尔滨工业大学,管理科学与工程,2014,硕士.[30]刘畅.新事业单位财务规则下医院财务审计研究[D].河北大学,会计学,2014,硕士.[31]赵金才.坐标测量系统零件信息提取与位姿自动识别的研究[D].天津大学,2005.[32]李晓辉.TiO_2/WO_3/石墨烯复合光催化剂的结构和性能研究[D].青岛科技大学,2014.[33]强彩虹.适应滨海新区发展的高职院校专业建设[D].天津大学,工业工程,2013,硕士.[34]曾伟川.β-氨基酸酯的合成研究[D].华侨大学,生物学,2013,硕士.[35]马广栓.当年养成商品草鱼新技术[J].农村.农业.农民.2003(04)[36]李超玲.筒形件强力旋压过程的有限元数值模拟[D].西北工业大学,材料加工工程,2004,硕士.[37]邓松波.基于机器视觉的飞机蒙皮孔几何参数检测技术研究[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2013,硕士.[38]郑开辉.含微电网的配电网自适应保护研究[D].北京交通大学,2012.[39]翟旭升,王海涛,谢寿生,苗卓广,吴勇.基于自适应遗传算法的多项式模型结构与参数的一体化辨识[J].控制与决策,2011,05:761-767.[40]李辉,彭海琳,刘忠范.拓扑绝缘体二维纳米结构与器件[J].物理化学学报,2012,10:2423-2435.[41]刘炳义.论中油集团技术创新战略[D].西南石油学院,2002.[42]韩京清.一类不确定对象的扩张状态观测器[J].控制与决策,1995,01:85-88.[43]张亚中,赵裕辉,鲁新便,刘哲生,叶建伟,宋伯虎.频谱分解技术在塔里木盆地北部TH地区碳酸盐岩缝洞型储层预测中的应用[J].石油地球物理勘探,2006,S1:16-20+24+142-143.[44]田永良.大型工程机械销售活动项目化管理应用研究[D].山东大学,项目管理（专业学位）,2012,硕士.[45]张继允.文艺复兴时期尼德兰绘画风格对我的工笔画创作的影响[D].首都师范大学,美术学,2013,硕士.[46]缪纲.面向视频后处理芯片的FPGA原型流程的研究和实现[D].浙江大学,通讯与信息系统,2004,硕士.[47]邵吉光,冯国臣,付盛.极值与切线的运动学原理[J].高等数学研究,2014,03:4-7.[48]黄捍东,赵迪,任敦占,王玉梅.基于贝叶斯理论的薄层反演方法[J].石油地球物理勘探,2011,06:919-924+1012+832-833.[49]高天珍.小学高年级语文阅读分层教学实验研究[D].华中师范大学,教育管理,2014,硕士.[50]张筱玮.论国际信用评级机构的治理及问责机制[D].安徽大学,国际法学,2013,硕士.