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什么是固体氧化物燃料电池 (SOFC)？
燃料电池是一种电化学装置，可将燃料中的化学能直接转化为电能，有望实现高效、低环境影响的发电。燃料电池与电解槽有很大的相似之处。固体氧化物燃料电池 (SOFC) 是一种有前途的清洁高效发电装置。与低温燃料电池不同，SOFC 可以使用各种替代燃料，例如 H2、CO、CH4、CO2 和 H2O。固体氧化物燃料电池 (SOFC) 的电解质是一种固体、无孔的金属氧化物，通常是 Y2O3 稳定的 ZrO2。电池在 600-1000°C 下运行，此时发生氧离子的离子传导。没有液体电解质，因此不存在随之而来的材料腐蚀或电解质管理问题。固体电解质还可以精确设计三相边界，避免电解质在电极中移动或泛滥。高工作温度允许将大部分余热用于热电联产或底部循环。
为什么它对氢能和燃料电池行业如此重要？
氢气可从多种国内资源中生产，温室气体排放几乎为零。燃料电池用途广泛，可为为大型公用事业发电站到笔记本电脑等小型设备的各种应用提供动力。氢燃料电池效率高、可靠，可最大限度地减少能源浪费。氢原子仅由一个质子和一个电子组成，原子核中没有中子。要发电，必须将质子和电子分离，而燃料电池可以完成这一过程。作为脱碳燃料，氢气不会产生二氧化碳或其他有害污染物。当使用氢气作为燃料时，唯一的副产品是电、水和热。
在氢能和燃料电池行业，固体氧化物燃料电池 (SOFC) 至关重要。因为它们可以直接高效地从氢气中发电，而产生的副产品只有水蒸气。这使它们成为清洁、可持续发电的关键技术，排放量极低，尤其是与可再生氢源结合使用时。它们能够使用天然气等各种燃料，随着基础设施的发展，有可能完全转换为氢气，使它们成为向脱碳能源系统过渡的重要组成部分。它有望在固定能源和运输能源领域实现增长。此外，它们的高工作温度允许同时进行热电联产，并且还可以实现传统燃烧技术的两到三倍的效率，从而进一步提高整体能源效率。
固体氧化物燃料电池（SOFC）的主要特点是什么？
- 能量转换效率高
- 长期稳定性
- 燃料灵活性
- 低排放
- 环境安全
- 利用蒸汽生产高纯度氢气
- 成本相对较低
- 回收废热的可能性
买家应该寻找什么规格？
- 工作温度：通常在 600-800°C 之间。较低的温度可减少材料应力并延长使用寿命。
- 功率输出：范围从住宅用途的几千瓦（kW）到工业用途的兆瓦（MW）。
- 效率率：寻找更高的效率，特别是在 CHP 应用中。
- 模块化：可以根据需要在整体系统中添加更多燃料电池。
- 燃料兼容性：确保 SOFC 与预期燃料类型兼容。
- 耐用性和寿命：检查预期运行时间和维护间隔，使用寿命应为 40,000-80,000 小时。
- 成本考虑：初始成本和运营成本是主要因素，包括总体拥有成本、安装成本、维护成本和燃料成本。
- 认证：CE
固体氧化物燃料电池如何工作？
- 燃料引入：该过程从将燃料（如氢气、天然气或合成气）引入燃料电池的阳极侧开始。阳极是燃料与氧离子发生反应产生电能的地方。
- 氧离子传导：在电池的阴极侧，空气中的氧气被还原（获得电子）并变成氧离子 (O²⁻)。然后这些氧离子通过固体氧化物电解质向阳极迁移。SOFC 中的电解质通常由氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) 等陶瓷材料制成，这种材料允许这些氧离子移动，同时阻止电子通过。
- 阳极的电化学反应：在阳极，燃料与穿过电解质的氧离子发生反应。对于氢作为燃料，反应可总结如下：
H2+O2−→H2O+2e−
该反应会产生副产品水、释放电子并产生热量。
对于碳氢化合物燃料（如天然气），反应更为复杂，并产生二氧化碳和水作为副产品：
CH4+4O2−→CO2+2H2O+8e−
- 电子流动和发电：阳极产生的电子无法穿过电解质，而是被迫通过外部电路，从而产生电流。电子通过外部电路的流动产生了可用的电能。
- 废气和热量：电化学反应的副产品，如水蒸气（来自氢燃料）或水蒸气和二氧化碳（来自碳氢化合物燃料），以废气的形式从阳极侧排出。此外，SOFC 的高工作温度会产生大量热量，这些热量可用于热电联产应用，从而提高整体系统效率。
- 系统集成和电堆配置：为了产生实际的功率，多个 SOFC 串联或并联连接以形成电堆。电堆中的每个电池都会影响总电压或电流（具体取决于配置），从而使系统能够根据不同的功率需求进行扩展。
- 热管理和系统效率： SOFC 系统通常采用热管理策略来利用运行过程中产生的热量。这些热量可用于热电联产 (CHP) 系统，为建筑物或工业过程提供供暖，从而显著提高能源转换过程的整体效率。
其运行涉及哪些核心部件？
单个 SOFC 电池的主要组件包括电解质、阴极和阳极。燃料电池组包含电气互连，可将单个电池串联或并联连接在一起。
- 电解质：电解质是一层致密的陶瓷层，可传导氧离子。其电子电导率必须尽可能低，以防止漏电流造成的损失。常用的电解质材料包括氧化钇稳定氧化锆 (YSZ)、氧化钪稳定氧化锆 (ScSZ) 和钆掺杂二氧化铈 (GDC)。电解质材料对电池性能有至关重要的影响。
- 阳极： SOFC 的阳极材料是镍和 YSZ 颗粒的复合材料，可以提供稳定且高活性的阳极。陶瓷阳极层必须非常多孔，以允许燃料流向电解质。阳极通常是每个单个电池中最厚和最坚固的层，因为它具有最小的极化损耗，并且通常是提供机械支撑的层。阳极的作用是利用通过电解质扩散的氧离子来氧化氢燃料。氧离子和氢之间的氧化反应产生热量以及水和电。
- 阴极：阴极或空气电极是电解质上发生氧还原的薄多孔层。阴极材料必须至少具有电子导电性。目前，镧锶锰氧化物 (LSM) 是商业用途的首选阴极材料，因为它与掺杂的氧化锆电解质兼容。不幸的是，LSM 是一种不良的离子导体，因此电化学活性反应仅限于三相边界 (TPB)。为了增加 TPB 以外的反应区，潜在的阴极材料必须能够传导电子和氧离子。由 LSM YSZ 组成的复合阴极已用于增加该三相边界长度。钙钛矿用于 IT-SOFC，因为它们更活跃，可以弥补反应活化能的增加。
- 互连件：互连件可以是位于每个电池之间的金属层或陶瓷层。其目的是将每个电池串联起来，以便将每个电池产生的电能组合起来。由于互连件在高温下暴露于电池的氧化侧和还原侧，因此必须非常稳定。出于这个原因，陶瓷作为互连材料长期以来比金属更成功，陶瓷在高温下表现出热稳定性和优异的电导率。
固体氧化物燃料电池有哪些不同类型？
将电池堆叠在一起以增加电压和功率的主要配置是
- 管状：由管状支撑管组成，支撑管覆盖有阴极、电解质、阳极和互连件。
- 无密封管：氧化剂通过支撑管的中心引入，而燃料在支撑管的外部流动。
- 分段式电池：类似于无密封管状设计，其中燃料通过支撑管的中心引入，而氧化剂在支撑管的外部流动。
- 平板或平面：此设计采用由阳极、电解质和阴极组成的扁平多层陶瓷板。该扁平多层陶瓷板覆盖有互连板，互连板具有用于燃料和氧化剂的小气体流动通道。
- 单片式：这种 SOFC 设计类似于壳管式热交换器设计，因为它利用薄电池组件（包括阳极、电解质、阴极和互连）形成紧凑的波纹结构。它有两种不同的配置：气体共流和气体横流
每种类型的优点和缺点是什么？
管状SOFC：
- 优点：消除了气密密封问题。
- 缺点：电池内阻和气体扩散限制。
平面SOFC：
- 优点：性能水平比管状SOFC更高，制造更容易且成本低
- 缺点：密封不稳定、热循环稳定性差、生产成本相对较高。
单片：
- 优点：设计紧凑的电池，自支撑波纹结构，以及薄电池组件。
- 缺点：热膨胀系数的任何差异都可能导致电池破裂。
固体氧化物燃料电池在氢能和燃料电池工业中有哪些典型应用？
- 采用 SOFC 的热电联产：固体氧化物燃料电池通常在 750-1000ᵒC 的高温下运行，除了电力之外，还会产生高温热量作为副产品。SOFC 产生的有用热量通常用于需要能量的装置，即预热器和重整器，以预热冷却流或产生蒸汽和热水。
- 采用 SOFC 的三联产：三联产，即冷热电联产 (CCHP)，目前是一种有前途的高效清洁能源生产技术。它以最佳方式利用燃料的化学能，从废气中产生电能和热能。同时，还可以通过吸收或干燥剂冷却产生冷却，从而减少传统空调机组的用电量。
- 燃气轮机 (GT) 与 SOFC 联合发电系统：集成燃料电池-GT 混合系统具有更高的能量转换效率、低环境污染，并可能使用可再生能源作为燃料。燃气轮机与 SOFC 连接有两种不同的方式，即间接或直接集成。
- 发电系统： SOFC 技术已发展为广泛的发电应用。已考虑的 SOFC 系统范围从便携式设备（例如 500 W 电池充电器）、小型电力系统（例如 5 kW 住宅电力或汽车辅助电力装置）到分布式发电厂（例如 100-500kW 系统）。SOFC 还可以与燃气轮机集成，形成大型（几百 kW 到几兆瓦）加压混合系统。
如何测量固体氧化物燃料电池的性能？
- 电气效率：电气输出与燃料能量输入的比率。
- 热效率：在热电联产应用中，包括有用热量输出的效率。
- 衰减率：SOFC 性能随时间衰减的速率，通常以每 1000 小时毫伏为单位。
- 忽略操作条件：高操作温度可以提高效率，但也需要仔细考虑材料选择和系统设计以防止性能下降。
- 未能评估耐用性：寿命和退化率应该是评估过程中关注的参数。
- 在安全标准上妥协：是一个严重的错误，不这样做可能会导致法律问题和操作过程中潜在的危险情况。
哪些因素影响效率和可靠性？
- 材料选择：阳极、阴极、电解质和互连器所用的材料对 SOFC 的效率和可靠性有显著影响。
- 操作条件：它能在高温下有效运行，通常在 600°C 至 1000°C 之间，这可增强离子电导率，但也会导致机械不稳定性和热循环问题。
- 热循环：热循环的影响与运行期间的加热和冷却阶段有关，会导致 SOFC 组件产生巨大的机械应力和性能退化。
- 燃料质量：供应给 SOFC 的燃料质量会显著影响其效率和可靠性。含硫化合物等杂质会毒害催化剂，导致运行效率降低，质量较差的燃料会导致更高的运行成本和更大的维护挑战。
- 设计配置：各种堆栈设计，包括平面和管状配置，具有影响整体性能的独特优势和挑战。
- 机械性能：SOFC 组件的机械性能（包括其抗热冲击性和承受运行应力的能力）对于保持可靠性至关重要
固体氧化物燃料电池应满足哪些安全标准和认证？
- ISO 9001：质量管理标准。
- ISO 14001：环境管理标准。
- IEC 62282：燃料电池技术的国际标准。
- ISO 26142：氢气检测仪器。
- UL 认证：组件和系统的安全认证。
- ISO 15649：石油和天然气工业管道。
- ASME B31.12：氢气管道和管线规范。
- NFPA 2：氢技术规范。
- NFPA 853：固定式燃料电池发电系统安装标准
固体氧化物燃料电池的最新趋势和创新是什么？
- 降低工作温度：研究重点是降低工作温度以延长使用寿命并降低成本。
- 燃料灵活性增强：开发能够高效使用更广泛燃料（包括可再生能源）的 SOFC。
- 与可再生能源的融合：将 SOFC 与可再生能源相结合的混合系统创新，以提高效率和可持续性。
- 模块化设计：模块化 SOFC 系统的进步使得其可以更轻松地扩展和集成到不同的应用程序中。
买家在选择固体氧化物燃料电池时应该考虑什么？
- 应用要求：了解您的应用的具体功率和热量需求。
- 燃料可用性：确保 SOFC 与可用的燃料类型兼容。
- 维护需求：考虑 SOFC 整个生命周期内的运营和维护成本。
- 初始成本与长期效率：权衡前期成本与高效率、低排放带来的潜在节省。
- 热量管理：它在高温下运行，因此请确保您有可靠的方法来管理和散热。
- 监控和控制：确保 SOFC 系统包含或支持足够的监控和控制系统，以实现最佳运行和故障排除。
应避免哪些常见错误？
- 忽视燃料质量：使用劣质燃料会导致快速劣化。
- 忽视安全功能：确保所有必要的安全功能和认证都已到位。
- 只关注成本：虽然价格很重要，但也要考虑效率、耐用性和低排放的长期利益。
- 不考虑热管理：SOFC 在高温下运行，管理其产生的热量对于系统效率和寿命至关重要。
- 忽视法规和安全合规性：确保 SOFC 系统符合您所在地区的相关法规和安全标准。
- 低估维护需求：SOFC 可能需要专门的维护。了解维护要求并确保您可以获得必要的专业知识和备件。
- 忽略可扩展性：如果您预计未来能源需求会扩大或变化，请选择可以相应扩展或修改的系统。