固体氧化物燃料电池SOFC.DOC

固體氧化物燃料電池（SOFC） 研究進展和發展動態 陳誦英 王峰雲 鄭淑芬 2003.1-2003.9 文獻調研報告------ SOFC研究進展和發展動態 陳誦英 王峰雲 鄭淑芬 摘 要 毫無疑問，燃料電池是21世紀的新的二次能源裝置，是解決能源利用效率低和環境污染雙重問題的高新技術，保持人類文明持續發展的有效手段。雖然在把燃料電池推向產業化方面，質子膜燃料電池跑在前面，但由於固體氧化物燃料電池（SOFC）具有比其高得多的能量利用效率，世界各國投入了大量人力、物力和財力來研究發展SOFC。固體氧化物燃料電池是所有燃料電池中能量利用效率最高的，可達90%甚至超過100%，發電效率也能高達70%，因此在大量消耗能源的電力系統和交通運輸系統有很大的競爭力，其應用潛力很大。作為固定發電站的發電機用大功率管式設計SOFC和平板式設計SOFC已進入批量生產，家庭辦公樓醫院商店等獨立用戶的數千瓦至數十千瓦電力外加數十千瓦至數佰千瓦熱量的熱電聯供系統（CHP）的平板式設計SOFC和在運輸工具上作為輔助電源用的數千瓦至數十千瓦的輔助電力單元（APU）的板式SOFC也已建立了中試生產線。SOFC裝置能否象手機那樣為市場接受，關鍵是市場的接受程度而這又取決於SOFC的性能價格比。多數市場研究者預言，SOFC裝置能象手機那樣在數年內為市場所接受，而且市場對SOFC裝置需求的容量非常大。要把這些產品成功推向市場的關鍵是SOFC的製造成本，降低製造成本可從兩方面著手，一是使用低價格原材料和降低SOFC的燒製成本，二是使SOFC產品能大批量生產。不少公司正在從這兩個方向努力。本調研報告把重點放在與固體氧化物燃料電池相關材料特別是電解質材料和電極材料的研究發展和SOFC的燒制技術發展這兩方面。 在已研究發展的六類固體氧化物燃料電池電解質中，釔穩定氧化鋯（YSZ）、稀土金屬摻雜氧化鈰（RDC）、堿土摻雜鎵酸鑭（LSG）、摻雜氧化鉍、質子傳導SOFC電解質等五類是真正的電解質材料，另一類是材料設計就是把前五類電解質材料薄膜有選擇地組合起來形成多層薄膜電解質。 在五類電解質材料中，發現最早研究得最多和最成功、也是綜合性能最好和唯一在商品化產品中使用的是YSZ。它具有作為SOFC電解質的幾乎所有所需要的特性如在高溫下有高的氧化子電導率但沒有電子電導率、有高化學和物理穩定性、高的機械強度、高熱穩定性、與其他電池組件很低的化學反應性、易加工性和適中的價格等。唯一的不足是它的氧離子電導率不夠高，通常需要在高1273K左右的高溫下操作，這一不足是可以通過降低其膜厚度來克服的。但是即便把YSZ電解質的膜厚度降低到5-10微米，為了達到足夠的電池性能其操作溫度仍須在1023K以上； 由於高溫操作會帶來一些比較嚴重的問題如電池材料和加工成本大幅上升以及長期高溫操作會帶來其他電池組件性能的逐漸下降等，因此希望發展能在中溫下操作的SOFC電解質以降低材料和加工成本，例如使用便宜的金屬材料作為聯結器材料。除YSZ外其他四類電解質材料的氧離子電導率都比YSZ高，有可能使用做中溫SOFC的電解質。對氧化鈰基電解質，研究發現釓摻雜的氧化鈰（CGO9182和CGO8282）有比YSZ高的離子電導率和較好的其他綜合性能。到目前為止，研究發現CGO的唯一問題是在高溫還原氣氛下Ce+4會被還原為Ce+3導致電解質電子電導率的產生使電池性能變壞，因此操作溫度不能超過873K甚至773K。如何抑制四價鈰離子的還原是把鈰基電解質推向實用化的關鍵，還有待進一步研究改進； 對摻雜鎵酸鑭基（如LSGF和LSGC等）電解質，其氧離子電導率比YSZ高一個數量級以上且沒有電子電導率，是極有希望的一種中溫SOFC電解質。研究發現，LSG類電解質材料的唯一問題是他們在高溫還原氣氛下Ga會蒸發導致整個電解質物料化學結構的改變。因此，以摻雜鎵酸鑭類材料作為電解質的SOFC電池，其操作溫度一般不應超過1073K，保證的溫度是不超過973K，為了實用仍需針對鎵蒸發問題作深入的研究； 對氧化鉍基材料，雖然其氧離子電導率是所有已研究過的固體材料中是最高的，但是由於其在還原氣氛下結構極不穩定，只能在有保護層時才能使用即只能作為多層電解質中一層來使用； 對質子傳導的導體，能用作SOFC電解質的是它們中的高溫質子導體（HTPC），而能在673K-973溫度範圍內電導率達到0.1S/cm的只有鈰酸鹽，這一溫度範圍正好是絕大多數催反應的操作範圍。摻雜BaCeO3能在773K-873K溫度範圍內應用，但為保持其質子導電須保持有高至數十大氣壓的水蒸汽壓力。另一類質子導體是鹽-氧化物複合物，它的溫度範圍與HTPC相同而質子電導率相對要低一些，但他們有可能作為電