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)結構和對多種燃料氣體的廣泛適應性等，是其廣泛應用的基礎。

固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質（electrolyte）、陽極或燃料極（anode，fuel electrode）、陰極或空氣極（cathode，air electrode）和連接體（interconnect）或雙極板（bipolar separator）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反應的催化劑。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。

在固體氧化物燃料電池的陽極一側持續(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構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續(xù)通人氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學勢的作用下，O2-進入起電解質作用的固體氧離子導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應，失去的電子通過外電路回到陰極。

單體電池只能產生1V左右電壓，功率有限，為了使得SOFC具有實際應用可能，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組的結構主要為：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。

固體氧化物燃料電池工作原理

原理

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、可維護性高等優(yōu)點已經漸漸成為世界能源供應的重要組成部分。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，也可以用來生產蒸汽，更可以和燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán)，非常適用于分布式發(fā)電。燃料電池和燃氣輪機、蒸汽輪機等組成的聯(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。

常壓運行的小型SOFC發(fā)電效率能達到45%-50%。高壓SOFC與燃氣輪機結合，發(fā)電效率能達到70%。國外的公司及研究機構相繼開展了SOFC電站的設計及試驗，100kW管式SOFC電站己經在荷蘭運行。Westinghouse公司不但試驗了多個kW級SOFC，而且正在研究MW級SOFC與燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)。日本的三菱重工及德國的Siemens公司都進行了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、常壓運行的發(fā)電系統(tǒng)?？諝饨涍^壓縮器壓縮，克服系統(tǒng)阻力后進入預熱器預熱，然后通入電池的陰極。天然氣經過壓縮機壓縮后，克服系統(tǒng)阻力進入混合器，與蒸汽發(fā)生器中產生的過熱蒸汽混合，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發(fā)生電化學反應，電池發(fā)出電能的同時，電化學反應產生的熱量將未反應完全的陰陽極氣體加熱。陽極未反應完全的氣體和陰極剩余氧化劑通入燃燒器進行燃燒，燃燒產生的高溫氣體除了用來預熱燃料和空氣之外，也提供蒸汽發(fā)生器所需的熱量。經過蒸汽發(fā)生器后的燃燒產物，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一步加以利用。

固體氧化物燃料電池（SOFC）的工作原理

在固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）中，電解質采用固體氧化物氧離子（O2-）導體（如最常用的 Y2O3 穩(wěn)定的氧化鋯簡稱 YSZ），起傳遞 O2-及分離空氣和燃料的雙重作用。其工作原理如圖1-1所示：能量轉換是通過電極上的電化學過程來進行的，陰陽極反應分別為：

其中燃料氣體可以是H2，也可以是燃料氣體，而O2來源于空氣。式中，下標c、a 和 e 分別表示在陰極、陽極和電解質中的狀態(tài)。

當一個外部載荷加到電池上時，氧氣在多孔的陰極還原成氧離子，然后通過固體電解質傳輸?shù)疥枠O， 與燃料 （如 H2，CO） 反應 生 成 H2O 或CO2。在一定條件下CH4也可以在陽極直接氧化為H2O和CO2。電池的開路電壓 U0可以由下式計算得出， 即

式中：ΔG ——電化學反應的自由能變化；

ΡO(jiān)2（c）——陰極的氧氣分壓；

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，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能高效、環(huán)境友好地轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池（PEMFC）一樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。它除了具有一般的燃料電池的高效率，低污染的優(yōu)點外，SOFC還具有以下特點：

⑴ SOFC的工作溫度可達1000攝氏度，是目前所有燃料電池工作溫度最高的經由熱回收技術進行熱電合并發(fā)電，可以獲得超過80%的熱電合并效率。

⑵SOFC的電解質是固體，因此沒有電解質蒸發(fā)與泄露的問題。而且電極也沒有腐蝕的問題，運轉壽命長。此外，由于構成材料的池體材料全部是固體，電池外形具有靈活性。

⑶SOFC在高溫下進行化學反應，因此，無需使用貴重金屬作為觸媒，且本身具有內重整能力，可直接使用氫氣、烴類（甲烷）、甲醇等作燃料，簡化了電池系統(tǒng)。

⑷ SOFC能提供高質余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產，燃料利用率高，能量利用率高達80％左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)。

⑸SOFC具有較高的電流密度和功率密度。

⑹SOFC的系統(tǒng)設計簡單，發(fā)電容量大，用途較為廣泛。

固體氧化物燃料電池具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質氣等多種碳氫燃料。SOFC的應用范圍相當廣泛，幾乎涵蓋了所有的傳統(tǒng)的電力市場，包括宅用、商業(yè)用、工業(yè)用以及公共事業(yè)用發(fā)電廠等，甚至便攜式電源、移動電源、偏遠地區(qū)用電及高品質電源等，還可作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源。其中以靜置型的商業(yè)用電源、工業(yè)用熱電合并系統(tǒng)及小型電源市場較為看好。