一、SOFC的原理

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种通过电化学反应将碳氢燃料中的化学能直接转化为电能和热能的先进能源技术，具有燃料来源广、发电效率高、余热品质高、运行安静、排放低、可模块化安装等优点。

SOFC系统可分为电堆和外围BOP辅助单元。电堆作为燃料电池核心，将化学能直接转化电能的装置。围绕着电堆的外围辅助单元有空气供给预热单元、燃料供给（重整）单元、尾气回收单元、电管理单元以及控制单元等。

SOFC的工作原理基于电化学过程，通常在650~950℃的高温下运行。SOFC采用固体氧化物陶瓷（通常为氧化锆）作为电解质，该电解质既传递O²⁻离子又起到分隔空气和燃料的作用。

燃料（通常是碳氢化合物重整的氢气）通过阳极扩散到电解质界面，同时空气通过阴极表面吸附氧并由阴极本身的催化作用转化为O²⁻离子，进入电解质后扩散到阳极，与燃料发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极，从而产生电能。

SOFC原理图

二、SOFC的种类

根据单元组件设计形式的不同，SOFC主要分为管式和平板式两种结构。管式设计密封性能良好，具有长期运行稳定的特点；平板式设计由于电流路径短，具有高的功率密度。

1. 管式结构

管式结构SOFC是最早且较为成熟的形式。其发电单元由一端封闭、一端开口的管子构成，从内到外依次为多孔支撑管、阳极、电解质和阴极薄膜。

该结构设计燃料从管芯输入，空气通过管子外壁供给。其电池堆单体自由度大，不易开裂；采用多孔陶瓷作为支撑体，结构坚固；具有良好的密封性能和长期运行稳定性。

其电池组装也相对简单，容易通过电池单元之间并联和串联组合成大功率的电池组，但电极之间的间距大，电流通过电池的路径较长，内阻损失大，因此相应的功率密度较低。

管式SOFC发电单元和系统集成图
图源：钜大锂电，固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化的发展分析

2. 平板式结构

平板式结构SOFC的几何形状简单，制造成本较低，由阳极、电解质、阴极薄膜组成单体电池，两侧带槽的连接体连接相邻的阴极和阳极，并在两侧提供气体通道，以同时隔开两种气体。

其电池组件要求边缘耐高温密封，以隔绝氧气和燃料气，且对双极连接板材料要求较高，需要与电极材料热匹配、具有良好的抗高温氧化性能和导电性能。

平板式SOFC发电单元和系统集成图
图源：钜大锂电，固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化的发展分析

三、 SOFC的特点

1. 高效性

SOFC通过电化学方式转换燃料化学能，避免了传统燃烧做功的能量损失，发电效率高达50%~60%，且不受规模限制，小规模分布式发电也能保持高效率。

2. 燃料来源丰富

由于SOFC工作温度高，可使用多种燃料，包括天然气、生物沼气、乙醇、甲醇等，燃料来源灵活多样。

3. 运行安静

SOFC发电过程中除了BOP辅助系统外，无大功率转动设备，运行安静，适合安装在生活、工作区域。

4. 固态电解质电堆

使用固体氧化物作为电解质，无需贵金属催化剂，运行寿命长，系统结构简单，规模化生产成本低。

5. 低排放

电化学反应过程中几乎无污染物排放，且由于发电效率高，相同发电量所需燃料更少，从而减少了CO₂的排放。

6. 模块化结构

SOFC采用模块化设计，安装灵活，占地面积小，建设周期短，便于推广和应用。

来源：《基于固体氧化物燃料电池的高效清洁发电系统》曹静等中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司

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