05 平板型(Planar)SOFC和管型(Tubular)SOFC的构造和特征

平板型SOFC中，阳极、电解质、阴极堆叠以构成单电池，单电池间通过连接器连接形成多层堆叠，从而实现高功率。必须使用玻璃密封以防止系统内的气体泄漏。通常采用分别堆叠单电池和连接器并玻璃密封的方式，但也可以一次烧结多个单电池来制造电池堆。平板型SOFC的连接器通常采用金属材料（比陶瓷的电阻低且强度高），但是也存在陶瓷制的连接器。此外，计算上单个单电池构成的SOFC与200个单电池构成的SOFC的电池总有效面积上是相同的，而当气体流量和每个单电池上的电压相同时，理论上其输出功率也应相同。＜计算基础＞输出功率：10kW (10000W) 　典型电池电压：0.7V/cell　典型电流密度：1A/cm² ＜一个单电池的情况下＞ I = W/V = 10000[W]/0.7[V] = 14300 [A] Area = I/Current Density = 14300[A]/1[A/cm²] = (120 cm)² ＜200个单电池的情况＞ I = W/V = 10000[W]/(0.7[V]×200[cell]) = 71[A] Area = I/Current Density = 71 [A]/1[A/cm²] = (8.4cm)² 图10.png

※单电池堆叠后，电流（I）保持不变，但电压（V）增加。可以简单理解成干电池的串联。图11.png

管型SOFC中，单电池一般由一端封闭一端开口的管子构成。空气从管芯（阴极）输入，燃气从管子外壁（阳极）供给（也存在相反情况：燃气从管芯输入，空气从管子外壁供给）。根据系统的不同，长度从75cm到1.6 m不等。作为一般的制造方法，先“挤压出”最内层，然后通过浆料涂布或APS（等离子喷涂）形成其他层。绝大多数情况下所有零部件包括连接器都采用陶瓷材料制成。图12.png

另外还有一种称为“扁平管”的类型，其为类似于被压扁的圆管形。这种类型通过增加与气体接触的表面的比例和连接器的面积，可以提高效率。管型SOFC的种类，甚至还有三角形管（西门子公司的最新型）。扁平管型基本是圆管型SOFC的改良版本，因此在制造方法和材料选择上大多与圆管型SOFC相似。尽管目前西门子公司的扁平管都是陶瓷制的，但是随着形状和制造方法的发展，今后也有可能会使用金属。平板型SOFC、管型SOFC的优缺点总结如下。 ■平板型SOFC的优缺点 ・功率密度高。・制造成本低于管型。・与气体接触的表面大，能通过大量电流。・需要密封。・高温下强度不稳定 ■管型SOFC的优缺点 ・气流呈线性且稳定。・管状结构，强度高（即使在高温下）。・无需密封（无缝）。・制造成本高于平板型。・功率密度低。・连接器与气体接触的表面面积小，与扁平型相比损失更大

06 SOFC的燃料

固定型（stationary）可考虑都市燃气。日本的城市燃气规格一般为13A，其成分为70～80wt%的甲烷甲烷（CH₄），小于10wt%的乙烷（C₂H₆），10～20wt%的丙烷（C₃H₈），小于10wt%的丁烷（C₄H₁₀）的混合。例如，甲烷的重整反应如下（重整需要水）。 CH₄+H₂O →CO+3H₂（SMR = Steam Methane Reforming) CO+H₂O →CO₂+H₂(WGR = Water-Gas Shift Reaction) 该反应在高温下效率更高。在低温下，则存在积碳的问题。（参见下面的反应式） 2CO→CO₂+C(Carbon Precipitation) 另外，因为城市燃气的上述主要成分为无色、无臭的气体，为了在燃气泄漏时可以被人察觉，其中加入了含有硫（S）原子的气体分子，会发出特有的气味。因此，阳极一侧的Ni会与S反应造成电压降低，这种现象被称为“硫中毒（Sulfur Poisoning）”。可通过提高操作温度，或使用掺杂氧化钪（Sc₂O₃）的氧化锆作为电解质以减轻这一现象。另外，可以另外安装脱硫装置，但是此处使用能量会降低系统效率。可以通过重整器（利用SOFC的废热）或在SOFC电池内直接进行重整，但不管使用哪种方法，重整都更适合在高温环境下进行。除城市燃气外，煤气、汽油（主要用于APU）、轻油（APU和军用）和航空燃油（用于飞机）等也可用作SOFC的燃料，在SOFC特有的高温环境中都很容易对这些燃料进行重整。

07 SOFC相关图表

（文中图片皆来自于kunisan.jp）

08 SOFC的问题和解决方法

・电池系统无法达到运行40,000小时（约4.5年）的目标。（西门子的100kW系统运行12000小时后性能开始下降，不知能否在3年后达到40,000小时。）・阴极（空气极）上Cr中毒引起的电压下降。（为金属连接器镀膜是有效的方法，或采用陶瓷连接器。）・阳极（燃料极）上S中毒引起的电压下降。（提高工作温度，安装脱硫装置等。）・尚未实现在阳极处直接进行甲烷重整。（需要开发一种能分解C-H键的催化剂，可以使用Pd-Ni双金属。）・连接器成分（Fe、Cr等）会进入阳极，而阳极材料（Ni）会进入连接器，导致阳极失去催化作用，且未促进化学反应。（可以在连接器上涂覆NiO。）参考日本报道原文：https://kunisan.jp/gomi/sofc.html

SOFC（固体氧化物燃料电池）的基础知识（2）

日本特殊陶业与三菱日立电力系统成立合资公司制造销售燃料电池电堆