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）