发电机组干式负载智能测试系统技术应用

自从第一次工业革命以来，能源已成为人类文明发展的基础和支柱。随着化石燃料耗量日益增加和储量日益减少，能源和环境压力越来越大，开发出一种新型、高利用率、无污染的能源成为一种迫切的需求。

燃料电池是一种把化学能直接转换成电能的化学装置，其能量转换率高、污染小，是21 世纪新型洁净发电方式之一，被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。在所有燃料电池中，高温运行的固体氧化物燃料电池以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点，发展最快，应用广泛。本文介绍了固体氧化物燃料电池的阳极、阴极、电解质等核心部件，介绍了固体氧化物燃料电池存在的问题，并对未来发展前景进行了展望。

1 固体氧化物燃料电池电解质材料

在固体氧化物燃料电池系统中，电解质是一种核心部件，电解质的主要功能在于传导氧离子。固体氧化物燃料电池在1 000 ℃高温运行带来一系列问题，包括电极烧结、界面反应、热膨胀系数不匹配等，目前迫切希望在不降低固体氧化物燃料电池性能的情况下降低操作温度。目前，固体氧化物燃料电池的固体氧电解质材料主要有萤石结构和钙钛矿结构两种类型，萤石结构的氧化物中以氧化锆(ZrO2)基固体电解质、氧化铈(CeO2)基电解质材料、氧化铋(Bi2O3)基电解质材料为主。

1.1 氧化锆系列电解质

氧化锆系列电解质是研究最早、最成熟并且现在应用最多的固体氧化物燃料电池电解质。为了保持电中性，晶体中必须形成相应的带正电荷的氧空位，O2－通过氧空位在电解质中输运。其它增加氧化锆的氧离子导电性离子的掺杂剂有Nd3+、Sm3+、Y3+、Yb3+、Sc3+ 等。掺杂离子半径与Zr3+ 接近，导电性更好。在上述几种离子中，以Sc3+ 掺杂效果最好，但Sc2O3掺杂氧化锆时，电解质电导率随着使用时间的延长逐渐降低。

1.2 氧化铈系列电解质

电解质材料在电池高温运行时会发生界面反应，热膨胀系数不匹配，电极烧结等一系列问题。ZrO2电解质的运行温度过高，同时对于材料的要求也相当严格，最有前景的办法就是寻求新的中温时具有高离子电导率的电解质材料，即采用氧化铈系列电解质。

1.3 氧化铋系列电解质

纯Bi2O3具有两种固态相结构，730 ℃以下稳定存在为单斜α 相，730 ℃以上为立方δ 相。δ 相在接近熔点825 ℃时电导率可达1.0 S/cm，比氧化铈系列电解质还高一个数量级。

现在主要以Bi2O3－MO (M 为Ca2+、Sr2+、Ba2+ 等)和Bi2O3－Y2O3掺杂氧化铋基电解质。但氧化铋系列电解质有一个致命缺点即在低氧分压下分解为金属铋，因而限制了它的应用。目前对氧化铋电解质材料的研究还不够深入，为了充分发挥该材料高离子电导率的特性，还有必要进行大量的工作。由于固体电解质的比电阻较高，为提高电池的输出功率，需采用昂贵的成膜设备，成本高，单电池造价高，寻求新材料降低工作温度以降低成本是当务之急。

2 阴极材料

阴极又被称为空气极，反应所需氧气来源于空气。氧气在阴极被还原成两个氧负离子，即：O2＋4 e－→2 O2－。固体氧化物燃料电池阴极材料在高温氧气环境工作，起传递电子和扩散氧作用，应是多孔洞的电子导电性薄膜，选择阴极材料时还应保证所选择的阴极材料具有足够的还原能力。固体氧化物电池工作温度较高，起初可用作阴极材料的一般有Pt、Ag 等贵金属，20 世纪70 年代以后由新开发出来的钙钛矿型氧化物所取代， 其中LaCoO3、LaFeO3、LaMnO3、LaCrO3掺入碱土金属氧化物后，显示出极高的电子电导率。由于固体氧化物燃料电池长期在高温中运行，LaCoO3、LaFeO3容易与YSZ 发生反应，在界面上生成电导率很小的LaZr2O7，这会使固体氧化物燃料电池衰减。当用Ca2+、Sr2+、Cr3+ 等低价阳离子代替La3+ 时，形成更多氧离子空位，从而提高了LaMn-O3的电导率，同时，高掺杂量的LaMnO3在氧化气氛下结构更加稳定。目前，应用最多的掺杂物是Sr，当Sr 掺杂量在0.3 左右时，界面反应还会生成电导率更低的SrZrO3，因此目前首选LaMnO3作为阴极材料。LSM 的电导率随着温度的降低而降低，镧锰化合物作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料还有待研究。另外掺杂的YMnO3等材料也被认为可用作固体氧化物燃料电池的阴极材料。降低燃料电池成本的关键之一是研究低温下性能优良的阴极材料，Fe 基、Ni 基材料的热膨胀系数较低，有可能作为中低温固体氧化物燃料电池用阴极材料。阴极材料还存在着许多急需克服的技术难关，包括材料成本、材料的稳定性及其耐用性等方面。

3 阳极材料

阳极又被称为燃料极，从阴极扩散过来的氧负离子在电解质与阳极的界面处发生化学反应：2 H2﹢2 O2－→2 H2O+4 e－。电极材料本身首先是一种催化剂，固体氧化物燃料电池阳极主要功能为：燃料的电化学催化氧化；使燃料氧化释放出的电子转移到外电路；导入和排出气体19。固体氧化物燃料电池的主要反应发生在阳极和阳极与电解质界面处，所以阳极性能的好坏直接决定电池的性能。曾采用焦碳作阳极，而后又开始使用金属阳极材料，但在操作温度为1 000 ℃的YSZ基的固体氧化物燃料电池中，比较合适的金属仅限于Ni、Co和贵金属。阳极材料要注意Ni 烧结以及燃料中的硫使阳极催化剂中毒等问题。

4 连接材料

在实际燃料电池发电系统中，单电池的输出电压不大于1 V，因此为获得高电压，必须将许多单电池互相连结在一起。常用材料是铬酸镧基(LaCrO3)材料。当La3+ 和Cr3+ 位被低价的离子(Ca、Mg、Sr、Co、Mg、Zn、Cu、Ni、Fe 等)所取代时，材料的电导率将迅速增大。有些替代还可以改善铬酸镧的烧结性能，从而获得较为致密的连接材料。

5 固体氧化物燃料电池展望

固体氧化物燃料电池还存在一些问题，如电极材料、成本高、操作温度过高等问题，但是，加快固体氧化物燃料电池发展必然是世界发展的总趋势。一般固体氧化物燃料电池使用YSZ 电解质，受电导率的限制使其工作温度在1 000 ℃左右。高温操作给材料的选择和制造技术带来了一系列问题。因此降低固体氧化物燃料电池的工作温度对解决上述一系列问题具有重要意义。根据国际研究发展趋势，未来固体氧化物燃料电池的研究重点方向应是中低温平板式固体氧化物燃料电池，解决了减小工作温度下固体电解质材料的电阻，也就解决了研制中低温固体氧化物燃料电池的关键问题，制备薄的致密的YSZ 膜和探索开发新型中低温固体电解质是两种比较好的方法，目前国内外都在进行这两方面的工作，但离实用化还有一段距离。加速中低温平板型固体氧化物燃料电池的发展，目前发现有希望的中温电解质材料是SC 和Yb 掺杂的ZrO2，Gd 掺杂的BaCeO3以及若干钙钛矿氧化物材料。

6 结语

固体氧化物燃料电池是一种高效、节能、清洁、安静和可靠的电化学发电装置，在电力市场、交通运输和军事等领域有着广泛的应用前景。这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足人类对电力数量和质量的需求、保护人类的生存环境以及保障国家安全都具有重大意义。我国固体氧化物燃料电池技术的研究与开发正在逐步兴起，目前，固体氧化物燃料电池技术还不能满足商业化的要求，在材料、设计、制备和集成等各领域都有待于深入的探索。随着世界能源和环境形势日趋严峻，未来固体氧化物燃料电池必将逐渐成为人们开发和利用能源的新焦点。固体氧化物燃料电池作为具有广阔应用前景的未来动力，必将成为支撑全球经济的主要技术。