一种新的生物质气发电装置
——固体氧化物燃料电池
尹艳红，朱威，夏长荣，盂广耀，郭庆祥
(中国科学技术大学材料科学与T程系生物质洁净能源实验室，安徽台肥23()026)
摘要：利用固体氧化物燃料电池将生物质气直接转化为电能是一种新型的生物质气发电技术，这项技术与
传统的发电技术相比具有很多优点。文章阐述了固体氧化物燃料电池的发电原理、特点、研究进展以及发展前景。
关键词：发电；固体氧化物燃料电池；生物质气
中囤分类号：TK6；TM9lI4文献标识码：B文章编号：167l一5292(2004)03—0038一03
AnoVelelectricalgenerationde订ceusingbiomass—producedgas
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(hbomtoryforBiomasscIeanEnergy，Depa咖ent“MateriaIsSciencealldEn画ne“ng，
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Abstr们t：Ene’gyconversion埘t11solid0xidefuelcells(SOFCs)usi“gbiomass—produced
gas鹊fudsisanovelelec试calPowergenerationsysteJ札nerearem粕ymeritscompared
totheconvenⅡonaltechniques．Hereisareviewabouttlleworki“gprinciple，charactelistics，
pmgress卸dfbregmund0fSOFCsusirIgbiog船a8如e1．
Keywords：generatepowe巧solidoxidefuelcells；biogas
1引言
随着世界范围内工业的飞速发展，能源危机
和环境污染问题日益严重。因此，世界各国已经
意识到开发洁净可再生能源的重要性。
生物质能是一种洁净的可再生能源，自古以
来就被人类加以利用。目前，生物质能占世界总
能耗的13％，在一些发展中国家甚至占到了90％
llJ。生物质气来自生物质的气化、裂解或生物厌氧
发酵过程，它是一种包括氢气、甲烷、一氧化碳、
二氧化碳和其它气体的多元混合气体…。目前，生
物质气主要有蹦下2种用途：一是直接燃烧产生
热和水蒸气；二是用在涡轮机或内燃机中发电或
产生其它形式的能量。由于生物质气组成的多样
性，大大地限制了它的应用范围f31，每年有大量的
生物质气被排放到空气中，不仅增加了温室气体
的排放量，同时也浪费了一种洁净的可再生能源。
固体氧化物燃料电池(sOFc)是继磷酸燃料
电池、熔融碳酸盐燃料电池之后，能量转换效率最
高的第三代燃料电池系统，它是一种直接将燃料
气和氧化气中的化学能转换成电能的全固态能量
转换装置。生物质气化发电技术是所有可再生能
源技术中最经济的发电技术，综合发电成本已接
近小型常规能源发电水平”。但是由于生物质及其
衍生气体成分的复杂性，使得燃料电池这一先进
能源转化技术的应用受到了限制。SOFC是唯一可
以直接利用生物质气作为燃料的燃料电池阁。
2SoFC的组成及其发电原理
SOF℃主要由电解质、阴极、阳极等材料构
收稿日期：2004—0l-05
基金项目：国家863计划课题(2001AA323090和TE20000640)
作者简介：尹艳红(1976一)，女，博士研究生，主要从事以生物质气作为燃料的固体氧化物燃料电池的研究。o
万方数据
{
成。其中电解质最主要的功能是传导离子，阴、阳
极主要的功能是传导电子，同时兼做燃料氧化
(阳极)或氧气还原(阴极)的催化剂。如果以碳氢
化合物作为燃料，则对阳极的催化活性就会有更
高的要求。通常电解质要求是致密结构，以阻挡
两极的气体混合并防止电池的内短路，而电极要
求是多孔结构，以便于反应所需的空气或氧气、
燃料气以及反应产生的水等能够及时输运。
电解质(通常是氧离子导体材料，如掺杂的
氧化锆、氧化铈等)起传递O。和分离空气、燃料气
的作用。在阴极(空气电极)上，氧分子得到电子
被还原成氧离子，氧离子在电场作用下，通过电
解质中的氧空位迁移到阳极(燃料电极)上，与燃
料H：，CH。或CO进行反应，放出电子，电子在外
电路迁移形成回路。由于本身的电化学反应以及
电池的内阻，SOFC还会产生一定的热量。图l是
SOFC的工作原理示意图。
厂|||||臻|||||蛾||||||||
]电解质
I{f…
……口极……
空气
燃科
e十
圈1SoFC工作原理
相应的电化学反应如下：
阴极：02+4e_+202-
阳极：H2+O2。qH20+2e
CH4“O2-_+2H20+C02+8e
CO+0。_C0''+2e
3SoFC发电技术的特点
(1)电效率高
SOF℃按电化学原理直接将化学能转化为电
能，不通过热机过程，因此不受卡诺循环的限制。
正常运行时，一次循环的电效率可以超过50％，
而对于sOFc一涡轮复合加压体系，一次循环电效
率可以超过70％。如果实现热电联供，理论上它
的热电转化效率可以达到90％Ⅻ。实际上，由于工
作时电池的各种极化限制，其实际能量转化效率
均在40％一60％的范围内，如果实现热电联供，燃
料的总利用率可高达80％以上。
(2)低排放、低噪声
电池的反应产物是水和二氧化碳，向大气排
放的有害物质如N0，，s0。和粉尘比传统的大电厂
少得多，而且它运行时不需要运动部件，因此非常
安静，几乎没有噪声。
(3)对气体组成要求低
s0Fc对燃料的适用范围广，即使是热值很
低的生物质气同样可以用作固体氧化物燃料电池
的燃料。图2给出了一个小型的管状SOFc在
850℃时，生物质气中甲烷含量与其输出功率的
关系图”。当甲烷含量为45％时，sOFc输出功率
达到最大值。在甲烷含量变化的整个过程中，当其
含量为15％时的功率输出仍有160mw，约是最
大输出功率的70％，而在同样的条件下，普通的
热机早已无法正常工作了。
十兢音量I
图28舶℃时生物质气中甲烷含量与娜输出功率关系
(气体藏速：6mVmin；电池电压：n7VJ
(4)对气体中的痕量不纯物具有相对高的容
忍度
含镍金属陶瓷阳极可允许燃料中存在较高的
硫含量。当燃料中含有的H2s低于0．015‰时，不
会对电池产生永久性的破坏；当H2s含量大于
0．1‰时，对电池的破坏性才比较大。随着操作温
度的升高，硫的允许含量也在增大。
f5)技术相对不太成熟，造价较高
由于这项技术的研究起步较晚，因此电池构
成材料的选择以及电池的制备技术相对单一，而
且价格较高，影响了它的产业化进程。
4SoFC发电技术现状
目前，世界上几乎所有的经济发达国家都在
投巨资研究开发燃料电池发电技术。虽然运行中
的磷酸燃料电池电站已超过百座，但以生物质气
为燃料的SOFc发电技术的研究更多地还集中在
实验室阶段，且研究对象主要为模拟生物质气。
J．stanjf0汕等人…删对生物质气燃料电池做
了较多的研究，分别以氢气、天然气和模拟生物质。
万方数据
气作为燃料时，电池输出功率的差别很大；当采
用天然气和模拟生物质气作燃料时，电池性能下
降很快，这可能是由于阳极上的碳沉积和硫中毒
造成的；使用模拟生物质气时，输出功率大约是
氢气的～半，为了除去积碳，他们在气体中加入
一定量的空气，电池功率增加到接近氢气。在气
体通人电池之前加一个简单的除硫装置，可以使
电池性能有很大改观。
中国科学技术大学生物质洁净能源实验室
燃料电池课题组，对以生物质气为燃料的s0Fc
的性能及理论计算开展了一系列工作。目前以模
拟生物质气作为燃料时，电池在600℃的功率接
近350mw／cm2，电池运行3d，性能基本没有衰
减，见图3，4。
自流☆度“／∞2
闰3以氢气、甲烷和生物质气作燃料时
电池电压、功率与电流密度的关系
560
52o童
j
k
4Io鬟脚
460
时月h
图4以生糊质气作燃料时电池
电压、电流密度与时间的关系
最近，西门子一西屋公司已经完成了以天然气
为燃料，内重整的100kw级管状电池的现场试
验发电系统，试运行了4000h，电池输出功率达
127kW，电池电效率为53％，天然气的组成和生
物质气类似。这一成功范例预示着生物质气燃料
电池的产业化在不久的将来一定可以成为现实。
发展生物质燃料电池的关键内容之一就是发
展一种对碳氢化合物有足够高的催化活性，不积
碳，耐硫，同时又有足够高的电子导电率的新型阳
极材料。S0心虽然可以容忍一定的硫含量，但这
个含量距实际应用还有一定差距。除传统的镍基
阳极外，目前研究较多的还有cu基阳极和混合离
子一电子导体阳极，但后者由于功率密度很低，而
不具备实用价值。Cu基阳极则是一种很有发展潜
力的新型阳极材料。
5SoFC发电技术展望
预计本世纪前10年将是燃料电池在技术和
成本上取得突破，达到商业化应用的至关重要的
时期。通过降低电池的操作温度，选择价廉质优的
材料，改进材料及电池制备工艺，可以大大降低整
个电池堆的造价，最终实现这一技术的大规模产
业化。随着相关研究的进一步深入，以生物质气为
燃料的SOFC发电技术将会出现质的飞跃。
参考文献
r11DOHALL，JfHOUSEBiomass：amodemaⅡd
envimnmen瑚lyacceptablefuel[J】SmarEnergy
Mate—abandsohrCdls．1995．(38)：521—542．
r21ADEMIRBAS．Biomassresourcefacilitiesandbiomass
conversio“processingforfuelsaⅡdchemicals口]．
E眦r野C蚰ve伟i咖aIldMaⅡa群I眦nt，200l，(42)：
1357—1378．
【3】JHuANc，RJCROOKESAssessⅢentofsimulated
hi(’驴sasafuelfortlle8parkignjtionengille[J】F眦l，
1998．(15)：J793—1鲫】．
【4】吴创之．气化发电的工作原理及工艺流程口1坷再生能
源，2003．(1)：4I一43．．
f51ABsT^MB0uu，ETRABERSA．SOFCs：areview
of趼eⅡvironmentallvcleanandeJBcientso山∞eof
energyⅡJRe眦wabIe＆susta缸ableE眦r盯
Revjews，2002，(6)：433-455．
【6】sPSBADWALStabili‘yofsol甜0xidefuelcell
components叨．SolidS佃teIoⅡi∞，2001，(143)：39—46
【7】JsTANIFORTH，RMOmemd．Impllcationsfor
usi“gbiogasasafuelsoI肌efors‘)lidoxidefuel
ceⅡs：intemald叮refomillgjⅡasmaUtubllIarsmid
oxidefuelcellⅡ】Catalysb【撇rs，2(m2，(1)：19—23．
【8】JsTANIFORTH，KKENI)ALLBioga5powed“ga
s珊枷mbujarso】】d0xjdefue】∞Ⅱ阴．P0werS伽r咄，
1998，(71)：275-277．
【9】JsTANIFORTH，KKENDALLcannocklandnll目as
powedngasm—ltLlbular蛐Udo)【idefuelcell一ac踮。
study【JJPo啪rsourc髂，20吣(86)：40l一403
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万方数据
一种新的生物质气发电装置--固体氧化物燃料电池
作者：尹艳红，朱威，夏长荣，孟广耀，郭庆祥
作者单位：中国科学技术大学,材料科学与工程系生物质洁净能源实验室,安徽,合肥,230026
刊名：可再生能源
英文刊名：RENEWABLEENERGY
年，卷(期)：2004(3)
被引用次数：4次
参考文献(9条)
1.JSTANIFORTH;KKENDALLCannocklandfillgaspoweringasmalltubularsolidoxidefuelcell-acase
study[外文期刊]2000(86)
2.JSTANIFORTH;KKENDALLBiogaspoweringasmalltubularsolidoxidefuelcell[外文期刊]1998(71)
3.JSTANIFORTH;RMOrmerodImplicationsforusingbiogasasafuelsourceforsolidoxidefuel
cells:internaldryreforminginasmalltubularsolidoxidefuelcell[外文期刊]2002(01)
4.SPSBadwalStabilityofsolidoxidefuelcellcomponents[外文期刊]2001(143)
5.ABSTAMBOULI;ETRABERSA;SOFCsareviewofanenvironmentallycleanandefficientsourceofenergy
2002(06)
6.吴创之气化发电的工作原理及工艺流程[期刊论文]-可再生能源2003(01)
7.JHuang;RJCROOKESAssessmentofsimulatedbiogasasafuelforthesparkignitionengine[外文期
刊]1998(15)
8.ADEMIRBASBiomassresourcefacilitiesandbiomassconversionprocessingforfuelsandchemicals
[外文期刊]2001(42)
9.DOHall;JIHOUSEBiomass:amodemandenvironmentallyacceptablefuel1995(38)
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4.黄艳琴.阴秀丽.吴创之生物质气化高温燃料电池一体化发电技术研究[期刊论文]-可再生能源2006(6)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ncny200403013.aspx
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