本講將介紹高溫燃料電池，即工作溫度在500~1000℃的燃料電池，主要指工作溫度在900~1000℃的固體氧化物燃料電池(SOFC)和工作溫度在650℃左右的熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。
一 高溫燃料電池原理
MCFC基本原理(圖1) 和其它燃料電池類似。工作溫度在600~700℃之間，以熔融堿金屬碳酸鹽作電解質，氧化鎳為正極，鎳為負極。燃料為氫和一氧化碳，氧化劑為空氣(氧) ，其中含一定量的反應產物二氧化碳以產生導電的碳酸根離子。因工作溫度高，故電催化劑不必用貴金屬。MCFC最大不同之處在於電解質中傳遞的是碳酸根離子。在陽極室生成二氧化碳，而在陰極室消耗二氧化碳，因此在MCFC中，需要二氧化碳的循環係統。MCFC在運行上，分為常壓和加壓兩種，加壓MCFC的工作壓力為0.3~1MPa。
圖1 MCFC原理
SOFC是通過一種離子傳導陶瓷將燃料和氧化劑氣體中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。SOFC用固體氧化物做電解質，目前常用稀土氧化釔穩定氧化鋯做電解質，這種材料在高溫下(900~1000℃)有傳遞氧離子的能力。在SOFC中，固體電解質起傳遞O 和分隔燃料與空氣的雙重作用。SOFC工作時， O 經電解質由陰極流向陽極，電子經外電路由陽極流向陰極如圖2所示。
圖2 氧離子傳導型SOFC的工作原理
二 高溫燃料電池結構
MCFC結構比較單一，由多個平板形單電池疊加起來，組成電堆，結構與質子交換膜燃料電池相似。不過，因MCFC的功率一般都為數百千瓦，所以MCFC單電池的尺寸都很大，其單邊長度已經超過1m。
SOFC是所有燃料電池中結構形式變化最多的，通常分為平板式和圓筒式兩種。平板式SOFC結構如圖3，和PEMFC、MCFC相似。目前德國於利希研究中心已經研製成功10kW平板式SOFC，GE公司正在製造100kW級平板式SOFC。為了在有限的空間加大電極麵積，科學家將平板改進為波紋板(圖4)，其基本結構與平板式無異。
圖3 平板式SOFC結構
圖4 波浪式SOFC結構
管式SOFC的結構如圖5，分別由電極-電解質-電極構成圓筒，圖中是燃料在管外、空氣在管內的情況，也有在管式內部走燃料、管外部走空氣，空氣電極和燃料電極互換的情況。西門子曾經製造200kW管式SOFC，其單管長度達1.5m。由於管式SOFC便於加工安裝，在大功率SOFC方麵更受重視。
圖5 圓筒式SOFC
為了進一步提高SOFC的功率密度，科學家在原有圓管式SOFC的基礎上，采用多管並聯，形成高功率密度的SOFC結構(圖6)。英國Rolls-Royce公司采用這樣的結構建造了200kW的SOFC電站，並計劃用數個這樣的電站聯接起來，成為兆瓦級電站。
圖6 改進型圓筒式SOFC
最近進一步將管式SOFC發展為微管SOFC，單電池直徑可以小到1mm，主要用於便攜式小功率SOFC電堆。筆者2006年在美國底特律參加燃料電池會議時，就曾看到有公司展出50W和20W的微管式SOFC的樣機(圖7)。
圖7 美國底特律氫能會議展出的50W便攜式SOFC
三 高溫燃料電池曆史及應用現狀
1 MCFC
MCFC的曆史可以追溯到1910年，當時泰特鮑姆用純熔融NaOH(380℃)作電解質，用錳酸鹽或釩酸鹽作催化劑，並且第一次使用了多孔MgO隔膜，這就是MCFC的雛形。目前，加壓MCFC方麵，美國FCE(Full Cell Energy，以前稱ERC公司)和日本Melco公司領先；常壓MCFC方麵 ，則是美國MCP公司和日本IHI公司領先。
美國MCFC開發主要由FCE公司進行， FCE公司從20世紀70年代開始研究MCFC，現已實現商業化，從2001年開始進人分布式發電電源市場。其產品為250kW~3MW內部重整型電站。電站模塊目前銷售價格為3500~4000美元/ kW。圖8所示為安裝在日本東京取手站附近麒麟(KIRIN)啤酒廠的200kW MCFC電站，主要用於工廠廢水處理。
圖8 安裝在日本的200 kW MCFC
日本“月光計劃”從1981年開始研究MCFC，1984年研製成功1000W MCFC電堆，1986年為10 kW，1991年為30 kW，1992年為50~1000 kW，1997年為01MW。1987年日本成立MCFC協會。日立、東芝、富士電機、三菱電機、IHI分別對5台10 kW級電組進行發電試驗。
在德國，主要是由公司的子公司MTU進行MCFC的開發研究。從降低費用角度出發，MTU從 FCE公司購入了常壓內重整型250kW MCFC電池組，在此基礎上開放了0.8MPa加壓MCFC。圖9為MTU公司在2001年德國漢諾威國際展覽會上展示的加壓MCFC單元。
荷蘭在中斷MCFC研究15年後，於1986年重新開始MCFC開發。作為荷蘭能源組織(NDNEM)和美國IGT合作項目的一部分，荷蘭能源研究中心逐漸成為歐洲MCFC、SOFC和PEMFC係統的測試中心 。
自20世紀90年代以來，我國多家研究機構開展了MCFC研究工作，上海交通大學和中國科學院大連化學物理研究所都於2001年成功進行了1 kW熔融碳酸鹽燃料電池組的發電試驗。目前，上海交通大學與上海汽輪機有限公司合作，已完成50kW MCFC發電外圍係統的建設，10kW的MCFC電池組已經製作完成。
2 SOFC
SOFC的曆史可以追溯到1900年，著名的物理學家能斯脫(Nenst)報道他曾於1897年發明了能斯脫燈，由一個氧化鋯摻15%氧化釔的高溫離子導體固體的細棒或薄管組成。這一組分直到100多年後的今天，仍然是當代SOFC的基礎材料，現在稱為YSZ。但是能斯脫的發明並沒有得到實際應用，後來他的學生肖特凱發表了用能斯脫固體電解質製成SOFC的理論文章。直到1937年，美國才製成曆史上第一個SOFC。1962年美國西屋公司開始研究SOFC，80年代獲得突破。西屋公司一直得到美國能源部的資助，是全世界管式SOFC技術最好的公司，不過，現在它的SOFC部分已經被德國西門子公司收購。2000年西門子-西屋公司製造的200kW SOFC的電站，就用了1152根長度為1.5m的管式SOFC單電池。美國阿貢國家實驗室則開發板式SOFC。Acunmentrics公司CP-SOFC-100k型SOFC電站，采用高溫管式SOFC技術，提供100kW電力。電站操作溫度大約750℃，可以直接使用丙烷、天然氣和50%的乙醇作燃料，電效率為40~50%，熱和電的總效率可超過75%，排放NO 、SO 小於0.1ppm，僅有少量CO 可以直接放在室外，在-30~50℃溫度下工作；尺寸為3×2.4×1.8米 ，重量85.8噸 。
日本電子綜合研究所1986年製成500W管式SOFC，20年後，2005年在日本愛知世博會上展示的日本製造高溫SOFC，也不過50kW，可見發展高溫SOFC電堆難度很大。
德國海得堡中央研究所20世紀70年代就研究成功管式SOFC，連續運行3400小時。90年代西門子、於利希等研究板式SOFC，現在於利希板式SOFC電堆的功率已經達到10kW。
我國有一些單位在研究發展高溫SOFC，可惜與國際差距太大，目前正在設法攻克kW級高溫SOFC。
高溫固體氧化物燃料電池由於排出氣體溫度高達1000℃，很容易和IGCC等(deng)渦(wo)輪(lun)機(ji)聯(lian)用(yong)而(er)發(fa)揮(hui)高(gao)效(xiao)率(lv)，備(bei)受(shou)熱(re)工(gong)專(zhuan)家(jia)的(de)重(zhong)視(shi)。但(dan)是(shi)，由(you)於(yu)其(qi)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)太(tai)高(gao)，給(gei)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)工(gong)程(cheng)師(shi)帶(dai)來(lai)極(ji)大(da)的(de)困(kun)難(nan)，雖(sui)然(ran)已(yi)在(zai)研(yan)發(fa)上(shang)投(tou)人(ren)巨(ju)資(zi)，但(dan)進(jin)展(zhan)仍(reng)不(bu)能(neng)令(ling)人(ren)滿(man)意(yi)。目(mu)前(qian)人(ren)們(men)開(kai)始(shi)注(zhu)重(zhong)實(shi)際(ji)，朝(chao)降(jiang)低(di)溫(wen)度(du)的(de)方(fang)向(xiang)努(nu)力(li)。
四 燃料電池的前景及挑戰
燃料電池有廣闊的應用領域，根據燃料電池的特點、功率大小，可以大致劃分如下，見表1。
表1 燃料電池應用前景
隨著技術的進步，上麵的預測會有變化，最終的選擇權在市場。
從表1可ke見jian，高gao溫wen燃ran料liao電dian池chi有you廣guang闊kuo的de潛qian在zai的de市shi場chang。高gao溫wen燃ran料liao電dian池chi具ju有you許xu多duo明ming顯xian的de優you點dian，但dan是shi其qi成cheng本ben居ju高gao不bu下xia，運yun行xing不bu方fang便bian也ye是shi必bi須xu要yao克ke服fu的de難nan關guan。目mu前qian售shou價jia高gao達da3500~4000美元/ kW，需要有10倍的降幅才有望市場化。
主要是考慮和天然氣重整工作溫度的藕合，人們將注意力由900~1000℃的高溫SOFC轉向工作溫度700~800℃的中溫SOFC。其實這種中溫SOFC的製造難度仍然相當大。若能使SOFC操作溫度降到600℃以下，稱之為低溫固體氧化物燃料電池(LTSOFC)，則不僅可以選用較廉價的材料、提高電池穩定性、延長電池壽命，更重要的是電池的快速啟動問題也較易解決，從而LTSOFC使用於交通工具也成為可能；此外， LTSOFC和液體醇類燃料的重整溫度也是藕合的。正因為如此， LTSOFC(400~600℃) 成為近年來國際燃料電池研究與開發的熱點課題。
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