Nigel Brandon, Paul Boldrin , Enrique Ruiz-Trejo
Solid Oxide Fuel Cell Lifetime and Reliability
Critical Challenges in Fuel Cells
2017
eBook
ISBN 9780081011027
燃料电池是一种通过氧化还原电化学反应过程将燃料的化学能直接转化为电能的高效发电装置。它不经过普通的燃烧和热机，不受卡诺循环的制约，具有很高的能量转换效率。
燃料电池主要由阳极、阴极和电解质三大部分组成。按照所采用电解质的不同，燃料电池可分为：质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等五大类。其中，固体氧化物燃料电池具有可模块化设计、电池组件为全固态结构、运行寿命长、转化效率高（可达50%～80%）、燃料适用性强（氢气、一氧化碳、天然气等多种碳氢燃料）、避免使用贵金属作电极材料等突出优势，常被称作第四代燃料电池，发电效率可达60%以上，进行热电联供后效率可达80%以上。在分布式电站、动力电源、电子产品和大型发电站领域等都有广阔的应用前景而受到了广泛的重视。固体氧化物燃料电池被普遍认为是21世纪最有希望大量应用的绿色能源转化装置，各国目前都在竞相积极推进其产业化和市场化的进程。
固体氧化物燃料电池的关键材料有阳极、阴极、电解质、密封材料以及连结材料等。传统的固体氧化物燃料电池在较高的温度下工作，这就造成了对电池配套的材料要求高、电池封接困难。电解质材料是整个固体氧化物燃料电池的核心，燃料电池的工作温度、输出功率等直接受其影响；与之匹配的连接材料和电极材料也受限于电解质材料，即固体氧化物燃料电池的电极及其辅助材料必须围绕着电解质材料进行制备和设计。目前，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)是最为经典的固体氧化物燃料电池的电解质材料。阳极，要求在还原性气氛下结构必须保持稳定，并且具有足够的电子或者氧离子电导率、对燃料气的高催化活性。阴极，不仅要求与电解质和连接材料之间具有良好的化学相容性、热化学稳定性和优异的附着能力，还要求在氧化气氛以及高温下必须保持稳定的高催化活性。
经过近几十年的大力发展，世界各国的科学家和工程师们正试图努力降低固体氧化物燃料电池的操作温度，实现中温化(500～800℃)甚至低温化(低于500℃)，进一步降低各部件(包括阴极、阳极、电解质、连接材料和封接材料等)的制造成本和电池的操作成本。迄今为止固体氧化物燃料电池仍然有许多实际应用和基础研究上的问题尚未得到妥善解决，还没有完全达到商业化的要求。
目前，制约燃料电池实用化的主要瓶颈是其成本和使用寿命。为了解决固体氧化物燃料电池在商业化规模和各种应用中的部署所面临的关键问题，本书汇集了全球各个国家和地区相关领域的专家们就电解质、污染物、氧化还原循环、气密性和电极微结构等方面的最新研究进展进行了综述，还包括与电池寿命密切相关的阴极、连接体、燃料处理器等燃料电池部件以及新材料开发等内容，以固体氧化物燃料电池为核心的能源系统的平衡、性能与退化评价的分析方法、有关退化的定量计算和统计方法等也有详细介绍。
全书内容共分为10章：1. 固体氧化物燃料电池材料、技术和应用介绍。本章对固体氧化物燃料电池技术做了全面详细的综述，涉及固体氧化物燃料电池的历史沿革、设计、运行温度和材料、现有可商业化的技术现状，既包括基础理论也有真实的应用实例，最后对燃料电池面临的共性问题----退化的多种物理和化学机理进行了初步介绍，引出了后续章节的内容；2. 固体氧化物燃料电池电解质----影响寿命的因素。影响电解质长期退化的因素有多种，最基本的是其内在的化学稳定性，此外还有与阴极材料的化学作用，由于热梯度、热循环和氧化还原循环造成的力学不稳定。重点对第三种退化路线进行了剖析；3. 燃料对固体氧化物燃料电池阳极寿命的影响：燃料组成、纯度和阳极寿命和可靠性间的关系。本章全面考察和比较了各种类型的燃料和多种操作条件下固体氧化物燃料电池的发电特性。通过化学平衡确定燃料的热化学稳定性来调整初始燃料的组成，特别指出添加足够的水蒸汽可防止积炭的生成，描述了燃料在外部重整和内部重整情况下的发电特性，总结了三种情形下影响固体氧化物燃料电池耐久性的规律；4. 氧化还原循环对固体氧化物燃料电池寿命的影响。有关固体氧化物燃料电池氧化还原循环的研究直到2000年后才有相关文献报道，本章主要探讨氧化还原循环的微结构效应，及其对电池的制造、镍的还原和氧化动力学、力学和电化学性能的影响，最后提出了应对氧化还原循环退化的解决方案及未来研究方向；5. 微结构的退化：增强固体氧化物燃料电池电极耐久性的机理、模拟和设计策略。重点描述了固体氧化物燃料电池中电极微结构尤其是陶瓷阳极的退化机理，采用实验和模拟的方法可定量确定微结构退化的贡献，同时给出了增强微结构健壮性的策略。6. 空气中污染物造成的固体氧化物燃料电池阴极退化：综述。阴极性能退化的原因既有固-固反应，也有气-固反应，本章主要介绍真实空气中本身所含的微量水蒸汽、二氧化碳和硫氧化物以及外带的含铬气体(CrOx 和CrOx(OH) x)杂质对阴极退化所造成的影响规律，并对减缓铬辅助阴极退化提出了一些方法和措施；7. 固体氧化物燃料电池连接体的寿命问题。中温固体氧化物燃料电池（600～800℃）主要采用金属连接体，目前对于高温固体氧化物燃料电池用的金属连接体的研究开发活动也很活跃。在总结了有关影响固体氧化物燃料电池连接体寿命的物理现象的理论基础问题后，提供了真实的寿命测试数据，展示了在工业和实验室环境中固体氧化物燃料电池堆中金属连接体的行为，指出现有的模型过高估计了金属连接体的退化同时现有的延长寿命解决方案是合理有效的；8. 固体氧化物燃料电池中燃料处理器的寿命和可靠性。固体氧化物燃料电池中燃料处理器的寿命主要取决于其中所用催化剂的寿命，分析了造成催化剂失活的烧结和炭沉积机理，提出了增强液态燃料处理器可靠性的设计原则以及重整后处理的方法，最后还对燃料处理器的寿命进行了测试估算；9. 基于固体氧化物燃料电池产品的寿命和可靠性：综述。对最新的固体氧化物燃料电池寿命数据进行了全面的分析评估，重点选取有代表性的日本、英国、美国三个案例剖析了提高固体氧化物燃料电池寿命和可靠性的策略和新进展；10. 改善固体氧化物燃料电池持久性和健壮性的新材料。对固体氧化物燃料电池涉及的电解质、阴极、阳极和堆材料的新进展做了全面的综述，强调其性能和持久性间的权衡，还提到了加速老化的测试方法，指出了提高长期运行可靠性的新材料研究方向。
我国目前对固体氧化物燃料电池的研究开发业已取得了很大的进展，本书的内容对进一步推动我国在该领域的技术进步具有积极的意义。
本书第一编著者Nigel Brandon，现为英国伦敦帝国学院工程学部部长，英国工程院院士，大英帝国官佐勋章获得者（OBE），核心研究领域为面向能量应用的电化学装置的科学、工程和技术。他与该领域的产业界和研究机构有广泛的合作和联系，兼任英国可持续发电中心氢能和燃料电池部主任、英国可持续发电中心储能部共同主任、伦敦帝国学院可持续气体研究所所长、Ceres Power公司的首席科学顾问。
本书的读者对象是从事固体氧化物燃料电池及其新材料、新工艺、新技术研究与开发的科研技术人员，燃料电池、能源、化学、材料等相关专业的高等院校教师和研究生。
本书评作者
陈宏刚，工学博士，华北电力大学教授。主要研究方向为能源化工、煤和生物质绿色转化技术、煤和生物质的燃烧特性研究、煤及烃类在热等离子体中热解、气化过程、精细无机粉体材料的制备及其表面改性等。负责或参与完成30余项国家和省部级以及欧盟和企业委托项目，在国内外期刊或学术会议发表论文60余篇，参与撰写《化工百科全书》，任《洁净煤技术》编委。与英国帝国理工大学、美国Texas A&M大学、匈牙利科学院等国家的高校或科研机构具有多年的科研合作关系，完成多项国际合作研究项目。
