固体氧化物燃料电池的效率分析

自从人类进入工业化礼会以来，人类利用化石能源的途径仍然是首先将化学能转变为热能，再转变为机械能，再通过机械能转变为电能。由于热能转变为机械能过程受到卡诺定理的限制，所以目前的能量效率非常低下。如果能够提高化石燃料的效率，那么提供相同机械能或者电能所需要的化石燃料量将会减少，同时向大气中排除的CO2量也会减少，达到节约能源和保护环境的口的：

燃料电池作为一种能量转换装置，能够直接将燃料中的化学能转变为电能，并且不受卡诺定理的限制。与传统发电装置相比，燃料电池具有效率高、污染低、噪音低、可靠性高等特点。并且燃料电池对气体中燃料含量要求不高，甚至在非常低的燃料含量下仍然可心工作。与质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比，同体氧化物燃料电池(SOFC)不仪可以使用H2作为燃料，还可以使用其他气体(如甲烷等)作为燃料，并且一些在常温下是液态的燃料也是其潜在的燃料来源；与熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)相比，SOFC使用固体电解质，将没有或者只有少量的腐蚀存在。因此在所有燃料电池技术中，SOFC由于其独特的优点受到很多研究机构的关注。

尽管SOFC具有很高的理论能量转换效率，但是目前报道的实际SOFC单体性能远不能达到理论转换效率。本文将从热力学埋论及实验数据开始分析影响SOFC效率的因素，并提出相应的改进方法，对SOFC的进一步发展提供理论依据。

1 SOFC的效率计算

1.1 SOFC的热力学理论效率

对于燃料电池，以化学反应热焓的减少(-△H)来代表输入能量，以吉布斯自由能的减少(-△G)作为获得的最大电能。于是对于任何燃料电池体系的热力学效率可以用式(1)表示：

标准状态下燃料气体氧化反应的吉布斯自由能变(△G)和焓变(△H)呵以查找相关手册，表1列出一些常见燃料电池用生物质气体反应的热力学数据。从表1中可以看出燃料电池的热力学效率非常高，而热机由于受到卡诺定理的限制即使在800℃其热力学效率只有46％，说明燃料电池发电具有很大的效率优势。

而由于SOFC通常在高温(600～1 000℃)环境下工作，同时在计算不同温度的△G时非常不方便，所以在高温下SOFC的热力学理论效率可以利用式(2)进行计算：

其中热焓(△H)和熵(△S)都是温度的函数，不同温度时化学反应的△H和△S可以通过式(3)和式(4)计算得到。在式(3)和式(4)中，△Cp是气体等压热容差，计算方法如式(5)。在式(5)中，Cp是气体的等压热容，可以查找手册得到不同温度下的等压热容差值，再通过插值或者线性拟合就可以得到△Cp与温度T的函数关系；β是表1中方程的配位系数，其中反应物为负值，生成物为正值。将式(3)～(5)代人式(2)得式(6)就可以计算出不同温度下燃料气体在燃料电池中的热力学效率。

图1列举了主要SOFC用燃料气体(H2、CO和CH4)在不同温度下的热力学理论效率。从图中可以看出，低温(<650℃)时燃料电池的理论电效率均高于70％，而热机发电由于受到卡诺定理的限制其效率远低于此值，可见SOFC具有非常高的理论电效率优势。

以H2和CO为燃料时SOFC热力学理论效率均随温度的升高而降低，并且当温度高于800℃后，SOFC的热力学理论效率与热机相比已经没有很大的优势，所以理论上应该发展低温SOFC。

以CH4为燃料时SOFC效率随温度的升高而升高，并且在一定温度下高于100％，产生这种现象的原因是由于所研究的系统已经不是一个封闭系统，根据能量守恒定理，此时系统必须向环境吸收能量。根据这个现象，可以使用CH4与H2和CO的混合气体作为燃料，这样可以得到比使用单一气体为燃料时更高的效率，并且当CH4含量达到一定值后，即使在高温条件下，系统热力学理论效率也将高于80％。

1.2 SOFC的实际效率

实际过程中定义SOFC的效率为输出电能与进入电池的燃料热焓之比，见式(7)，其中，I、V分别是电池的输出电流和电压。

表2列出了部分以H2为燃料的SOFC达到最大比功率时的电池效率，在计算过程中假设电解质只有离子电导，没有漏气和电子电导等现象。

从表2中数据可以看出，在最大比功率时的SOFC效率不仅远比理论效率低，而且比当前内燃机的发电效率都低，可见目前的研究离SOFC真正实用化还有一定的距离。因此SOFC走向实用化还需要提高其效率。

为了提高SOFC的效率，可以从影响SOFC效率的因素出发，即可对式(7)进行变形：

式(8)中△G／△H就是燃料电池的热力学效率&eta;热力学。n为1 mol燃料在氧化反应过程中消耗的摩尔电子数，V是电池工作过程中的输出电压，I是输出电流，F是法拉第常数，&eta;g是燃料的利用