生物质气化耦合固体氧化物燃料电池研究现状及前景分析

创新点

生物质的高效利用是实现双碳目标的重要路径。固体氧化物燃料电池（SOFC）以其纯固态组件、高效率和燃料灵活性而备受关注，将SOFC与生物质气化耦合发电是实现分布式生物质高效利用的理想途径。本文从电极关键材料、结构设计、性能衰减机制和应对策略四个方面系统介绍了实现生物质气化耦合SOFC发电的关键因素，并进一步针对从焦油/积碳耐受性、碱金属富集等两个关键问题阐释了实现生物质气稳定高效发电的技术发展前景。

通讯作者简介

肖睿教授

肖睿，东南大学能源与环境学院院长，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室主任，国家杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授，江苏省政协委员。兼任江苏省能源研究会理事长，中国工程热物理学会燃烧分会副主任。Fuel Processing Technology副主编，International Journal of Greenhouse Gas Control、《太阳能学报》《化工学报》等刊物编委。

主要研究方向为固体燃料热解气化，二氧化碳捕集与利用。以第1获奖人获得国家科学进步二等奖、教育部自然科学一等奖、江苏省科技进步一等奖、中国专利优秀奖等奖项，以主要完成人获其他省部级奖4项。在包括Science在内的国内外核心刊物上发表论文300余篇，其中SCI收录论文200余篇，论文被SCI他引10000余次，获授权发明专利50余件。

李桃教授

李桃，东南大学青年首席教授、博导，入选国家青年高层次人才计划。2015年博士毕业于帝国理工学院，2015—2020年在帝国理工从事博士后研究，2021年入职东南大学。长期从事高效燃料电池/电解池、新型膜分离原理与技术、CO2转化利用等方面的研究工作。目前主持科技部重点研发青年科学家项目、国家自然科学基金面上项目、作为课题负责人参与教育部协同创新中心科技领军人才团队项目、江苏省自然科学基金/双碳专项等近10项国家及省部级研究课题；参加国际/国内会议、高校以及企业界邀请作学术交流报告20余次。近五年，在Energy and Environmental Science、Nature Communications等期刊发表论文近40篇，担任江苏省可再生能源协会燃料电池专委会副秘书长；Energy and Environmental Materials、Environmental Science and Ecosystem等期刊青年编委。

生物质气化耦合固体氧化物燃料电池研究现状及前景分析

作者

徐越¹，李桃²^,³^,^*，肖睿²^,³^,^*

单位

1. 东南大学蒙纳士大学苏州联合研究生院

2. 东南大学能源与环境学院

3. 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室

基金项目

国家重点研发计划资助项目（2019YFE0122000）

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摘要

中国是目前全球最大的能源消费国，能源结构具有“富煤贫油少气”的特点。煤炭作为化石能源之一，其大量消耗不可避免地导致了CO2的排放问题。生物质气来源广、总量大、环境友好，高效利用生物质可有效降低碳排放和化石燃料的使用。燃料电池是一种可以将燃料中的化学能转化成电能的电化学装置，相较于传统热机，因其不受卡诺循环效应限制，具有更高的能量转化率。固体氧化物燃料电池（SOFC）以其纯固态、高效率和燃料灵活性而备受关注，研究人员不断致力于改进燃料电池材料、组件和系统设计，以提高效率、降低成本，并推进其在能源领域的广泛应用。将SOFC与生物质气化联用可以实现生物质高效分布式发电及能源利用。生物质气化气中含有多种组分及微量污染物，对SOFC的运行存在一定的影响。本文简述了SOFC的工作原理、关键材料、性能提升等相关技术进展，并介绍了生物质气化耦合SOFC运行中存在的问题和挑战。

研究背景

在碳达峰背景下，寻求高效、清洁的能源转换技术成为全球关注的焦点。生物质作为一种农林废弃物及可再生碳源，通过气化可以高效连续地产生含有氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体。燃料电池技术的研究和发展有助于应对与二氧化碳或氮氧化物等气体排放相关的温室效应引起的气温上升。与其他电源相比，它们的特点是化学能转化为电能的效率高。固体氧化物燃料电池（SOFC）是最有前途的燃料电池类型之一，其作为一种高效、清洁的能源转换技术，近年来在能源领域引起了广泛关注。生物质气化是一种在高温条件下将生物质转化为清洁燃气的技术，与SOFC相结合可以实现生物质分布式高效利用，实现热电联供。

SOFC不仅能实现高效的电能转换，还可以灵活地适应多种燃料，并且具备低排放的特点。在过去的几十年里，SOFC的研究和发展取得了显著进展，包括电解质和电极材料优化、工作温度降低以及系统集成等方面。这些进展不仅提高了SOFC的性能与稳定性，也为其在可再生能源、电网调节以及工业应用等领域的应用奠定了技术基础。

本文阐述了固体氧化物燃料电池（SOFC）的结构组成和基本工作原理，介绍了不同的电解质材料和电极材料的优缺点，从电堆设计及低温化运行两个方面介绍如何提升SOFC的运行效率，提出了生物质气SOFC发电存在的问题和挑战，并对未来较有前景的应用方向做了展望。

部分图片

图1 不同材料离子电导率

图2 生物质气化-SOFC系统示意图

引文格式

徐越,李桃,肖睿.生物质气化耦合固体氧化物燃料电池研究现状及前景分析[J/OL].能源环境保护:1-11[2023-11-02].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231101.

XU Yue, LI Tao, XIAO Rui. A review on development status and prospects of biomass gasification integration with solid oxide fuel cells[J/OL].Energy Environmental Protection:1-11[2023-11-02].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231101.

　　责任编辑：宫在芹

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