“綠色電站”搬回家成為現實
——小規模高效固體氧化物燃料電池研制成功

文/王小龍

“綠色電站”搬回家成為現實
——小規模高效固體氧化物燃料電池研制成功

文/王小龍

風力發電沒有條件，太陽能電池效率太低，燃油發電機太不環保……如果這些能源都無法滿足你的需求，固體氧化物燃料電池(SOFC)或許是一個不錯的選擇。據物理學家組織網報道，美國西北太平洋國家實驗室日前開發出一種高效率的小規模固體氧化物燃料電池，能源轉化效率可達57%，其試驗系統可產生2千瓦的電力，非常適合家庭使用。加之其高效環保的優勢，有望讓每家都擁有一個“發電站”成為現實。

什么是SOFC

在了解固體氧化物燃料電池之前，我們需要先知道什么是燃料電池。從外觀上看起來，燃料電池就像是一個蓄電池，有陰極、陽極也有電解質。但它們最大的不同之處在于，蓄電池是一個儲電裝置，燃料電池是一個發電裝置，它能夠讓具有可燃性的燃料與氧反應產生電。因此只要有持續的燃料供應，燃料電池就能源源不斷地產生電力。

燃料電池最大的優勢是高效和環境友好。目前普通燃油發電機只能把18%的化學能轉化為電能，如果是汽車發動機，其最終轉化率還不足15%。相比之下，不少燃料電池都可以實現30%到50%的轉化率。高效率意味著燃料電池能夠在消耗更少燃料、產生更少污染的情況下，產生與傳統發電廠相同的電量。

固體氧化物燃料電池是新一代燃料電池，能夠在高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化成電能。無論是氧氣、沼氣、氫氣還是柴油、汽油，都可以作為其發電的燃料。與其他燃料電池相比，固體氧化物燃料電池還具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態、模塊化組裝、零污染等優點。

著眼于小放眼于大

固體氧化物燃料電池是一種很有前途的技術，能夠提供清潔高效的能源。到目前為止，大多數人都將注意力集中在能產生1兆瓦或更多電力的、可取代傳統發電站的較大系統的研究上，以期產生突破性的成果。為何西北太平洋國家實驗室的科學家非要劍走偏鋒，將注意力集中在小系統的研發上呢？

該實驗室固體氧化物燃料電池項目首席工程師文森特?斯普瑞克解釋說：“因為小系統也有優勢，有時候甚至還能勝過大系統。”家庭和社區用戶就是這樣一個實例：如果安置大型系統，其產生的電力將超過附近地區的耗電量，如此一來就必須通過輸電線路將其輸送到其他地方。而這一過程必然會造成一些電力的損耗。另一方面，小系統更加輕便靈活，安裝位置可以更靠近用戶，輸送成本和損耗會更低，如果需要的話還能將其集成起來形成更大的系統。

為此，科學家們提出了一個設想，這個小型發電系統既要在效率上超過50%，又要在需要時能夠輕松擴展進行分布式發電。

兩項創新解難題

為了實現這一目標，讓小型系統產生接近甚至高于大型系統的效率，研究人員采用了兩項名為微通道和燃料循環的工藝。

固體氧化物燃料電池由陶瓷材料制成，分為正極、負極和電解液三個層次。工作時，經過壓縮的空氣預熱后首先被泵入作為負極的外層，空氣中的氧氣會變成帶負電荷的超氧陰離子。而后負極和內部的電解質層相接，氧離子穿過電解液達到正極層，在那里氧離子與燃料發生反應產生電及副產品蒸汽和二氧化碳。

但此前的方法是讓蒸汽直接暴露于燃料電池之中，這會導致燃料電池中的陶瓷層受熱不均甚至損壞。新研究中，科學家們采用了一種微通道技術，讓蒸汽從外部完成和燃料電池的初步反應，不但減少了電池的損壞，還增加了反應的表面積，提高了反應效率。通過該技術，反應過程中的余熱和廢氣也能重新得到利用，又進一步減少了燃料的消耗。

實驗顯示，經過優化后的系統在2.2千瓦時、1.7千瓦時的效率分別可以達到48.2%和56.6%。研究小組預計，只需再進行幾個小的調整，他們還能將系統效能提高到60%。這不但高于內燃機15%的效率，也遠高于同等體積的其他燃料電池30%到50%的效率。他們制造的單個試驗系統已能產生2千瓦的電力，這與一個典型的美國家庭的耗電量大體相當。經過擴展后，該系統還能升級到100千瓦至250千瓦之間，能夠滿足50個至100個美國家庭的用電需求。

斯普瑞克對這一結果十分滿意。他說：“雖然這種小型固體氧化物燃料電池成本較高，目前還無法大規模推廣，但這項工作向人們證實了這種技術的可行性，說明在增加發電量的同時減少二氧化碳排放并不是癡心妄想。”他希望這項技術能盡快在單個家庭或公司獲得應用。