固體氧化物燃料電池（SOFC）技術進展和產業前景

文 韓敏芳

固體氧化物燃料電池（SOFC）技術進展和產業前景

文 韓敏芳

燃料電池是人類能源利用領域的又一次變革性技術。相對于傳統熱機發電，燃料電池的發電效率明顯提高，同時因為減少了化石原料燃燒的過程，減少了粉塵、有害氣體排放，因此更加清潔衛生。

傳統熱機發電是一個從化學能到熱能，再到機械能，最后到電能的過程。例如化石能源的利用過程，從化石能源出發，經過燃燒，轉變為熱能，再轉變為電能，在這個過程中，利用物理轉換實現能源形式的轉換，綜合發電效率約為35%～45%。燃料電池（Fuel Cell）是一種將燃料的化學能直接轉換為電能的技術，是從化學能到電能的一步式轉換，一次發電效率約為45%～60%。相對于傳統熱機發電，燃料電池的發電效率明顯提高，同時因為減少了化石原料的燃燒過程，減少了粉塵、有害氣體排放，因此更加清潔衛生。現有研究結果顯示，如果將燃料電池與其他能量循環形式聯合利用，可以達到70%～85%的轉換效率；如果是熱電聯供，可以達到80%～90%的轉換效率。因此，有人說，燃料電池是人類能源利用領域的又一次變革性技術。

燃料電池有很多種，分類標準也各不相同。如果根據工作溫度區分，可以分為高溫、中溫和低溫燃料電池。另外也可以從電解質中傳導的離子種類進行區分，例如氫燃料電池（質子交換膜燃料電池-PEMFC）傳導氫離子，SOFC傳導氧離子。

電池由電解質和兩側的電極組成，核心部分是電解質，它的功能是進行離子傳導。對于SOFC，空氣中的O2在固體氧化物燃料電池的陰極側捕獲電子變成氧離子(O2-)，氧離子通過致密的電解質傳導到陽極側，與燃料發生氧化反應，產物只有H2O和CO2。由于氧離子可以氧化大部分燃料，因此，固體氧化物燃料電池的燃料可以是氫氣，可以是工業副產品廢氫，還可以是煤氣、天然氣、生物質氣等含碳燃料。由于固體氧化物燃料電池對燃料的選擇性相對較低，因此人們喜歡說它是“吃粗糧”的燃料電池發電系統。從實際應用來看，SOFC具有很好的適應性和效率，但從技術角度來說，它卻是所有燃料電池中技術難度最高的一種。

尤為特別的是，SOFC器件正向運行發電，逆向運行可以把水電解成氫氣，把CO2變成CO，實現CO2和H2O的共電解制合成氣，整套設備的循環運行穩定性非常好（優于單一的發電或電解運行穩定性）。利用西氣東輸的管道可以將產生的燃料氣輸送到東部。我國目前棄風、棄水、棄光現象嚴重，采用SOFC逆向運行方式可以將過剩電能轉化成H2和/或CO的化學能儲存。

SOFC采用模塊化設計、全固態結構，運行壽命可長達約8萬小時，同時它不需要貴金屬作催化劑，因此不僅設備成本低，而且發電成本也低。以帶有二氧化碳捕獲功能的SOFC發電系統為例，發電成本可下降1/3，建設成本可以做到低于燃煤電廠。基于上述特點，我們認為SOFC在分布式電站、動力電源和大型發電站領域均有廣闊的應用前景。

事實上，國際上已經有采用SOFC分布式發電系統供電的成功案例。2017年5月剛剛竣工的蘋果公司總部大樓Apple Park里，獨立的微電網系統將服務總體建筑面積97萬平方米，全套設備由17MW太陽能和4MW SOFC發電系統組成。

國外燃料電池的快速發展和技術封鎖現狀，迫使我國的燃料電池發展只能走自主研發道路。2016年4月，國家發改委和能源局聯合發布《能源技術革命創新行動計劃 (2016-2030年)》，將氫能與燃料電池技術創新列入其中第9項。2016年6月，國家發改委、工信部和能源局聯合發布《中國制造2025——能源裝備實施方案》，再次明確將燃料電池單獨列出，重點發展。

從2007年開始，我國開展SOFC相關關鍵材料和基礎科學研究，到目前基本實現了突破SOFC諸多核心關鍵技術，擁有自主知識產權，實現了SOFC關鍵材料、電池核心元件、電堆模塊集成和獨立發電系統四部分技術全線貫通。在此基礎上，在山西晉煤集團、新奧上海泛智公司等地陸續開展了示范運行。短短10年，我們突破了國外技術的封鎖，為中國SOFC產業發展打下了堅實基礎。

作為一個全新的產業，從開始階段進行系統的規劃設計顯得尤為必要，引導產業的健康有序發展也是發展之初要嚴肅面對的問題。2016年，我國成立了中國能源研究會燃料電池專業委員會，2017年成立了能源行業高溫燃料電池標準化技術委員會，后續工作中推動標準檢測中心的建設，以規范行業的發展，相關事宜需要盡早提上日程。

韓敏芳：清華大學教授