中高溫固體氧化物燃料電池發電系統發展現狀及展望

王 雅，王 傲

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中高溫固體氧化物燃料電池發電系統發展現狀及展望

王 雅，王 傲

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文概述了中高溫固體氧化物燃料電池技術的基本情況，著重介紹了國外固體氧化物燃料電池技術的發展現狀，展望了固體氧化物燃料電池的發展趨勢，及其在城市/家庭熱電聯供、移動/固定式電站、與燃氣輪機聯合發電及船舶等領域的應用前景，并對我國固體氧化物燃料電池的發展思路進行了分析。

固體氧化物燃料電池 熱電聯供 產業鏈

0 引言

燃料電池是一種通過電化學反應直接將燃料和氧化劑中的內能轉變為電能的能量轉化裝置，具有高效、清潔、安靜及模塊化等優點。在高效、清潔能源的時代背景下，燃料電池是非常理想的能量轉化裝置，是能源終端應用的關鍵技術，被視為“后石油時代”的能源解決方案之一。燃料電池根據電解質類型的不同，可分為五種類型:堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）及固體氧化物燃料電池（SOFC）。

傳統SOFC是指工作溫度在900-1000℃的高溫SOFC，由于工作溫度較高，存在密封困難、材料老化快、界面擴散嚴重、材料間熱匹配困難等問題，使得對SOFC組件的要求較高，導致成本較高。隨著SOFC技術的發展，目前最常用的為工作溫度在500-800℃的中高溫SOFC。SOFC單電池由多孔陽極功能層、致密電解質層及多孔陰極層以及支撐體組成。其工作原理示意圖如圖1-1所示。陰極側通入空氣作為氧化劑，陽極側通入燃料氣體（如H2、CH4、CO等還原性氣體），多孔的電極骨架有利于氣體的傳輸，致密的電解質則有利于在空間上隔離空氣與燃料氣。在陰極側，O2擴散到陰極材料活性位，經過吸附解離過程后得到電子成為O2-，O2-在電解質兩側氧濃度差的驅動下由其內部的氧空位定向傳導至陽極，將陽極還原性氣體氧化為H2O（燃料若含碳氫化合物，則產物含有CO2），并釋放自由電子。自由電子在電化學勢的作用下通過外電路，驅動負載對外界做功，并傳導至陰極參與氧的還原反應。整個反應過程中，自由電子是通過外電路傳遞的，故只有當外電路接通時才能完成SOFC整體反應。

圖1 SOFC的工作原理圖

SOFC與其他四種類型的燃料電池相比，具有成本低、壽命長、燃料適應性廣、全固態結構、不存在貴金屬中毒及復雜水管理等優點，并可熱電聯供及混合發電，綜合能量利用率超過80%，使得固體氧化物燃料電池在熱電聯供、移動式與分布式電站、輔助動力裝置及混合式發電等領域具有巨大的應用前景。目前，全球各國都已在各個領域開展固體氧化物燃料電池發電技術的研究，并取得非常大的成功，形成規模化的燃料電池產業鏈。

1 固體氧化物燃料電池技術簡介

1.1 國外固體氧化物燃料電池發展現狀

出于對未來能源戰略、國家安全和環境保護的考慮，世界上許多國家，尤其是發達國家，如美國、歐洲、日本、澳大利亞、韓國等，相繼制定了長期研究開發計劃，力求在2020年前后促成SOFC技術的規模化商業應用。1999年，美國能源部啟動了稱之為SECA（Solid State Energy Conversion Alliance）的研發計劃，集政府、公司、大學和國家實驗室于一體，加速推進SOFC技術的產業化和商業化，從而帶來了SOFC技術發展的新時代。SECA的目標是實現400美元/kW，年產5萬套工作壽命長達4萬小時的3～10 kW的發電系統。2005年，美國重啟“Future Gen”計劃，在SECA計劃技術基礎上，增加投資，開發適用于碳基燃料的SOFC發電系統，將SOFC技術納入煤清潔利用的范疇，爭取建成百MW級的“綠色發電廠”。美國kW至百kW級SOFC發電系統正在無人機、深潛器、移動電源和固定電站等多個領域進行示范運行，極大地推動了SOFC技術的發展與應用。

迄今為止，美國Bloom Energy公司在平板式SOFC上的技術處于世界領先地位。該公司主要生產制備電解質支撐SOFC，推出產品為200～250 kW 的Energy Server系列及160～200 kW的Uninterruptible Power Module（UPM）系列，以天然氣燃料，發電效率為52-60%，可實現每年365天長期持續供電。該公司已累計安裝120MW SOFC發電系統，其客戶包括Google、WalMart、Apple及Adobe等企業及政府部門。圖2所示為該公司的250 kW Energy Server 5 SOFC發電系統外觀圖。

圖2 美國Bloom Energy公司研發代號Energy Server 5的250kW SOFC發電系統外觀圖

在歐洲，歐盟制定了SOFC600、Real SOFC及Ene. Field等多個SOFC技術項目的研發計劃，包括了澳大利亞、芬蘭、德國、英國、荷蘭和瑞士等多個國家，研究涉及SOFC關鍵材料、單電池、電堆及系統等多個層面。2017年10月11日，歐盟能源項目（Ene.filed）在比利時布魯塞爾舉行了最后的宣傳活動。該項目在歐盟10個國家成功安裝、運行并維護了超過1000個燃料電池（PEM與SOFC）解決方案實例，是歐盟最大的燃料電池現場試驗微型熱電聯產計劃，并期望在2020年前加大投資至1.4億歐元，安裝2500多臺熱電聯產機組，實現SOFC微熱電聯產的標準化與大規模商業化。在活動中，歐盟能源項目得出結論，燃料電池微型熱電聯產將作為未來能源系統關鍵能源解決方案的一部分，并強調需要制定正確的政策框架，以便在歐洲廣泛部署該技術，為歐洲消費者提供更清潔、可靠、再生的能源系統，從而實現歐盟氣候和能源轉型。

德國Sunfire公司推出的25 kW SOFC動力系統如圖3所示，發電效率大于50%，熱電聯產后能量綜合利用率已超過80%。可通過對多組SOFC發電系統進行串并聯組合將功率等級擴展至500 kW。該公司50 kW SOFC系統已于2016年提供給ThyssenKrupp Marine Systems公司在海上測試使用，減少由化石燃料的燃燒及有毒氣體排放。同時，該公司2臺25 kW SOFC發電系統已在臺灣進行示范運行。

日本燃料電池技術的研究較早，并且投入較大。在1999年宣布千禧計劃后，呼吁引進燃料電池技術并作為下一代技術發展以抑制全球變暖。在2002-2004年并已開展了固定式燃料電池示范研究項目，于2005-2008年實現了大范圍的固定式燃料電池示范項目，開始進行用戶租賃、安裝及數據收集。2007年日本首相選擇了固定式燃料電池作為全球降溫能源創新技術。隨著技術的發展，日本推出了Ene-Farm計劃，Tokyo Gas、Osaka Gas、Toto、Kyocera等多個公司參與其中，致力于700 W級家用PEM與SOFC熱電聯供系統的研發與應用推廣，至今已裝備數萬個家庭。該項目已經支持部署了超過120000套家用燃料電池設備，可以給家庭提供50%的電能消耗，使得用戶每年的取暖和照明費用下降50000～60000日元，減少每年CO2排放量1.3噸。日本Ene-Farm項目可以說是世界上最為成功的燃料電池商業化項目。圖4所示為日本700W家用SOFC熱電聯供系統外觀圖。

日本Nissan公司于2016年8月在巴西發布了世界首款SOFC增程器原型車。其中SOFC電堆輸出功率為5 kW，采用生物乙醇作為燃料，從而為24千瓦時的蓄電池進行充電，累計續航里程可超600公里。其SOFC增程型原型車外觀及原理示意圖如圖5所示。

日本三菱重工公司對于管式SOFC的開發由來已久。該公司于2013年9月，研發出了200千瓦管式SOFC與微型燃氣輪機混合聯用系統。以天然氣為燃料，LHV下的電效應達到50.2%，運行超過4000小時。并于2017年推出了代號為Hybrid-FC的250kW SOFC與微型燃氣輪機聯合發電系統商業化產品，外觀圖如圖6所示，系統整體效率為65%。該聯合發電系統已在日本五個城市進行了長期的示范運行。

圖4 日本推出的700 W家用SOFC熱電聯供系統

圖5 日本Nissan公司推出的SOFC增程型動力汽車及原理示意圖

1.2 國內固體氧化物燃料電池發展現狀

我國最早關于SOFC的研究始于1970年代。“九五”以來，在科技部，國家、發改委、基金委、科學院、教育部以及地方政府的資助下，華中科技大學、中科院上海硅酸鹽所、中科院大連化物所、中科院寧波材料研究所、中國礦業大學、哈爾濱工業大學、華南理工大學等多家大學和研究機構在SOFC關鍵材料與合成工藝、單電池制備、電堆組裝與測試、系統集成等方面相繼開展了大量研究工作；在“十二五”期間，華中科技大學實現了國內首臺5 kW級SOFC獨立發電系統的集成與初始運行。國內寧波索福人能源技術有限公司已對外出售陽極支撐及電解質支撐的平板式SOFC，單個電堆功率等級為500 W至2 kW，為我國的SOFC研發與商業化提供了堅實的基礎。

圖6 日本三菱重工公司開發250kW SOFC與微型燃氣輪機混合聯合發電系統

可以看出，我國SOFC研發總體水平與美國、歐洲、日本等發達國家的先進水平存在不小差距，尤其在輸出總功率、發電效率、電堆設計與裝配及系統集成方面差距較大；而且運行壽命較短，啟停時間較長，性能穩定性有待提高。國內目前尚未有成熟的大功率SOFC電池堆及發電系統的示范運行，這也反應了我國SOFC技術的發展顯得尤為迫切。

2 固體氧化物燃料電池技術發展及應用前景分析

目前，世界各國均致力于將SOFC的工作溫度進一步降低，從而能降低相關組件成本，延長使用壽命。降低SOFC的工作溫度意味著需要研發滿足性能指標的新材料體系，包括電極功能層，電解質功能層、界面接觸材料及連接體等，特別是SOFC電解質材料。中高溫SOFC最為常用的電解質材料主要有氧化釔穩定的氧化鋯（YSZ）及釓摻雜的氧化鈰基（GDC）。還有其他一些電解質也有相關應用，比如La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ（LSGM）及氧化釤摻雜的氧化鈰（SDC）等。這些電解質隨著工作溫度的進一步降低，其氧離子導電率已不能滿足SOFC性能需求。故研發新體系材料對中低溫SOFC的發展顯得尤為重要。

中高溫SOFC由于其工作溫度較高，尾氣余熱品質高，不僅可以進行熱電聯供，還可與燃氣輪機或蒸汽機等進行聯合發電，這使得SOFC發電系統在分布式功能及水面船舶等應用領域具有非常大的前景。SOFC與燃氣輪機聯合發電原理圖如圖7所示。

圖7 SOFC與燃氣輪機聯合發電總能系統示意圖

SOFC發電系統因不涉及化學燃燒及機械轉動等過程，故其在分布式供能與水面船舶等領域相對于傳統內燃機類具有非常明顯的優勢：

1）能量轉化效率高

SOFC工作溫度較高，反應過程簡單,不像傳統的發電裝置需要經過許多中間的轉化過程,大大降低了能源轉換過程中的不可逆損失，可實現50～65%的高效發電。其尾氣具有很高的余熱利用價值，若與燃氣輪機或蒸汽機混合聯用，其效率可達80%～95%。相比較熱氣機的實際效率（30%～32%）、閉式循環汽輪機的實際效率（約25%），在相同電負荷下，燃料電池發電效率遠高于燃燒發電機。

2）燃料適應性強、無污染、低成本

SOFC不需使用有限資源的貴金屬材料（如Pt），這使得SOFC制備成本較其他燃料電池如PEM低許多。同時SOFC也不需考慮CO對電極材料的毒化作用，增加了燃料選擇的靈活性（如天然氣、煤氣、生物質氣氣體、柴油重整氣及其他碳氫化合物重整氣等）；與傳統的燃燒發電方式相比，SOFC技術極大地降低了燃料的能量損失和對生態環境的污染。

3）模塊組合、布置靈活、環境適應性強

SOFC模塊所構成材料全是固體組件，電池外形設計具有靈活性，可以單獨或多個模塊組合使用。全封閉系統、不存在蒸發、腐蝕、電解液流失及復雜水管理等問題，具有足夠的高溫化學穩定性、相匹配的熱膨脹性及高致密型等固有特性，耐受高溫潮濕、鹽霧、油霧、霉菌，具有很高的可靠性和很強的適應性。

4）系統穩定性高

傳統電站增加發電容量時，變電設備必須升級，否則會使整個電力系統的安全穩定性降低。而SOFC獨立發電電站則無需將變電設備升級，必要時可將SOFC電池組拆分使用。SOFC燃料電池還可以輕易的校正由頻率引起的各種偏差，進而提高系統穩定性。與其他燃料電池相比，SOFC發電系統簡單，可發展為大規模設備，用途廣泛。

3 結論

固體氧化物燃料電池技術具有能量轉化效率高、燃料適應性廣，清潔等優點，成為清潔和高效新能源發電技術的理想方案之一。隨著SOFC燃料電池技術的日趨成熟，世界各國在燃料電池發電系統示范應用和產業化等方面均取得了諸多的成果，并在汽車、船舶和分布式供能等多個領域得到了應用，已形成相對完整的產業鏈，尤以美國、歐盟、日本及韓國為主。

我國SOFC燃料電池技術的發展在確保能源安全、減少碳排放環境保護等方面具有重大意義。然而我國相關技術與發達國家依然存在較大差距，在自主研發上投入亟待加大。因此，我國有必要借鑒世界各國SOFC技術發展經驗，建立健全配套機制，制定相對應標準，大力開展SOFC燃料電池技術在分布式供能等領域的基礎研究和示范應用項目，推動SOFC技術產業化進程，確保我國在新能源經濟中的國際競爭力。

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Current Status and Perspective of Intermediate-temperature Solid Oxide Fuel Cell

Wang Ya, Wang Ao

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM911

A

1003-4862（2018）07-0001-05

2018-05-15

王雅（1980-），女，工程師。研究方向：燃料電池。