固體氧化物燃料電池的研究進展

張新寶，張 超，孟凡朋，樊震坤

（山東硅元新型材料股份有限公司，淄博255086）

引言

隨著我國綜合實力的不斷提升，推動了人類經濟社會和現代文明高速發展，也帶來了嚴峻的能源和水質惡化、空氣污染、土壤破壞等環境問題。在現代化和工業化向前推進過程中，絕大多數的能量轉化都是通過熱機過程來實現的。熱機工作運行過程受到卡諾循環條件的嚴重限制，在能量轉化中熱能效率相對較低，能源消耗浪費也變得比較嚴重［1，2］，大大降低了整體產業的競爭力，而且產生大量的粉塵、二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物等有害物質，從而直接導致自然大氣污染、水質環境污染、土壤土質污染等問題，使人類的生存環境受到嚴重威脅。因此，除了通過能源多樣化來強化能源安全保障、創造低碳社會之外，從新能源相關產業的創造和擴大就業機會的觀點來看也極其重要，并且有望依靠新能源推進區域經濟活性化［3，4］。

固體氧化物燃料電池（SOFC）技術由于其出色的發電特性，已成為可以改變現代能源發電方式的新一代能源技術。SOFC 可以通過電化學反應將燃料的化學能直接轉換為電能，發電效率高，產物為水和二氧化碳，被廣泛認為是一種高效率的清潔能源發電技術。SOFC 呈三明治結構（見圖1），其陰極、電解質、陽極均為氧化物陶瓷材料［5］。

1 國內外發展情況

到目前為止，SOFC 技術經歷了從高溫（1000℃左右）到中低溫（500～850℃）、從管式到平板式的不同設計。Westinghouse 公司率先開發了大直徑管式SOFC 的研制，1997 年成功地展示了第一個高溫管式SOFC 發電站，并已積累了2 萬小時以上的運行經驗。國際上，日本、美國等國家的SOFC 產業已經較為成熟。自2008 年以來，日本的SOFC 技術發展迅猛，主要應用于家用燃料電池熱電聯供系統［6，7］。2016 年，日產公司發布了世界首款SOFC轎車，使用乙醇作為燃料，配備24 千瓦時的動力電池，續航600 公里。在美國，蘋果公司新總部大樓已經建成了10 兆瓦的SOFC 微電網系統；洛克希德馬丁公司的“潛行者”無人機主要采用SOFC 和鋰電池結合動力系統，空中飛行持續時間超過8 小時。國際知名SOFC 企業主要有日本三菱重工、京瓷、大阪煤氣、日立造船［8］，美國Bloom Energy、GE、洛克希德馬丁，英國Ceres Power，韓國KCERACELL、KOREA SOFC FORUM、HNPOWER 等。

圖1 固體氧化物燃料電池示意圖

在國內，SOFC 技術研發起步相對比較晚，企業大多處于研發和示范工程階段。主要企業有潮州三環、蘇州華清、寧波索福人、佛山索福克等公司，目前濰柴動力、中廣核集團、晉煤集團也開始進軍SOFC 行業。雖然企業較多，但只有潮州三環真正具備產業化能力。潮州三環是我國電子陶瓷領域的龍頭企業，從2004 年開始開展SOFC 相關技術的開發和量產工作，到目前為止，已經成為全球最大的SOFC 電解質隔膜供應商和歐洲市場上最大的SOFC 單電池供應商。

2018 年，全球SOFC 總出貨量約為3 萬件，對應功率規模為90 多兆瓦。出貨量的增加主要來自于日本家用燃料電池熱電聯供系統項目（ENEFARM），功率規模的增加主要來自于美國Bloom Energy 公司。我國潮州三環的電解質薄膜和單電池則主要供往歐洲市場。據日本富士經濟、賽瑞研究等機構預測，2025 年全球燃料電池系統的市場規模將達到三千億元，其中SOFC 所占份額不低于30%；2030 年市場規模將突破萬億。

2 SOFC 技術的優勢

SOFC 與常用的分布式發電設備相比，具有明顯的優勢［9～11］：

（1）安全環保。SOFC 采用全固態陶瓷結構，可有效避免液態電解液帶來的腐蝕和泄露問題，且不需要使用鉑等貴金屬催化劑，成本低；此外，SOFC 的反應產物僅為CO2和H2O，水蒸氣的冷凝可用于捕集CO2氣體，并實現幾乎零的CO2排放。

（2）發電效率高。SOFC 可以通過電化學反應將燃料的化學能直接轉換為電能，不受卡諾循環效率限制，電效率可達到55%［12］，高效率優勢明顯。作為分布式能源電源，SOFC 可以安裝在負載中心附近，以避免電網的長距離傳輸和配電損耗。

（3）燃料選擇廣泛。SOFC 可使用經脫硫和粉塵顆粒后的化工副產氫，或者天然氣、甲烷、甲醇、碳、沼氣等作為燃料。SOFC 具有較高的工作溫度，可以催化燃料中的含碳化合物重整為H2和CO 后發電，不會被CO 毒化，實現燃料的清潔利用。

（4）余熱利用率高。SOFC 發電產生余熱，可實現熱電聯供，熱電聯動發電效率高達80%。

3 展望

經濟社會不斷發展，我國對能源的需求日益增大，并且面臨著嚴重的環境問題，因此，SOFC 技術具有非常廣闊的應用市場前景，隨著研究不斷地突破，SOFC 已經在發電站、微型電源等方面開始應用［13］。

（1）分散式小型發電站：以系統運營者的調整能力，提供削減能源成本，避免再生能源的輸出抑制。例如，隨著電動汽車的普及，充電站的電力需求對電網造成很大的沖擊，壓力越來越大，SOFC可為充電樁的供電提供有力的支撐和補充。

（2）分布式能源：SOFC 具有發電效率高、性能穩定、無排放、安裝位置靈活等優勢，利用精細陶瓷技術，制備小型SOFC，可應用于便攜和移動電源。日本NEDO 計劃支持的“燃料電池陶瓷微反應器”項目，開發了0.3-2mm 直徑的微管式固體氧化物燃料電池（MT-SOFC），用于小型熱電聯供裝置（CHP）；英國伯明翰大學Kendall 教授及Adlan公司，開展MT-SOFC 在旅行車、助力車以及無人駕駛飛機上的研發。

（3）數據中心：對于大型固定應用，SOFC 的作用越來越重要。Bloom Energy 的SOFC 發電系統可為數據中心提供獨立于電網、高度穩定的電力。2012 年，其 產 品 已 被 蘋 果、eBay、AT&T 和NTT America 訂購的量分別為：5MW、6MW、7.5MW 和2.5MW。目前，Bloom Energy 正在美國東海岸的Newark 建造一個新的生產線，這將在其加州的生產規模基礎上，使產能再擴大一倍。

SOFC 政策及產業導向明確。國家高度重視氫能源和SOFC 技術發展，先后出臺了《中國制造2025-能源裝備實施方案》、《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030）》、《重點研發計劃可再生能源專項》等文件，提出大力發展“氫能與燃料電池創新技術”、“包括PEMFC、SOFC 在內的發電技術”。淄博市人民政府也于2018 年發布了《淄博市新舊動能轉換重大工程實施規劃》，提出“加快燃料電池和儲能行業的技術攻關”、“建設國內知名氫能源基地”。

SOFC 的研究及應用取得了很大進展，但也存在一些技術方面的難題。首先，結合國內現有技術，SOFC 需要在1000 度左右高溫下運行，造成電池裝備封裝困難、性能不穩定、運行成本高等問題，需要降低SOFC 的工作溫度（500-800℃），引進或開發適用于中溫SOFC 的新材料體系；其次，SOFC 包括陶瓷電堆、燃料供應、處理模塊、溫控模塊、電氣模塊等，需要整合不同行業技術進行產品設計集成，產品規模化、產業化難度較大。

預計未來幾年，隨著產業發展和國家的逐步重視，將出臺更多支持SOFC 的政策，同時引導產業鏈上的企業關注和投入，有實力的資源整合單位將繼續介入，共同推動SOFC 的發展，實現我國能源的清潔利用。