固體氧化物燃料電池的研究進(jìn)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(guó)綜合實(shí)力的不斷提升，推動(dòng)了人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)和現(xiàn)代文明高速發(fā)展，也帶來(lái)了嚴(yán)峻的能源和水質(zhì)惡化、空氣污染、土壤破壞等環(huán)境問(wèn)題。在現(xiàn)代化和工業(yè)化向前推進(jìn)過(guò)程中，絕大多數(shù)的能量轉(zhuǎn)化都是通過(guò)熱機(jī)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱機(jī)工作運(yùn)行過(guò)程受到卡諾循環(huán)條件的嚴(yán)重限制，在能量轉(zhuǎn)化中熱能效率相對(duì)較低，能源消耗浪費(fèi)也變得比較嚴(yán)重［1，2］，大大降低了整體產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，而且產(chǎn)生大量的粉塵、二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物等有害物質(zhì)，從而直接導(dǎo)致自然大氣污染、水質(zhì)環(huán)境污染、土壤土質(zhì)污染等問(wèn)題，使人類的生存環(huán)境受到嚴(yán)重威脅。因此，除了通過(guò)能源多樣化來(lái)強(qiáng)化能源安全保障、創(chuàng)造低碳社會(huì)之外，從新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)造和擴(kuò)大就業(yè)機(jī)會(huì)的觀點(diǎn)來(lái)看也極其重要，并且有望依靠新能源推進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)活性化［3，4］。

固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)由于其出色的發(fā)電特性，已成為可以改變現(xiàn)代能源發(fā)電方式的新一代能源技術(shù)。SOFC 可以通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電效率高，產(chǎn)物為水和二氧化碳，被廣泛認(rèn)為是一種高效率的清潔能源發(fā)電技術(shù)。SOFC 呈三明治結(jié)構(gòu)（見圖1），其陰極、電解質(zhì)、陽(yáng)極均為氧化物陶瓷材料［5］。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

到目前為止，SOFC 技術(shù)經(jīng)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(shè)計(jì)。Westinghouse 公司率先開發(fā)了大直徑管式SOFC 的研制，1997 年成功地展示了第一個(gè)高溫管式SOFC 發(fā)電站，并已積累了2 萬(wàn)小時(shí)以上的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。國(guó)際上，日本、美國(guó)等國(guó)家的SOFC 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)較為成熟。自2008 年以來(lái)，日本的SOFC 技術(shù)發(fā)展迅猛，主要應(yīng)用于家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)［6，7］。2016 年，日產(chǎn)公司發(fā)布了世界首款SOFC轎車，使用乙醇作為燃料，配備24 千瓦時(shí)的動(dòng)力電池，續(xù)航600 公里。在美國(guó)，蘋果公司新總部大樓已經(jīng)建成了10 兆瓦的SOFC 微電網(wǎng)系統(tǒng)；洛克希德馬丁公司的“潛行者”無(wú)人機(jī)主要采用SOFC 和鋰電池結(jié)合動(dòng)力系統(tǒng)，空中飛行持續(xù)時(shí)間超過(guò)8 小時(shí)。國(guó)際知名SOFC 企業(yè)主要有日本三菱重工、京瓷、大阪煤氣、日立造船［8］，美國(guó)Bloom Energy、GE、洛克希德馬丁，英國(guó)Ceres Power，韓國(guó)KCERACELL、KOREA SOFC FORUM、HNPOWER 等。

圖1 固體氧化物燃料電池示意圖

在國(guó)內(nèi)，SOFC 技術(shù)研發(fā)起步相對(duì)比較晚，企業(yè)大多處于研發(fā)和示范工程階段。主要企業(yè)有潮州三環(huán)、蘇州華清、寧波索福人、佛山索?？说裙?，目前濰柴動(dòng)力、中廣核集團(tuán)、晉煤集團(tuán)也開始進(jìn)軍SOFC 行業(yè)。雖然企業(yè)較多，但只有潮州三環(huán)真正具備產(chǎn)業(yè)化能力。潮州三環(huán)是我國(guó)電子陶瓷領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，從2004 年開始開展SOFC 相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和量產(chǎn)工作，到目前為止，已經(jīng)成為全球最大的SOFC 電解質(zhì)隔膜供應(yīng)商和歐洲市場(chǎng)上最大的SOFC 單電池供應(yīng)商。

2018 年，全球SOFC 總出貨量約為3 萬(wàn)件，對(duì)應(yīng)功率規(guī)模為90 多兆瓦。出貨量的增加主要來(lái)自于日本家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)項(xiàng)目（ENEFARM），功率規(guī)模的增加主要來(lái)自于美國(guó)Bloom Energy 公司。我國(guó)潮州三環(huán)的電解質(zhì)薄膜和單電池則主要供往歐洲市場(chǎng)。據(jù)日本富士經(jīng)濟(jì)、賽瑞研究等機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2025 年全球燃料電池系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到三千億元，其中SOFC 所占份額不低于30%；2030 年市場(chǎng)規(guī)模將突破萬(wàn)億。

2 SOFC 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

SOFC 與常用的分布式發(fā)電設(shè)備相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)［9～11］：

（1）安全環(huán)保。SOFC 采用全固態(tài)陶瓷結(jié)構(gòu)，可有效避免液態(tài)電解液帶來(lái)的腐蝕和泄露問(wèn)題，且不需要使用鉑等貴金屬催化劑，成本低；此外，SOFC 的反應(yīng)產(chǎn)物僅為CO2和H2O，水蒸氣的冷凝可用于捕集CO2氣體，并實(shí)現(xiàn)幾乎零的CO2排放。

（2）發(fā)電效率高。SOFC 可以通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不受卡諾循環(huán)效率限制，電效率可達(dá)到55%［12］，高效率優(yōu)勢(shì)明顯。作為分布式能源電源，SOFC 可以安裝在負(fù)載中心附近，以避免電網(wǎng)的長(zhǎng)距離傳輸和配電損耗。

（3）燃料選擇廣泛。SOFC 可使用經(jīng)脫硫和粉塵顆粒后的化工副產(chǎn)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(fā)電，不會(huì)被CO 毒化，實(shí)現(xiàn)燃料的清潔利用。

（4）余熱利用率高。SOFC 發(fā)電產(chǎn)生余熱，可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，熱電聯(lián)動(dòng)發(fā)電效率高達(dá)80%。

3 展望

經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求日益增大，并且面臨著嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，因此，SOFC 技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)前景，隨著研究不斷地突破，SOFC 已經(jīng)在發(fā)電站、微型電源等方面開始應(yīng)用［13］。

（1）分散式小型發(fā)電站：以系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者的調(diào)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(dòng)汽車的普及，充電站的電力需求對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊，壓力越來(lái)越大，SOFC可為充電樁的供電提供有力的支撐和補(bǔ)充。

（2）分布式能源：SOFC 具有發(fā)電效率高、性能穩(wěn)定、無(wú)排放、安裝位置靈活等優(yōu)勢(shì)，利用精細(xì)陶瓷技術(shù)，制備小型SOFC，可應(yīng)用于便攜和移動(dòng)電源。日本NEDO 計(jì)劃支持的“燃料電池陶瓷微反應(yīng)器”項(xiàng)目，開發(fā)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(lián)供裝置（CHP）；英國(guó)伯明翰大學(xué)Kendall 教授及Adlan公司，開展MT-SOFC 在旅行車、助力車以及無(wú)人駕駛飛機(jī)上的研發(fā)。

（3）數(shù)據(jù)中心：對(duì)于大型固定應(yīng)用，SOFC 的作用越來(lái)越重要。Bloom Energy 的SOFC 發(fā)電系統(tǒng)可為數(shù)據(jù)中心提供獨(dú)立于電網(wǎng)、高度穩(wěn)定的電力。2012 年，其 產(chǎn) 品 已 被 蘋 果、eBay、AT&T 和NTT America 訂購(gòu)的量分別為：5MW、6MW、7.5MW 和2.5MW。目前，Bloom Energy 正在美國(guó)東海岸的Newark 建造一個(gè)新的生產(chǎn)線，這將在其加州的生產(chǎn)規(guī)?；A(chǔ)上，使產(chǎn)能再擴(kuò)大一倍。

SOFC 政策及產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向明確。國(guó)家高度重視氫能源和SOFC 技術(shù)發(fā)展，先后出臺(tái)了《中國(guó)制造2025-能源裝備實(shí)施方案》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030）》、《重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃可再生能源專項(xiàng)》等文件，提出大力發(fā)展“氫能與燃料電池創(chuàng)新技術(shù)”、“包括PEMFC、SOFC 在內(nèi)的發(fā)電技術(shù)”。淄博市人民政府也于2018 年發(fā)布了《淄博市新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大工程實(shí)施規(guī)劃》，提出“加快燃料電池和儲(chǔ)能行業(yè)的技術(shù)攻關(guān)”、“建設(shè)國(guó)內(nèi)知名氫能源基地”。

SOFC 的研究及應(yīng)用取得了很大進(jìn)展，但也存在一些技術(shù)方面的難題。首先，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)，SOFC 需要在1000 度左右高溫下運(yùn)行，造成電池裝備封裝困難、性能不穩(wěn)定、運(yùn)行成本高等問(wèn)題，需要降低SOFC 的工作溫度（500-800℃），引進(jìn)或開發(fā)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(yīng)、處理模塊、溫控模塊、電氣模塊等，需要整合不同行業(yè)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)集成，產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化難度較大。

預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)家的逐步重視，將出臺(tái)更多支持SOFC 的政策，同時(shí)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)關(guān)注和投入，有實(shí)力的資源整合單位將繼續(xù)介入，共同推動(dòng)SOFC 的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源的清潔利用。