中高溫固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)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(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

王 雅，王 傲

（武漢船用電力推進(jìn)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(shù)的基本情況，著重介紹了國外固體氧化物燃料電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了固體氧化物燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)，及其在城市/家庭熱電聯(lián)供、移動(dòng)/固定式電站、與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電及船舶等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并對(duì)我國固體氧化物燃料電池的發(fā)展思路進(jìn)行了分析。

固體氧化物燃料電池 熱電聯(lián)供 產(chǎn)業(yè)鏈

0 引言

燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)直接將燃料和氧化劑中的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰哭D(zhuǎn)化裝置，具有高效、清潔、安靜及模塊化等優(yōu)點(diǎn)。在高效、清潔能源的時(shí)代背景下，燃料電池是非常理想的能量轉(zhuǎn)化裝置，是能源終端應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，被視為“后石油時(shí)代”的能源解決方案之一。燃料電池根據(jù)電解質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）及固體氧化物燃料電池（SOFC）。

傳統(tǒng)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(kuò)散嚴(yán)重、材料間熱匹配困難等問題，使得對(duì)SOFC組件的要求較高，導(dǎo)致成本較高。隨著SOFC技術(shù)的發(fā)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(zhì)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(cè)通入空氣作為氧化劑，陽極側(cè)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(zhì)則有利于在空間上隔離空氣與燃料氣。在陰極側(cè)，O2擴(kuò)散到陰極材料活性位，經(jīng)過吸附解離過程后得到電子成為O2-，O2-在電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度差的驅(qū)動(dòng)下由其內(nèi)部的氧空位定向傳導(dǎo)至陽極，將陽極還原性氣體氧化為H2O（燃料若含碳?xì)浠衔铮瑒t產(chǎn)物含有CO2），并釋放自由電子。自由電子在電化學(xué)勢(shì)的作用下通過外電路，驅(qū)動(dòng)負(fù)載對(duì)外界做功，并傳導(dǎo)至陰極參與氧的還原反應(yīng)。整個(gè)反應(yīng)過程中，自由電子是通過外電路傳遞的，故只有當(dāng)外電路接通時(shí)才能完成SOFC整體反應(yīng)。

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(yīng)性廣、全固態(tài)結(jié)構(gòu)、不存在貴金屬中毒及復(fù)雜水管理等優(yōu)點(diǎn)，并可熱電聯(lián)供及混合發(fā)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(lián)供、移動(dòng)式與分布式電站、輔助動(dòng)力裝置及混合式發(fā)電等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。目前，全球各國都已在各個(gè)領(lǐng)域開展固體氧化物燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究，并取得非常大的成功，形成規(guī)?；娜剂想姵禺a(chǎn)業(yè)鏈。

1 固體氧化物燃料電池技術(shù)簡介

1.1 國外固體氧化物燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

出于對(duì)未來能源戰(zhàn)略、國家安全和環(huán)境保護(hù)的考慮，世界上許多國家，尤其是發(fā)達(dá)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(fā)計(jì)劃，力求在2020年前后促成SOFC技術(shù)的規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。1999年，美國能源部啟動(dòng)了稱之為SECA（Solid State Energy Conversion Alliance）的研發(fā)計(jì)劃，集政府、公司、大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)室于一體，加速推進(jìn)SOFC技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，從而帶來了SOFC技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代。SECA的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)400美元/kW，年產(chǎn)5萬套工作壽命長達(dá)4萬小時(shí)的3～10 kW的發(fā)電系統(tǒng)。2005年，美國重啟“Future Gen”計(jì)劃，在SECA計(jì)劃技術(shù)基礎(chǔ)上，增加投資，開發(fā)適用于碳基燃料的SOFC發(fā)電系統(tǒng)，將SOFC技術(shù)納入煤清潔利用的范疇，爭(zhēng)取建成百M(fèi)W級(jí)的“綠色發(fā)電廠”。美國kW至百kW級(jí)SOFC發(fā)電系統(tǒng)正在無人機(jī)、深潛器、移動(dòng)電源和固定電站等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行示范運(yùn)行，極大地推動(dòng)了SOFC技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

迄今為止，美國Bloom Energy公司在平板式SOFC上的技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。該公司主要生產(chǎn)制備電解質(zhì)支撐SOFC，推出產(chǎn)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(fā)電效率為52-60%，可實(shí)現(xiàn)每年365天長期持續(xù)供電。該公司已累計(jì)安裝120MW SOFC發(fā)電系統(tǒng)，其客戶包括Google、WalMart、Apple及Adobe等企業(yè)及政府部門。圖2所示為該公司的250 kW Energy Server 5 SOFC發(fā)電系統(tǒng)外觀圖。

圖2 美國Bloom Energy公司研發(fā)代號(hào)Energy Server 5的250kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)外觀圖

在歐洲，歐盟制定了SOFC600、Real SOFC及Ene. Field等多個(gè)SOFC技術(shù)項(xiàng)目的研發(fā)計(jì)劃，包括了澳大利亞、芬蘭、德國、英國、荷蘭和瑞士等多個(gè)國家，研究涉及SOFC關(guān)鍵材料、單電池、電堆及系統(tǒng)等多個(gè)層面。2017年10月11日，歐盟能源項(xiàng)目（Ene.filed）在比利時(shí)布魯塞爾舉行了最后的宣傳活動(dòng)。該項(xiàng)目在歐盟10個(gè)國家成功安裝、運(yùn)行并維護(hù)了超過1000個(gè)燃料電池（PEM與SOFC）解決方案實(shí)例，是歐盟最大的燃料電池現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)微型熱電聯(lián)產(chǎn)計(jì)劃，并期望在2020年前加大投資至1.4億歐元，安裝2500多臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，實(shí)現(xiàn)SOFC微熱電聯(lián)產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化與大規(guī)模商業(yè)化。在活動(dòng)中，歐盟能源項(xiàng)目得出結(jié)論，燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)將作為未來能源系統(tǒng)關(guān)鍵能源解決方案的一部分，并強(qiáng)調(diào)需要制定正確的政策框架，以便在歐洲廣泛部署該技術(shù)，為歐洲消費(fèi)者提供更清潔、可靠、再生的能源系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)歐盟氣候和能源轉(zhuǎn)型。

德國Sunfire公司推出的25 kW SOFC動(dòng)力系統(tǒng)如圖3所示，發(fā)電效率大于50%，熱電聯(lián)產(chǎn)后能量綜合利用率已超過80%。可通過對(duì)多組SOFC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行串并聯(lián)組合將功率等級(jí)擴(kuò)展至500 kW。該公司50 kW SOFC系統(tǒng)已于2016年提供給ThyssenKrupp Marine Systems公司在海上測(cè)試使用，減少由化石燃料的燃燒及有毒氣體排放。同時(shí)，該公司2臺(tái)25 kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)已在臺(tái)灣進(jìn)行示范運(yùn)行。

日本燃料電池技術(shù)的研究較早，并且投入較大。在1999年宣布千禧計(jì)劃后，呼吁引進(jìn)燃料電池技術(shù)并作為下一代技術(shù)發(fā)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(xiàng)目，于2005-2008年實(shí)現(xiàn)了大范圍的固定式燃料電池示范項(xiàng)目，開始進(jìn)行用戶租賃、安裝及數(shù)據(jù)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(chuàng)新技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，日本推出了Ene-Farm計(jì)劃，Tokyo Gas、Osaka Gas、Toto、Kyocera等多個(gè)公司參與其中，致力于700 W級(jí)家用PEM與SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用推廣，至今已裝備數(shù)萬個(gè)家庭。該項(xiàng)目已經(jīng)支持部署了超過120000套家用燃料電池設(shè)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(fèi)用下降50000～60000日元，減少每年CO2排放量1.3噸。日本Ene-Farm項(xiàng)目可以說是世界上最為成功的燃料電池商業(yè)化項(xiàng)目。圖4所示為日本700W家用SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)外觀圖。

日本Nissan公司于2016年8月在巴西發(fā)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(shí)的蓄電池進(jìn)行充電，累計(jì)續(xù)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(duì)于管式SOFC的開發(fā)由來已久。該公司于2013年9月，研發(fā)出了200千瓦管式SOFC與微型燃?xì)廨啓C(jī)混合聯(lián)用系統(tǒng)。以天然氣為燃料，LHV下的電效應(yīng)達(dá)到50.2%，運(yùn)行超過4000小時(shí)。并于2017年推出了代號(hào)為Hybrid-FC的250kW SOFC與微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化產(chǎn)品，外觀圖如圖6所示，系統(tǒng)整體效率為65%。該聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)已在日本五個(gè)城市進(jìn)行了長期的示范運(yùn)行。

圖4 日本推出的700 W家用SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)

圖5 日本Nissan公司推出的SOFC增程型動(dòng)力汽車及原理示意圖

1.2 國內(nèi)固體氧化物燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

我國最早關(guān)于SOFC的研究始于1970年代?！熬盼濉币詠?，在科技部，國家、發(fā)改委、基金委、科學(xué)院、教育部以及地方政府的資助下，華中科技大學(xué)、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(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)等多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在SOFC關(guān)鍵材料與合成工藝、單電池制備、電堆組裝與測(cè)試、系統(tǒng)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(xué)實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首臺(tái)5 kW級(jí)SOFC獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的集成與初始運(yùn)行。國內(nèi)寧波索福人能源技術(shù)有限公司已對(duì)外出售陽極支撐及電解質(zhì)支撐的平板式SOFC，單個(gè)電堆功率等級(jí)為500 W至2 kW，為我國的SOFC研發(fā)與商業(yè)化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖6 日本三菱重工公司開發(fā)250kW SOFC與微型燃?xì)廨啓C(jī)混合聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

可以看出，我國SOFC研發(fā)總體水平與美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平存在不小差距，尤其在輸出總功率、發(fā)電效率、電堆設(shè)計(jì)與裝配及系統(tǒng)集成方面差距較大；而且運(yùn)行壽命較短，啟停時(shí)間較長，性能穩(wěn)定性有待提高。國內(nèi)目前尚未有成熟的大功率SOFC電池堆及發(fā)電系統(tǒng)的示范運(yùn)行，這也反應(yīng)了我國SOFC技術(shù)的發(fā)展顯得尤為迫切。

2 固體氧化物燃料電池技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景分析

目前，世界各國均致力于將SOFC的工作溫度進(jìn)一步降低，從而能降低相關(guān)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(fā)滿足性能指標(biāo)的新材料體系，包括電極功能層，電解質(zhì)功能層、界面接觸材料及連接體等，特別是SOFC電解質(zhì)材料。中高溫SOFC最為常用的電解質(zhì)材料主要有氧化釔穩(wěn)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(zhì)也有相關(guān)應(yīng)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(zhì)隨著工作溫度的進(jìn)一步降低，其氧離子導(dǎo)電率已不能滿足SOFC性能需求。故研發(fā)新體系材料對(duì)中低溫SOFC的發(fā)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(zhì)高，不僅可以進(jìn)行熱電聯(lián)供，還可與燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽機(jī)等進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電，這使得SOFC發(fā)電系統(tǒng)在分布式功能及水面船舶等應(yīng)用領(lǐng)域具有非常大的前景。SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電原理圖如圖7所示。

圖7 SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電總能系統(tǒng)示意圖

SOFC發(fā)電系統(tǒng)因不涉及化學(xué)燃燒及機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)等過程，故其在分布式供能與水面船舶等領(lǐng)域相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)類具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)：

1）能量轉(zhuǎn)化效率高

SOFC工作溫度較高，反應(yīng)過程簡單,不像傳統(tǒng)的發(fā)電裝置需要經(jīng)過許多中間的轉(zhuǎn)化過程,大大降低了能源轉(zhuǎn)換過程中的不可逆損失，可實(shí)現(xiàn)50～65%的高效發(fā)電。其尾氣具有很高的余熱利用價(jià)值，若與燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽機(jī)混合聯(lián)用，其效率可達(dá)80%～95%。相比較熱氣機(jī)的實(shí)際效率（30%～32%）、閉式循環(huán)汽輪機(jī)的實(shí)際效率（約25%），在相同電負(fù)荷下，燃料電池發(fā)電效率遠(yuǎn)高于燃燒發(fā)電機(jī)。

2）燃料適應(yīng)性強(qiáng)、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(shí)SOFC也不需考慮CO對(duì)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(zhì)氣氣體、柴油重整氣及其他碳?xì)浠衔镏卣麣獾龋慌c傳統(tǒng)的燃燒發(fā)電方式相比，SOFC技術(shù)極大地降低了燃料的能量損失和對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染。

3）模塊組合、布置靈活、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

SOFC模塊所構(gòu)成材料全是固體組件，電池外形設(shè)計(jì)具有靈活性，可以單獨(dú)或多個(gè)模塊組合使用。全封閉系統(tǒng)、不存在蒸發(fā)、腐蝕、電解液流失及復(fù)雜水管理等問題，具有足夠的高溫化學(xué)穩(wěn)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(qiáng)的適應(yīng)性。

4）系統(tǒng)穩(wěn)定性高

傳統(tǒng)電站增加發(fā)電容量時(shí)，變電設(shè)備必須升級(jí)，否則會(huì)使整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性降低。而SOFC獨(dú)立發(fā)電電站則無需將變電設(shè)備升級(jí)，必要時(shí)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(jìn)而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。與其他燃料電池相比，SOFC發(fā)電系統(tǒng)簡單，可發(fā)展為大規(guī)模設(shè)備，用途廣泛。

3 結(jié)論

固體氧化物燃料電池技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、燃料適應(yīng)性廣，清潔等優(yōu)點(diǎn)，成為清潔和高效新能源發(fā)電技術(shù)的理想方案之一。隨著SOFC燃料電池技術(shù)的日趨成熟，世界各國在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)示范應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)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(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，已形成相對(duì)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，尤以美國、歐盟、日本及韓國為主。

我國SOFC燃料電池技術(shù)的發(fā)展在確保能源安全、減少碳排放環(huán)境保護(hù)等方面具有重大意義。然而我國相關(guān)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家依然存在較大差距，在自主研發(fā)上投入亟待加大。因此，我國有必要借鑒世界各國SOFC技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，建立健全配套機(jī)制，制定相對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，大力開展SOFC燃料電池技術(shù)在分布式供能等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和示范應(yīng)用項(xiàng)目，推動(dòng)SOFC技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，確保我國在新能源經(jīng)濟(jì)中的國際競(jìng)爭(zhēng)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。