一、SOFC(SolidOxideFuelCell)工作原理

1、燃料電池劃分

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒過程直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料如氫氣、天然氣等和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置。就燃料電池本身來說，其主要是通過電解質(zhì)區(qū)分，如上圖所示。

2、SOFC工作原理

SOFC的工作原理如下圖所示。在SOFC的陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣（H2、CO、CH4等），具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧化劑（空氣），具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，使O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢的作用下，O2-進入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極，形成電流。

SOFC工作原理

3、SOFC的優(yōu)點

相對于其他燃料電池，因SOFC采用全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)，從而避免了使用液態(tài)電解質(zhì)帶來的腐蝕和電解液流失等問題；

對燃料的適應(yīng)性廣，氫氣、天然氣、煤氣、液化石油氣等氣體以及甲醇、乙醇都可以作為燃料；

超過800℃的工作溫度，配合熱汽輪機將熱廢氣進行有效利用，可以使能量轉(zhuǎn)換率至少達到60%以上；

高溫操作提高了電化學(xué)反應(yīng)速率，降低活化極化電勢，無需鉑等貴金屬作為催化劑；

可高度模塊化，總裝機容量、安裝位置靈活方便等。

正是由于SOFC具有以上的諸多優(yōu)點，因而受到了世界各國的廣泛關(guān)注，并投入大量經(jīng)費進行開發(fā)研究。

二、SOFC結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，SOFC主要有兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計方式：管式（tubular）和平板式（planar）。

1、管式

管式結(jié)構(gòu)是最早發(fā)展的一種形式，也是目前較為成熟的一種形式。單電池由一端封閉、一端開口的管子構(gòu)成。最內(nèi)層是多孔支撐管，由里向外依次是陽極、電解質(zhì)和陰極薄膜。燃料從管芯輸入，空氣通過管子外壁供給。管式SOFC電池堆單體自由度大，不易開裂；采用多孔陶瓷作為支撐體，結(jié)構(gòu)堅固；電池組裝相對簡單，容易通過電池單元之間并聯(lián)和串聯(lián)組合成大功率的電池組。但是管式SOFC電極之間的間距大，電流通過電池的路徑較長，內(nèi)阻損失大，因此相應(yīng)的功率密度較低。

管式SOFC

2、平板式

平板式結(jié)構(gòu)的幾何形狀簡單，由陽極、電解質(zhì)、陰極薄膜組成單體電池，兩邊帶槽的連接體連接相鄰陰極和陽極，并在兩側(cè)提供氣體通道，同時隔開兩種氣體。平板式SOFC電池結(jié)構(gòu)和制備工藝簡單，從而可以大大降低制造成本。但是平板式SOFC電池組件邊緣要求進行密封來隔離氧化氣和燃料氣；對雙極連接板材料要求很高，需要與電極材料熱匹配、具有良好的抗高溫氧化性能和導(dǎo)電性能。

平板式SOFC

三、SOFC發(fā)電系統(tǒng)

SOFC混合分布式發(fā)電系統(tǒng)

上圖為SOFC與微型燃氣輪機（MGT）、蒸汽機（ST）構(gòu)成的一種混合分布式發(fā)電系統(tǒng)。SOFC/MGT/ST混合發(fā)電系統(tǒng)由燃料處理系統(tǒng)、電池堆、余熱利用系統(tǒng)以及直交流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，發(fā)電效率高達70%以上。

具體工作過程為天然氣經(jīng)過加壓和脫硫處理后被系統(tǒng)廢熱加熱，與利用電池堆余熱加熱的水蒸汽混合輸入電池堆的陽極。高溫的潔凈天然氣和水蒸氣在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生H2。常溫的空氣經(jīng)壓縮后由燃燒器的高溫排氣加熱到電堆入口溫度后輸入到電池堆的陰極。電堆內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能和熱能。陽極與陰極排氣（未反應(yīng)完燃料和空氣）進入燃燒室燃燒，燃燒室的排氣在將天然氣和空氣加熱到電池堆的入口溫度后，進入燃氣輪機做功，輸出電能。由于廢氣溫度很高，經(jīng)過燃氣輪機排出的廢氣也有較高的溫度，這部分廢氣通過余熱回收蒸汽發(fā)生器，將冷凝水加熱升溫產(chǎn)生大量蒸汽帶動蒸汽機轉(zhuǎn)動，再次輸出電能。經(jīng)過余熱回收蒸汽發(fā)生器的廢氣溫度大幅降低，并排入大氣中。

四、SOFC成本

成本一直是限制SOFC推廣應(yīng)用的一個關(guān)鍵性因素。美國能源部固態(tài)能量轉(zhuǎn)換聯(lián)盟（SolidStateEnergyConversionAlliance，SECA）從2001開始投入SOFC研發(fā)，在單電池性能、功率密度、可靠性和先進制造技術(shù)上取得上重大進展，SOFC電池堆成本與2001相比降低了10倍以上，如下圖所示。

SECA-SOFC成本下降趨勢

五、SOFC的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

SOFC具有工作溫度高、發(fā)電效率高、全固態(tài)、易于模塊化組裝等特點，非常適用于分布式發(fā)電/熱電聯(lián)供系統(tǒng)和作為汽車、輪船等交通工具的動力電源。

1、分布式發(fā)電/熱電聯(lián)供系統(tǒng)

西門子西屋電力公司

1986年，西門子西屋電力公司研發(fā)的400W管式SOFC電池組在美國田納西州運行成功；1987年，又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了3kW級管式SOFC發(fā)電機組，成功地進行連續(xù)運行試驗長達5000h，標(biāo)志著SOFC研究從實驗研究向商業(yè)發(fā)展；1998年，該公司研發(fā)的100kW管式SOFC電站在荷蘭運行；1992年，2臺25kW管型SOFC分別在日本大阪、美國南加州進行了幾千小時實驗運行；2000年，該公司設(shè)計制造了世界上第一臺220kW的SOFC/GT聯(lián)合循環(huán)電站。

西門子-西屋電力公司的220kW的SOFC/GT聯(lián)合循環(huán)電站

日本NEDO，ENE-FARMtypeS項目

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）于2011年開發(fā)出全球首個商業(yè)化的SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)（ENE-FARMtypeS）。該系統(tǒng)由發(fā)電單元和利用廢熱的熱水供暖單元組成，輸出功率為700W，發(fā)電效率為46.5％，綜合能源利用效率高達90.0%，工作時的溫度為700～750℃，在用作家庭基礎(chǔ)電源的同時，還可以利用廢熱用作熱水器或供暖器。

SOFC日本ENE-FARMtypeS系統(tǒng)

三菱重工

三菱重工于1984年開始開發(fā)SOFC技術(shù)。1986-1989年，與東京電力株式會社合作研制管式SOFC電池堆；1991年，運行了1kW的SOFC電池堆，運行時間1000h；1993年，三菱重工研制新型1kW的SOFC電池堆，并成功運行了3000h；1996年，10kW常壓SOFC連續(xù)運行5000h。2001年，三菱重工與電力開發(fā)株式會社共同開發(fā)成功10kW級的加壓管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)以天然氣為燃料，采用內(nèi)部重整方式，連續(xù)工作超過755h。該10kW系統(tǒng)在64A的設(shè)計電流運行時，其電輸出功率為10.2kW，發(fā)電效率為41.5％（HHV），當(dāng)電流為80A時，系統(tǒng)電輸出功率可達到11.5kW；2013年，三菱重工的200kW的SOFC+MGT復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)在東京燃氣的千住科技中心內(nèi)運轉(zhuǎn)連續(xù)運轉(zhuǎn)4000多小時，該系統(tǒng)的工作溫度約為900℃，發(fā)電效率為50.2％（LHV）。

三菱重工200kW的SOFC+MGT復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)

Bloomenergy

BloomEnergy是美國一家致力于清潔能源的公司，成立于2001年，總部位于加州森尼韋爾。公司主要生產(chǎn)SOFC分布式電源。主要產(chǎn)品有ES5、ES-5700、ES5710等。BloomEnergy已經(jīng)為美國Google、eBay、Wal-Mart等公司提供了超過100套的SOFC系統(tǒng)。

BloomEnergySOFC系統(tǒng)安裝于eBay數(shù)據(jù)中心

寧波索福人能源技術(shù)有限公司

寧波索福人能源創(chuàng)立于2014年，是一家從事SOFC發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)的高科技公司。主要產(chǎn)品有ASC30電堆（700W）、ASC30電堆（2kW）、ASC60電堆等。

蘇州華清京昆新能源科技有限公司

華清新能源創(chuàng)建于2010年，主要業(yè)務(wù)包括能源新技術(shù)、新材料技術(shù)產(chǎn)品等，與SOFC相關(guān)的具體產(chǎn)品SOFC單電池、電堆、發(fā)電系統(tǒng)和千瓦級測試系統(tǒng)等，其中電堆主要有HS-101型、HS-102型、HS-102型等。

2、動力電源

不久前，日產(chǎn)發(fā)布了世界上首款以SOFC動力系統(tǒng)驅(qū)動的燃料電池原型車。該車基于日產(chǎn)e-NV200研發(fā)打造，采用了酶生物燃料電池（e-BioFuel-Cell）技術(shù)，利用SOFC動力系統(tǒng)將貯存的生物乙醇轉(zhuǎn)化為電能給汽車提供動力，續(xù)航里程超過600公里。目前，該原型車正在巴西公路上進行進一步的實地測試，日產(chǎn)也計劃在2020年將乙醇SOFC電動車商業(yè)化。

日產(chǎn)SOFC電動車的最大亮點是所用的燃料是液體生物乙醇而不是氫氣。考慮到加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后和高昂的建造成本，以及乙醇在制造、運輸、儲存上相對于氫氣更加便宜、便捷和安全，乙醇SOFC電動車有可能打破氫質(zhì)子交換膜燃料電池車的“壟斷”，成為打開全球市場的主力軍。

日產(chǎn)SOFC電動車動力系統(tǒng)

六、SOFC的展望

以美國、日本為首，對SOFC領(lǐng)域持續(xù)投入了巨額資金，培育了如BloomEnergy、三菱重工等眾多優(yōu)秀企業(yè)。與國外相比，我國SOFC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遠遠滯后，國家的投入力度也遠遠不及國外。在國家政策層面上，因缺少具體的實施路線和目標(biāo)節(jié)點，SOFC在中國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，任務(wù)艱巨困難，需要業(yè)內(nèi)人士的共同努力。