中高温固体氧化物燃料电池发电系统发展现状及展望

王 雅，王 傲



中高温固体氧化物燃料电池发电系统发展现状及展望

王 雅，王 傲

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文概述了中高温固体氧化物燃料电池技术的基本情况，着重介绍了国外固体氧化物燃料电池技术的发展现状，展望了固体氧化物燃料电池的发展趋势，及其在城市/家庭热电联供、移动/固定式电站、与燃气轮机联合发电及船舶等领域的应用前景，并对我国固体氧化物燃料电池的发展思路进行了分析。

固体氧化物燃料电池 热电联供 产业链

0 引言

燃料电池是一种通过电化学反应直接将燃料和氧化剂中的内能转变为电能的能量转化装置，具有高效、清洁、安静及模块化等优点。在高效、清洁能源的时代背景下，燃料电池是非常理想的能量转化装置，是能源终端应用的关键技术，被视为“后石油时代”的能源解决方案之一。燃料电池根据电解质类型的不同，可分为五种类型:碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）及固体氧化物燃料电池（SOFC）。

传统SOFC是指工作温度在900-1000℃的高温SOFC，由于工作温度较高，存在密封困难、材料老化快、界面扩散严重、材料间热匹配困难等问题，使得对SOFC组件的要求较高，导致成本较高。随着SOFC技术的发展，目前最常用的为工作温度在500-800℃的中高温SOFC。SOFC单电池由多孔阳极功能层、致密电解质层及多孔阴极层以及支撑体组成。其工作原理示意图如图1-1所示。阴极侧通入空气作为氧化剂，阳极侧通入燃料气体（如H2、CH4、CO等还原性气体），多孔的电极骨架有利于气体的传输，致密的电解质则有利于在空间上隔离空气与燃料气。在阴极侧，O2扩散到阴极材料活性位，经过吸附解离过程后得到电子成为O2-，O2-在电解质两侧氧浓度差的驱动下由其内部的氧空位定向传导至阳极，将阳极还原性气体氧化为H2O（燃料若含碳氢化合物，则产物含有CO2），并释放自由电子。自由电子在电化学势的作用下通过外电路，驱动负载对外界做功，并传导至阴极参与氧的还原反应。整个反应过程中，自由电子是通过外电路传递的，故只有当外电路接通时才能完成SOFC整体反应。

图1 SOFC的工作原理图

SOFC与其他四种类型的燃料电池相比，具有成本低、寿命长、燃料适应性广、全固态结构、不存在贵金属中毒及复杂水管理等优点，并可热电联供及混合发电，综合能量利用率超过80%，使得固体氧化物燃料电池在热电联供、移动式与分布式电站、辅助动力装置及混合式发电等领域具有巨大的应用前景。目前，全球各国都已在各个领域开展固体氧化物燃料电池发电技术的研究，并取得非常大的成功，形成规模化的燃料电池产业链。

1 固体氧化物燃料电池技术简介

1.1 国外固体氧化物燃料电池发展现状

出于对未来能源战略、国家安全和环境保护的考虑，世界上许多国家，尤其是发达国家，如美国、欧洲、日本、澳大利亚、韩国等，相继制定了长期研究开发计划，力求在2020年前后促成SOFC技术的规模化商业应用。1999年，美国能源部启动了称之为SECA（Solid State Energy Conversion Alliance）的研发计划，集政府、公司、大学和国家实验室于一体，加速推进SOFC技术的产业化和商业化，从而带来了SOFC技术发展的新时代。SECA的目标是实现400美元/kW，年产5万套工作寿命长达4万小时的3～10 kW的发电系统。2005年，美国重启“Future Gen”计划，在SECA计划技术基础上，增加投资，开发适用于碳基燃料的SOFC发电系统，将SOFC技术纳入煤清洁利用的范畴，争取建成百MW级的“绿色发电厂”。美国kW至百kW级SOFC发电系统正在无人机、深潜器、移动电源和固定电站等多个领域进行示范运行，极大地推动了SOFC技术的发展与应用。

迄今为止，美国Bloom Energy公司在平板式SOFC上的技术处于世界领先地位。该公司主要生产制备电解质支撑SOFC，推出产品为200～250 kW 的Energy Server系列及160～200 kW的Uninterruptible Power Module（UPM）系列，以天然气燃料，发电效率为52-60%，可实现每年365天长期持续供电。该公司已累计安装120MW SOFC发电系统，其客户包括Google、WalMart、Apple及Adobe等企业及政府部门。图2所示为该公司的250 kW Energy Server 5 SOFC发电系统外观图。

图2 美国Bloom Energy公司研发代号Energy Server 5的250kW SOFC发电系统外观图

在欧洲，欧盟制定了SOFC600、Real SOFC及Ene. Field等多个SOFC技术项目的研发计划，包括了澳大利亚、芬兰、德国、英国、荷兰和瑞士等多个国家，研究涉及SOFC关键材料、单电池、电堆及系统等多个层面。2017年10月11日，欧盟能源项目（Ene.filed）在比利时布鲁塞尔举行了最后的宣传活动。该项目在欧盟10个国家成功安装、运行并维护了超过1000个燃料电池（PEM与SOFC）解决方案实例，是欧盟最大的燃料电池现场试验微型热电联产计划，并期望在2020年前加大投资至1.4亿欧元，安装2500多台热电联产机组，实现SOFC微热电联产的标准化与大规模商业化。在活动中，欧盟能源项目得出结论，燃料电池微型热电联产将作为未来能源系统关键能源解决方案的一部分，并强调需要制定正确的政策框架，以便在欧洲广泛部署该技术，为欧洲消费者提供更清洁、可靠、再生的能源系统，从而实现欧盟气候和能源转型。

德国Sunfire公司推出的25 kW SOFC动力系统如图3所示，发电效率大于50%，热电联产后能量综合利用率已超过80%。可通过对多组SOFC发电系统进行串并联组合将功率等级扩展至500 kW。该公司50 kW SOFC系统已于2016年提供给ThyssenKrupp Marine Systems公司在海上测试使用，减少由化石燃料的燃烧及有毒气体排放。同时，该公司2台25 kW SOFC发电系统已在台湾进行示范运行。

日本燃料电池技术的研究较早，并且投入较大。在1999年宣布千禧计划后，呼吁引进燃料电池技术并作为下一代技术发展以抑制全球变暖。在2002-2004年并已开展了固定式燃料电池示范研究项目，于2005-2008年实现了大范围的固定式燃料电池示范项目，开始进行用户租赁、安装及数据收集。2007年日本首相选择了固定式燃料电池作为全球降温能源创新技术。随着技术的发展，日本推出了Ene-Farm计划，Tokyo Gas、Osaka Gas、Toto、Kyocera等多个公司参与其中，致力于700 W级家用PEM与SOFC热电联供系统的研发与应用推广，至今已装备数万个家庭。该项目已经支持部署了超过120000套家用燃料电池设备，可以给家庭提供50%的电能消耗，使得用户每年的取暖和照明费用下降50000～60000日元，减少每年CO2排放量1.3吨。日本Ene-Farm项目可以说是世界上最为成功的燃料电池商业化项目。图4所示为日本700W家用SOFC热电联供系统外观图。

日本Nissan公司于2016年8月在巴西发布了世界首款SOFC增程器原型车。其中SOFC电堆输出功率为5 kW，采用生物乙醇作为燃料，从而为24千瓦时的蓄电池进行充电，累计续航里程可超600公里。其SOFC增程型原型车外观及原理示意图如图5所示。

日本三菱重工公司对于管式SOFC的开发由来已久。该公司于2013年9月，研发出了200千瓦管式SOFC与微型燃气轮机混合联用系统。以天然气为燃料，LHV下的电效应达到50.2%，运行超过4000小时。并于2017年推出了代号为Hybrid-FC的250kW SOFC与微型燃气轮机联合发电系统商业化产品，外观图如图6所示，系统整体效率为65%。该联合发电系统已在日本五个城市进行了长期的示范运行。

图4 日本推出的700 W家用SOFC热电联供系统

图5 日本Nissan公司推出的SOFC增程型动力汽车及原理示意图

1.2 国内固体氧化物燃料电池发展现状

我国最早关于SOFC的研究始于1970年代。“九五”以来，在科技部，国家、发改委、基金委、科学院、教育部以及地方政府的资助下，华中科技大学、中科院上海硅酸盐所、中科院大连化物所、中科院宁波材料研究所、中国矿业大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学等多家大学和研究机构在SOFC关键材料与合成工艺、单电池制备、电堆组装与测试、系统集成等方面相继开展了大量研究工作；在“十二五”期间，华中科技大学实现了国内首台5 kW级SOFC独立发电系统的集成与初始运行。国内宁波索福人能源技术有限公司已对外出售阳极支撑及电解质支撑的平板式SOFC，单个电堆功率等级为500 W至2 kW，为我国的SOFC研发与商业化提供了坚实的基础。

图6 日本三菱重工公司开发250kW SOFC与微型燃气轮机混合联合发电系统

可以看出，我国SOFC研发总体水平与美国、欧洲、日本等发达国家的先进水平存在不小差距，尤其在输出总功率、发电效率、电堆设计与装配及系统集成方面差距较大；而且运行寿命较短，启停时间较长，性能稳定性有待提高。国内目前尚未有成熟的大功率SOFC电池堆及发电系统的示范运行，这也反应了我国SOFC技术的发展显得尤为迫切。

2 固体氧化物燃料电池技术发展及应用前景分析

目前，世界各国均致力于将SOFC的工作温度进一步降低，从而能降低相关组件成本，延长使用寿命。降低SOFC的工作温度意味着需要研发满足性能指标的新材料体系，包括电极功能层，电解质功能层、界面接触材料及连接体等，特别是SOFC电解质材料。中高温SOFC最为常用的电解质材料主要有氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）及钆掺杂的氧化铈基（GDC）。还有其他一些电解质也有相关应用，比如La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ（LSGM）及氧化钐掺杂的氧化铈（SDC）等。这些电解质随着工作温度的进一步降低，其氧离子导电率已不能满足SOFC性能需求。故研发新体系材料对中低温SOFC的发展显得尤为重要。

中高温SOFC由于其工作温度较高，尾气余热品质高，不仅可以进行热电联供，还可与燃气轮机或蒸汽机等进行联合发电，这使得SOFC发电系统在分布式功能及水面船舶等应用领域具有非常大的前景。SOFC与燃气轮机联合发电原理图如图7所示。

图7 SOFC与燃气轮机联合发电总能系统示意图

SOFC发电系统因不涉及化学燃烧及机械转动等过程，故其在分布式供能与水面船舶等领域相对于传统内燃机类具有非常明显的优势：

1）能量转化效率高

SOFC工作温度较高，反应过程简单,不像传统的发电装置需要经过许多中间的转化过程,大大降低了能源转换过程中的不可逆损失，可实现50～65%的高效发电。其尾气具有很高的余热利用价值，若与燃气轮机或蒸汽机混合联用，其效率可达80%～95%。相比较热气机的实际效率（30%～32%）、闭式循环汽轮机的实际效率（约25%），在相同电负荷下，燃料电池发电效率远高于燃烧发电机。

2）燃料适应性强、无污染、低成本

SOFC不需使用有限资源的贵金属材料（如Pt），这使得SOFC制备成本较其他燃料电池如PEM低许多。同时SOFC也不需考虑CO对电极材料的毒化作用，增加了燃料选择的灵活性（如天然气、煤气、生物质气气体、柴油重整气及其他碳氢化合物重整气等）；与传统的燃烧发电方式相比，SOFC技术极大地降低了燃料的能量损失和对生态环境的污染。

3）模块组合、布置灵活、环境适应性强

SOFC模块所构成材料全是固体组件，电池外形设计具有灵活性，可以单独或多个模块组合使用。全封闭系统、不存在蒸发、腐蚀、电解液流失及复杂水管理等问题，具有足够的高温化学稳定性、相匹配的热膨胀性及高致密型等固有特性，耐受高温潮湿、盐雾、油雾、霉菌，具有很高的可靠性和很强的适应性。

4）系统稳定性高

传统电站增加发电容量时，变电设备必须升级，否则会使整个电力系统的安全稳定性降低。而SOFC独立发电电站则无需将变电设备升级，必要时可将SOFC电池组拆分使用。SOFC燃料电池还可以轻易的校正由频率引起的各种偏差，进而提高系统稳定性。与其他燃料电池相比，SOFC发电系统简单，可发展为大规模设备，用途广泛。

3 结论

固体氧化物燃料电池技术具有能量转化效率高、燃料适应性广，清洁等优点，成为清洁和高效新能源发电技术的理想方案之一。随着SOFC燃料电池技术的日趋成熟，世界各国在燃料电池发电系统示范应用和产业化等方面均取得了诸多的成果，并在汽车、船舶和分布式供能等多个领域得到了应用，已形成相对完整的产业链，尤以美国、欧盟、日本及韩国为主。

我国SOFC燃料电池技术的发展在确保能源安全、减少碳排放环境保护等方面具有重大意义。然而我国相关技术与发达国家依然存在较大差距，在自主研发上投入亟待加大。因此，我国有必要借鉴世界各国SOFC技术发展经验，建立健全配套机制，制定相对应标准，大力开展SOFC燃料电池技术在分布式供能等领域的基础研究和示范应用项目，推动SOFC技术产业化进程，确保我国在新能源经济中的国际竞争力。

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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，工程师。研究方向：燃料电池。