固体氧化物燃料电池（SOFC）

 

 

 

固体氧化物燃料电池（solid oxide fue lcell，SOFC）是最高效率的燃料电池，也称作陶瓷燃料电池，是一种在中高温下将各种燃料气（天然气、垃圾填埋气、煤气、甲醇等）的化学能高效地转化为电能的全固态燃料电池。

 

一般在650度以上SOFC才能实现满负荷运转。系统层面还需要燃料供应系统（预重整器）、供气系统（加热器、压缩机）、控制系统（电压调节器、逆变器）及其他部件保证整个系统的稳定运行。工作效率可以达到65%——80%，由于工作温度较高，其反应活性极高。

 

SOFC由电解质（陶瓷材料）、阳/阴极、连接体（陶瓷或合金）构成单电池，再由多个单电池构成电堆。

 

 

 

SOFC可应用于分布式发电、备用电源与热电联产，可以在制氢、综合能源补给站、储能、化工节能、交通应用领域（主要是应用在商用车增程器以及船舶辅助电力）等方面。

 

 

SOFC可采用天然气、合成气（CO、H2等混合气）、生物质气（如沼气）等为原料，也可以采用煤制气、煤层气、页岩气、工业副产气等为原料，促使传统化石能源转化效率提升，降低CO2排放，实现化石能源的清洁高效利用。

 

 

SOFC正向运行可以发电，逆向运行即为固体氧化物电解池（SOEC）。SOEC可利用余热与可再生电力，同时高温水蒸气和高温CO₂可以契合SOEC技术大规模应用，电解效率高达85%——95%，远高于其他电解水技术。

 

 

微型热电联供系统的发电规模通常为1——5 kW，可直接将天然气转化的电能和热能供给单个用户使用，当电力富余时可将电力售给电网，这种分散式的热电联供系统大大节省了一次能源消耗，提升了能源利用效率。日本和欧洲是发展微型热电联供系统的两个主要区域，其较为著名的示范项目分别为Ene-farm和Ene-field。

 

 

SOFC可以使用传统燃料，但其启动时间较长，适合作为豪华汽车、休闲车及重型卡车的辅助动力装置。

 

 

基于SOFC的微型发电系统也在扩展到便携式电源领域，这主要是因为SOFC具有更高的比功率密度[ 比功率密度是描述电池在瞬间能放出较大能量的能力。]，微管式SOFC可满足启动迅速的要求。

 

 

 

目前SOFC技术在美国、日本为代表的发达国家已日趋成熟，开始进入商业化应用初级阶段。

 

· 美国

 

美国主要扶持大型工/商业用燃料电池发电，代表性企业Bloom Energy是全球范围内最大的SOFC公司，总装机量已经超过350MW，为Google、eBay、Wal Mart等公司提供了数百套燃料电池分布式发电系统，是目前公认的SOFC行业内技术力量最强，运作最成功的公司。其主要产品发电效率可以达到65%。据美国Bloom Energy公司统计，全球SOFC、SOEC市场规模将达2万亿美元。

 

· 日本

 

日本的SOFC发展主要由NEDO(日本新能源产业技术综合开发机构New Energy and Industrial Technology Development Organization Japan)推动,目标为到2024年，SOFC发电效率超过65%(低热)，寿命达130000 h。主要项目为SOFC系统重点技术的开发和工业验证，主要研发机构包括爱信精机、大阪燃气、京瓷和丰田汽车等企业。

 

·欧洲

 

欧洲SOFC的发展方向以SOEC电解为主，把可再生电力通过SOEC来制氢，代表性企业是德国Sunfire，建造了总功率2.6MW的SOEC电解水制氢设备，这是世界上最大的电解水制氢设备。欧洲的SOFC主要扶持以SOFC为主的家用燃料电池CHP(热电联产Combined Heat and Power)项目，欧洲主要进行平板式SOFC电池堆及发电系统的研发。目前，德国已累计投放五万多套Micro-CHP，根据输出功率的大小为装置安装提供7050-28200欧元的补助金，是欧洲Micro-CHP投放最多的国家。

 

· 韩国

 

目前韩国SOFC主要应用于公用事业领域，市面上的主流技术来自英国的Ceres Power和美国的Bloom Energy两家公司，由斗山和SK E& C分别引进推广。

 

韩国已成为燃料电池用于公用事业规模发电的全球领导者，2019、2020、2021年分别布署达370.7MW、464MW、605MW。根据韩国贸易、工业和能源部（MOTIE）发布的电力供应需求计划，预计到2022年韩国燃料电池部署量将进一步扩展到800MW。

 

 

由于国外的SOFC技术和产业一直对中国实施封锁，中国只能走自主开发路线。

 

我国研究燃料电池的机构主要为高校和科研院所。近年来，有潍柴动力、中广核、晋煤集团等大型企业加入SOFC研发阵列，加速商业化步伐。截至2020年底，SOFC相关专利申请8187项，中国5100项排名第一。

 

SOFC产业链主要包括单电池及上游材料、电堆及其辅助设备（BOP）、系统集成和应用部分。

 

电池层面，国内数家单位己经掌握了大面积单电池量产技术，耐久性可达到上万小时，潮州三环尤为突出。

 

在电堆方面，国内企业在电池结构设计、单电池组装方面仍然比较粗放，电池密封和连接体结合强度在电池长期运行中还存在不稳定等问题，这很大程度上影响着SOFC系统的使用寿命。比如，目前国内的水平大概在数千小时到1万小时左右，但SOFC商业化系统的期望是10年以上。

 

在电堆辅助系统（BOP）上，包括预重整器、加热器、压缩机、电压调节器、逆变器、换热器等，目前国内还没有专业生产公司，主要原因是：SOFC市场还未起量、涉足企业的积极性不高，参与SOFC的开发和产业化的企业不多；缺乏相应的配套政策，补贴力度与欧美等国家相比较少。

 

除了配套部件(BOP)产业链问题，还有系统效率优化问题、大功率系统的构建问题、电池寿命问题等。

 

 

 

国内有潍柴动力、潮州三环、浙江氢邦、中弗新能源、宁波索福人等企业基于不同的应用场景，已打造出1-2个示范应用项目，建立起小批量试用产线。

 

目前国内SOFC发电系统功率范围为1-35kW，MW级产线超过10条。当前SOFC领域相对成熟的是5kW左右的产品，同时在大功率趋势下市场上也已经出现30kW的产品。

 

 

2022年3月23日，国家发改委发布了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，着重提到固体氧化物电解水制氢的技术攻关。

 

《广东省能源发展“十四五”规划》提出基于SOFC电解质隔膜片等核心零部件制造方面全球领先的优势，发展SOFC及其分布式发电成套装备，推广高温燃料电池冷热电三联供应用示范。

 

《北京市氢能产业发展实施方案（2021-2025年）》，明确将SOFC的发展目标列入其中。推广SOFC在热电联供、固定式发电、备用电源以及微电网等领域的应用，开展移动式燃料电池充电装置试点；以新建数据中心和通信基站等为应用场景，推动SOFC技术与产品的试点应用。

 

 

 

国内生产SOFC的企业主要有潮州三环、浙江氢邦、中弗新能源、宁波索福人、华清京昆、潍柴动力等。