中國粉體網(wǎng)訊  隨著能源的日趨枯竭和環(huán)境惡化，高效、清潔的新型能源的開發(fā)與利用將成為21世紀(jì)能源發(fā)展的重要選擇。固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種將燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)電化學(xué)發(fā)電裝置，能量轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)到60%左右，產(chǎn)生的熱進(jìn)行熱電聯(lián)供效率可達(dá)到80%以上，是目前最為前沿、也是技術(shù)難度最高的一代燃料電池，世界上發(fā)達(dá)國家普遍把它作為一種戰(zhàn)略儲備技術(shù)。

（固體氧化物燃料電池電堆）

SOFC的工作原理

固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽極為燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

SOFC工作原理圖

在固體氧化物燃料電池的陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣（H₂）、甲烷（CH₄）、煤氣等，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(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O₂得到電子變?yōu)镺^2-，在化學(xué)勢的作用下，O^2-進(jìn)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(kuò)散，最終到達(dá)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。

SOFC技術(shù)的優(yōu)勢

SOFC與常用的分布式發(fā)電設(shè)備相比，具有明顯的優(yōu)勢。

（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)電解液帶來的腐蝕和泄露問題，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，并實現(xiàn)幾乎零的CO₂排放。

（2）發(fā)電效率高。SOFC可以通過電化學(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％，高效率優(yōu)勢明顯。

（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。

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

SOFC的關(guān)鍵材料

所有的燃料電池單電池都是由電解質(zhì)、陰極和陽極3部分組成，其中SOFC的電解質(zhì)、陰極和陽極都是陶瓷材料，因此SOFC又被稱為陶瓷基燃料電池。

其中SOFC的電解質(zhì)是致密的氧離子導(dǎo)體，主要是螢石型結(jié)構(gòu)氧化物或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物；電極是多孔的氧離子和電子混合導(dǎo)體，其中陽極主要是金屬陶瓷復(fù)合材料或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物材料，陰極主要是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物材料。電解質(zhì)材料的氧離子傳導(dǎo)性能和電極的荷電傳導(dǎo)及催化活性共同決定了SOFC的性能。

國外SOFC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

目前，SOFC還處于商業(yè)化初期，僅少數(shù)發(fā)達(dá)國家的企業(yè)開發(fā)出了商業(yè)化應(yīng)用的SOFC發(fā)電系統(tǒng)。

美國的Bloom Energy公司是SOFC行業(yè)公認(rèn)技術(shù)實力最強(qiáng)的公司，其主打產(chǎn)品是50KW規(guī)格，發(fā)電效率可達(dá)65%。根據(jù)該公司公開披露的數(shù)據(jù)顯示，2019年的裝機(jī)容量為120MW左右。

美國的BloomEnergy公司SOFC系統(tǒng)

日本三菱日立電力系統(tǒng)公司2018年宣布250KW和1MW規(guī)格的聯(lián)合發(fā)電產(chǎn)品，面向商業(yè)和工業(yè)市場。

日本京瓷在2017年宣布推出3KW的SOFC系統(tǒng)，應(yīng)用在小型商業(yè)領(lǐng)域。該技術(shù)采用平板管狀電池技術(shù)路線，發(fā)電效率可達(dá)54%。

德國博世也積極布局SOFC的全產(chǎn)業(yè)鏈，2018年和2019年兩次投資英國電堆生產(chǎn)商CeresPower，引進(jìn)電堆生產(chǎn)線，并且開發(fā)10KW的SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)，發(fā)電效率達(dá)到60%。

澳大利亞的CFCL早在2010年就在歐洲推出了1.5KW的家用熱電聯(lián)供SOFC系統(tǒng)，發(fā)電效率達(dá)68%，目前在歐洲安裝超過1500套，但由于成本較高，其市場規(guī)模仍然不大。

我國SOFC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況

從上世紀(jì)90年代開始，我國一些高校和研究所在科技部的支持下開始SOFC技術(shù)的研究工作。最早參與開發(fā)研究的單位包括中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、寧波材料研究所、大連物理化學(xué)研究所及中國礦業(yè)大學(xué)(北京)等。

隨著技術(shù)成熟度逐步提高，越來越多的企業(yè)參與到該產(chǎn)業(yè)。潮州三環(huán)(集團(tuán))股份有限公司是較為突出的一家，該公司是我國電子陶瓷領(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，目前，已經(jīng)成為全球最大的SOFC電解質(zhì)隔膜供應(yīng)商和歐洲市場上最大的SOFC單電池供應(yīng)商。

此外，濰柴動力股份有限公司也在積極布局燃料電池的業(yè)務(wù)，2018年成為英國CeresPower的第一大股東，進(jìn)入SOFC領(lǐng)域。徐州華清京昆能源有限公司、寧波索福人能源技術(shù)有限公司也在積極開展SOFC的產(chǎn)業(yè)化工作。

（華清固體氧化物燃料電池項目）

即便如此，國內(nèi)SOFC產(chǎn)業(yè)與美國、日本和歐洲的先進(jìn)水平相比，還有較大的差距，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）尚未出現(xiàn)商業(yè)化的SOFC系統(tǒng)。我國的SOFC系統(tǒng)開發(fā)，都還是停留在實驗室和樣機(jī)階段，沒有商業(yè)化的SOFC引領(lǐng)，產(chǎn)業(yè)的參與度較低；

（2）SOFC產(chǎn)業(yè)鏈還不完整。SOFC工作溫度高，所用的換熱器、燃燒器、預(yù)重整器、水蒸氣發(fā)生器、電源、電控系統(tǒng)都是高度定制化的產(chǎn)品，目前，國內(nèi)還沒有專業(yè)廠家供應(yīng)相關(guān)的核心零部件；

（3）參與的企業(yè)較少，技術(shù)力量不強(qiáng)。國內(nèi)參與SOFC的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)不多，除了潮州三環(huán)(集團(tuán))股份有限公司、濰柴動力股份有限公司經(jīng)濟(jì)實力較強(qiáng)，其他參與的公司規(guī)模較小，而日本、歐洲參與該技術(shù)開發(fā)都是大型的知名企業(yè)。

固體氧化物燃料電池具有發(fā)電效率高、燃料適用范圍廣、制造成本低等特點，是當(dāng)前國際燃料電池發(fā)展的主要方向，也是我國實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”任務(wù)的突破點之一。中國粉體網(wǎng)將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時，來自山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院陶瓷膜事業(yè)部的總經(jīng)理趙世凱先生帶來題為《固體氧化物燃料電池及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)》的報告。趙總將在會上介紹固體氧化物燃料電池基本情況，從產(chǎn)業(yè)化層面對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行解析，并提出產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展方向。（鑒于當(dāng)前防控需要，原定于2021年8月13-14日在鄭州喆鵬酒店舉辦的“第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”將延期舉辦，計劃參會的單位可以聯(lián)系會務(wù)組，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時間通知您�。�

專家介紹：

趙世凱，高級工程師，中央企業(yè)青年崗位能手，建材行業(yè)陶瓷膜材料重點實驗室副主任，哈爾濱工業(yè)大學(xué)校外碩士研究生導(dǎo)師，長期從事環(huán)保、能源領(lǐng)域用陶瓷膜材料的科技創(chuàng)新、研究開發(fā)及應(yīng)用推廣工作。主持/承擔(dān)國家（省市）級項目17項，主持國家標(biāo)準(zhǔn)2項，授權(quán)發(fā)明18項。完成科技成果鑒定4項，獲得省部（市）級獎勵7項。牽頭開發(fā)的陶瓷膜產(chǎn)品，先后在煤化工、有色冶煉、深度水處理等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，打破了國外技術(shù)壟斷。

參考來源：

[1]陳爍爍.固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

[2]常貴可等.國內(nèi)固體氧化物燃料電池研究現(xiàn)狀與展望

[3]韓敏芳等.固體氧化物燃料電池中的陶瓷材料

[4]張新寶等.固體氧化物燃料電池的研究進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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