引言

固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell簡稱SOFC），是一種采用電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的裝置，無卡諾循環(huán)，其效率遠(yuǎn)高于其他發(fā)電設(shè)備，主要產(chǎn)物是CO2和水，是一種低排放的綠色能源來源方式[1]，其工作如圖1所示，高溫工作條件下，SOFC陰極側(cè)通入的空氣中的O2被陰極催化裂解成O2-，在電化學(xué)勢差的作用下，O2-離子穿過離子電導(dǎo)的陶瓷電解質(zhì)隔膜片，到達(dá)陽極，與燃?xì)獍l(fā)生還原反應(yīng)，生成水和CO2，對外放出電流，以H2作為燃料為例，其中：

陽極反應(yīng)：2H2+2O2-→2H2O+4e-

陰極反應(yīng)：4e-+02→2O2-

即綜合反應(yīng)為：2H2+O2→2H2O，釋放出電子經(jīng)外電路形成電流，提供電能。

1SOFC在分布式能源應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

2014年10月，國家四部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》，文件中指出天然氣分布式能源是指利用天然氣作為燃料，通過冷、熱、電聯(lián)供的方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，同時在負(fù)載中心能就近實現(xiàn)能源的供應(yīng)，是一種現(xiàn)代能源供應(yīng)方式，是實現(xiàn)天然氣高效利用和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要途徑。隨著其他鼓勵政策陸續(xù)出臺，天然氣分布式能源獲得巨大的發(fā)展機(jī)遇。

目前常見的天然氣分布式能源發(fā)電設(shè)備包括：微型燃?xì)廨啓C(jī)、中小型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)及燃料電池，表1為常見幾種天然氣分布式能源發(fā)電設(shè)備的參數(shù)對比。

相比其它天然氣分布式能源發(fā)電設(shè)備，SOFC發(fā)電具有以下幾大優(yōu)勢：

發(fā)電效率高。

燃料電池發(fā)電為化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)限制，直流發(fā)電效率可以高達(dá)70%以上，交流發(fā)電效率可達(dá)65%。相比其它熱機(jī)，電效率具有明顯優(yōu)勢，尤其是對于1兆瓦級別的發(fā)電單元，同時，燃料電池作為分布式能源供電，可就近安裝在負(fù)載中心臨近位置，避免了電路傳輸損耗和配送損耗。

余熱品質(zhì)高。

分布式能源應(yīng)用，不僅應(yīng)考慮電能的輸出，同時也得考慮冷、熱能源的輸出，OFC發(fā)電余熱溫度較高，約700～800℃，同時余熱溫度穩(wěn)定，余熱經(jīng)過熱回收系統(tǒng)可以以熱水或供暖的形式使用。

無振動低噪音。

SOFC采用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，不存在機(jī)械運(yùn)行，不產(chǎn)生振動，工作噪音在45分貝以下。因此安裝地點(diǎn)非常靈活，可以在工作區(qū)域，休閑區(qū)域安裝，也可在住宅區(qū)域、樓頂安裝。

燃料選用范圍廣。

SOFC可使用的燃料類型非常廣泛，包括天然氣、煤制氣、合成氣、生物質(zhì)氣、甲醇等。SOFC運(yùn)行溫度較高，所以方便燃料中高碳化合物的催化重整成H2和CO。采用的是賤金屬Ni作為內(nèi)重整催化劑，成本低，且不怕CO2的毒化。

綠色環(huán)保、低碳排放。

NOx和SOx是當(dāng)今環(huán)境污染的主要污染源之一，而SOFC發(fā)電通入的原料僅為空氣和燃?xì)?。燃?xì)饨?jīng)過了除S處理，因此尾氣中不含SOx。空氣雖然經(jīng)過高達(dá)800℃的高溫環(huán)境，但由于反應(yīng)過程在大氣壓力條件下，幾乎無NOx產(chǎn)生。表2為國際能源署2012年關(guān)于發(fā)單位功率電不同國家傳統(tǒng)發(fā)電方式與SOFC的溫室氣體排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從表中可以看出，SOFC對于減少溫室氣體排放具有非常明顯的優(yōu)勢。

與此同時，因為SOFC的反應(yīng)產(chǎn)物只有CO2和H2O，只需要將水蒸汽冷凝，即可進(jìn)行CO2氣體捕集，美國能源部SOFC發(fā)展目標(biāo)之一為達(dá)到97%的CO2捕集率。

2SOFC行業(yè)主要公司的發(fā)展情況

固體氧化物燃料電池目前商業(yè)化應(yīng)用較少，僅歐美、日等企業(yè)有開發(fā)出商業(yè)化應(yīng)用的SOFC發(fā)電系統(tǒng)。

代表性的企業(yè)主要有美國的Bloom Energy公司，GE，日本的三菱日立等企業(yè)。Bloom Energy

公司是目前公認(rèn)的SOFC行業(yè)內(nèi)技術(shù)力量最強(qiáng)，運(yùn)作最成功的公司，其采用電解質(zhì)支撐電池技術(shù)，電池技術(shù)經(jīng)過之前西屋公司多年的研發(fā)，技術(shù)相對成熟，壽命、可靠性較好，但成本相對較高。Bloom Energy公司開發(fā)的SOFC發(fā)電系統(tǒng)規(guī)格在100～250kW，主要發(fā)展方向為長壽命、低衰減及大功率系統(tǒng)，經(jīng)過長時期的驗證后，其產(chǎn)品目前已應(yīng)用在包括蘋果、谷歌、易趣、AT&T、NTT等公司的數(shù)據(jù)中心，包括其它樓宇、銀行、醫(yī)院都有Bloom Energy的SOFC發(fā)電系統(tǒng)。據(jù)美國能源部2013年發(fā)布的數(shù)據(jù)，Bloom Energy在美國的裝機(jī)容量有83MW，近年來規(guī)模不斷壯大。

美國通用電氣采用SOFC和燃?xì)鉁u輪機(jī)的聯(lián)合發(fā)電機(jī)組，其發(fā)電效率可達(dá)70%，其中第一級SOFC發(fā)電效率約50%，剩余燃?xì)膺M(jìn)入第二級燃?xì)鉁u輪發(fā)電效率40%，總效率達(dá)到70%。電池采用金屬支撐技術(shù)，生產(chǎn)成本較低，適合批量化生產(chǎn)，但是金屬支撐電池技術(shù)目前還沒經(jīng)過長時間的壽命及可靠性的驗證數(shù)據(jù)，目前GE已推出50kW量級的示范機(jī)進(jìn)行展示。

日本三菱日立采用的是管狀結(jié)構(gòu)的SOFC電堆技術(shù)，采用SOFC和燃?xì)鉁u輪、蒸汽渦輪的聯(lián)合發(fā)電機(jī)組，據(jù)報道電效率約45%，其綜合電效率提升到約60%。管狀式電堆的設(shè)計，具有電堆運(yùn)行衰減較低，可靠性較好，能耐一定熱循環(huán)次數(shù)，技術(shù)相對成熟的優(yōu)勢，三菱日立2015年開始進(jìn)行250千瓦的示范機(jī)運(yùn)行試驗，2016～2017年安裝運(yùn)行4臺250千瓦的樣機(jī)。

除了上述具有代表性的企業(yè)之外，還有包括Sunfire、Elcogen、Hexis、Solidpower、京瓷眾多企業(yè)均在SOFC電堆方面取得較大的進(jìn)展。

3SOFC發(fā)展存在的問題

SOFC技術(shù)雖然持續(xù)不斷在發(fā)展進(jìn)步中，但目前市場商業(yè)化應(yīng)用的SOFC發(fā)電系統(tǒng)還非常少，僅歐美幾家公司有商業(yè)化的SOFC發(fā)電系統(tǒng)，其存在的主要問題為技術(shù)問題和成本問題。其中，技術(shù)問題又分為可靠性問題和壽命問題。

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SOFC發(fā)展技術(shù)難點(diǎn)

SOFC發(fā)展最核心的技術(shù)難點(diǎn)在于電堆和熱平衡系統(tǒng)（Hot Balance of Plant）。

電堆涉及到的主要技術(shù)難點(diǎn)包括以下方面：

單電池方面，SOFC電堆性能直接由單電池性能來決定，因此單電池材料選擇，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計等直接關(guān)系到SOFC電堆的使用壽命及衰減情況，如何選擇高離子電導(dǎo)、氣密性良好的電解質(zhì)材料，高催化活性并具有長壽命、抗毒化的陰、陽極材料，以及如何進(jìn)行界面結(jié)構(gòu)設(shè)計來降低電池極化，提升電池性能，是SOFC發(fā)展過程需要持續(xù)改進(jìn)的問題[6-9]。

電堆方面，主要包括高穩(wěn)定性、高密封性的密封材料的開發(fā)，防止不銹鋼材料Cr揮發(fā)的涂層材料及制備工藝研究，高燃料利用率、低熱應(yīng)力、熱梯度、低成本、高可靠性的電堆設(shè)技術(shù)，目前全球僅少數(shù)公司掌握長壽命、高可靠性電堆的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)[10-14]。

熱平衡系統(tǒng)是SOFC的另一項核心技術(shù)。包括進(jìn)/出氣的熱交換、燃?xì)?/span>/空氣氣流分配、未反應(yīng)燃?xì)獾奈矚馊紵U熱利用等功能。是電堆工作溫度、溫度梯度的關(guān)鍵熱管理部件，是保證電堆高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

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SOFC電堆可靠性問題

商業(yè)化的SOFC電堆首先要解決可靠性的問題，主要包括：

1）單電池的氣密性，單電池氣密性對電解質(zhì)材料提出了嚴(yán)苛的要求，單電池輕微的泄漏會導(dǎo)致電堆中燃?xì)馀c空氣直接接觸、燃燒，重則使SOFC燒毀，輕則加速運(yùn)行過程中的電堆衰減，影響壽命。

2）密封材料的可靠性，SOFC電堆密封材料起到防止電池陰、陽極交叉泄漏及外部泄漏的作用，因此密封材料的可靠性非常關(guān)鍵，密封材料除了要具有高密封性外，還需要在空氣、燃?xì)饧八魵猸h(huán)境下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并能耐一定數(shù)量的熱循環(huán)。

3）電堆的熱梯度和熱應(yīng)力。電堆的熱梯度主要受電堆流道設(shè)計、電堆壓差及耐高溫金屬材料導(dǎo)熱率等因素影響，目前商業(yè)化平板式SOFC電堆流道設(shè)計較常采用同流（co-f low）和錯流（crossflow）的流道設(shè)計方案[16]，電堆熱梯度會隨著電堆使用壽命延長而增大，是SOFC系統(tǒng)設(shè)計中需要重點(diǎn)考慮的容差問題。

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SOFC的壽命問題

隨著SOFC在高溫下運(yùn)行，產(chǎn)品產(chǎn)生衰減，影響壽命。衰減通常來源于幾個方面：

1）鉻中毒，常用的SOFC連接體材料、管道、支架為耐高溫金屬材料，含有大量的Cr元素，Cr在空氣中容易揮發(fā)，到達(dá)電池陰極處與陰極反應(yīng)，造成電池衰減。耐高溫金屬材料的連接體Cr揮發(fā)是毒害電池的重要因素，因此如何設(shè)計連接體材料防Cr揮發(fā)的涂層至關(guān)重要，涂層材料除能有效防止Cr揮發(fā)之外，還需跟金屬基體具有較好的結(jié)合力，而且具有良好的電導(dǎo)率。

2）硫中毒。燃料中因為純度不高，或者有意加臭引入的S元素，長時間運(yùn)行會沉積在電池的陽極，堵塞孔道，降低三相界面，對電池造成衰減。因此，對燃料的除S處理，確保進(jìn)入電堆S含量在非常低的水平，是保證長壽命系統(tǒng)的重要要求。

3）硼中毒。在高溫金屬部件釬焊過程，以及電堆的玻璃高溫封接材料中，含有大量的B元素，B元素在工作過程中會揮發(fā)毒害陰極和陽極材料，使電池性能衰減。開發(fā)低B/無B或者B揮發(fā)率低的釬焊材料和封接材料，是提高SOFC壽命的方法。

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SOFC的成本問題

SOFC總體的成本較高，由幾方面的原因造成。

1）產(chǎn)業(yè)處于商業(yè)初期，規(guī)模較小，參與的企業(yè)較少，配套不足，各種零部件，包括除硫器、單電池、電堆、熱交換器、燃燒器、氣流分配系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、逆變器、電源管理器等等，都是高度定制的產(chǎn)品，導(dǎo)致了SOFC系統(tǒng)價格高企。

2）工作溫度高，壽命要求高。SOFC的工作溫度高達(dá)650～900℃，工業(yè)級的SOFC產(chǎn)品要求有數(shù)萬小時的壽命，且常年不間斷運(yùn)行，對各種部件、材料、涂層的耐高溫老化性能要求極高，推高了材料及工藝成本。

3）研發(fā)投入高。因為SOFC沒有高加速老化測試條件，任何的技術(shù)改進(jìn)均需要相當(dāng)長的時間進(jìn)行驗證。在產(chǎn)業(yè)初期，研發(fā)投入折算的成本非常高盡管面臨著各種技術(shù)問題，但是日本、歐洲的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，均有運(yùn)行超過10年的SOFC系統(tǒng)，展示了良好的可靠性和SOFC技術(shù)超長的壽命。

成本方面，即使目前面臨許多問題，但因為沒有用到專用的加工工藝、特種加工裝備和昂貴稀缺的材料，根據(jù)測算，只要有100MW以上的年產(chǎn)量，制造成本可大幅度下降至1.5萬元/kW以下，甚至更低。

4SOFC應(yīng)用于分布式能源的展望

國家政策引導(dǎo)

我國是能源消耗大國，SOFC具有非常廣闊的應(yīng)用市場前景，雖然SOFC具有很多優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)科研院所研發(fā)也具備一定基礎(chǔ)，國內(nèi)在SOFC領(lǐng)域發(fā)表的期刊最近十年呈現(xiàn)飛速增長，但國內(nèi)產(chǎn)業(yè)配套不足，導(dǎo)致SOFC商業(yè)應(yīng)用滯后于世界先進(jìn)水平。同時，發(fā)達(dá)國家目前已經(jīng)出臺了詳細(xì)的SOFC發(fā)展目標(biāo)，并且制定了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策，如表3所示，希望未來國家和各地政府也能有相關(guān)的支持政策出臺。

更多的市場主體介入

SOFC的發(fā)展離不開相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的支持。如上文所講，SOFC系統(tǒng)包含的零部件較多。包括除硫器、空氣過濾器、風(fēng)機(jī)、陶瓷成型燒結(jié)部件、單電池、電堆、耐高溫抗氧化合金/不銹鋼材料、金屬型材、高溫焊接技術(shù)和設(shè)備、隔熱材料、可燃性氣體傳感器、流量計、水過濾系統(tǒng)、DC-DC模塊、逆變器等等。涉及到許許多多的行業(yè)，其中有很多零部件是特殊定制化的產(chǎn)品，需要眾多的上游廠家一同參與，降低SOFC部件的生產(chǎn)制造成本。在系統(tǒng)端，需要具備燃?xì)庵卣峁芾?、新能源項目管理、工程集成方面背景的企業(yè)，有運(yùn)作分布式能源經(jīng)驗的企業(yè)共同參與，共同促進(jìn)國內(nèi)SOFC商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展和推廣。同時推動SOFC在分布式能源的規(guī)模化應(yīng)用，與其他清潔能源如太陽能、風(fēng)能實現(xiàn)互補(bǔ)應(yīng)用。

5總結(jié)

SOFC應(yīng)用于分布式能源具有發(fā)電效率高、余熱品質(zhì)高、無振動及噪音低、綠色排放等優(yōu)勢，近年來國外幾個發(fā)達(dá)國家的大公司在SOFC商業(yè)化應(yīng)用取得了較大發(fā)展，但目前還存在使用成本較高問題，影響了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展。三環(huán)集團(tuán)十幾年來在SOFC電池及電堆技術(shù)上取得了一些進(jìn)展，希望未來與其他市場主體一道，共同努力，促進(jìn)國內(nèi)SOFC技術(shù)的發(fā)展。