固体氧化物燃料电池 (SOFC) 产业化发展现状

1燃料电池划分
  燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料如氢气、天然气等和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置。就燃料电池本身来说,其主要是通过电解质区分,如下图所示:

2SOFC工作原理
  SOFC的工作原理如下图所示。在SOFC的阳极一侧持续通入燃料气(H2、CO、CH4等),具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体,并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧化剂(空气),具有多孔结构的阴极表面吸附氧,使O2得到电子变为O2-,在化学势的作用下,O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体,由于浓度梯度引起扩散,最终到达固体电解质与阳极的界面,与燃料气体发生反应,失去的电子通过外电路回到阴极,形成电流。

 

3SOFC的优点
  
相对于其他燃料电池,因SOFC采用全固态电池结构,从而避免了使用液态电解质带来的腐蚀和电解液流失等问题; 对燃料的适应性广,氢气、天然气、煤气、液化石油气等气体以及甲醇、乙醇都可以作为燃料; 超过800℃的工作温度,配合热汽轮机将热废气进行有效利用,可以使能量转换率至少达到60%以上; 高温操作提高了电化学反应速率,降低活化极化电势,无需铂等贵金属作为催化剂; 可高度模块化,总装机容量、安装位置灵活方便等。

  正是由于SOFC具有以上的诸多优点,因而受到了世界各国的广泛关注,并投入大量经费进行开发研究。

  目前,SOFC主要有两种结构设计方式:管式(tubular)和平板式(planar)。

  1管式
  管式结构是最早发展的一种形式,也是目前较为成熟的一种形式。单电池由一端封闭、一端开口的管子构成。最内层是多孔支撑管,由里向外依次是阳极、电解质和阴极薄膜。燃料从管芯输入,空气通过管子外壁供给。管式SOFC电池堆单体自由度大,不易开裂;采用多孔陶瓷作为支撑体,结构坚固;电池组装相对简单,容易通过电池单元之间并联和串联组合成大功率的电池组。但是管式SOFC电极之间的间距大,电流通过电池的路径较长,内阻损失大,因此相应的功率密度较低。

 

  2平板式
  平板式结构的几何形状简单,由阳极、电解质、阴极薄膜组成单体电池,两边带槽的连接体连接相邻阴极和阳极,并在两侧提供气体通道,同时隔开两种气体。平板式SOFC电池结构和制备工艺简单,从而可以大大降低制造成本。但是平板式SOFC电池组件边缘要求进行密封来隔离氧化气和燃料气;对双极连接板材料要求很高,需要与电极材料热匹配、具有良好的抗高温氧化性能和导电性能。

  

  三、SOFC 发电系统
  上图为SOFC与微型燃气轮机(MGT)、蒸汽机(ST)构成的一种混合分布式发电系统。SOFC/MGT/ST混合发电系统由燃料处理系统、电池堆、余热利用系统以及直交流转换系统组成,发电效率高达70%以上。

  具体工作过程为天然气经过加压和脱硫处理后被系统废热加热,与利用电池堆余热加热的水蒸汽混合输入电池堆的阳极。高温的洁净天然气和水蒸气在催化剂的作用下发生重整反应产生H2。常温的空气经压缩后由燃烧器的高温排气加热到电堆入口温度后输入到电池堆的阴极。电堆内发生氧化还原反应产生电能和热能。阳极与阴极排气 (未反应完燃料和空气)进入燃烧室燃烧,燃烧室的排气在将天然气和空气加热到电池堆的入口温度后,进入燃气轮机做功,输出电能。由于废气温度很高,经过燃气轮机排出的废气也有较高的温度,这部分废气通过余热回收蒸汽发生器,将冷凝水加热升温产生大量蒸汽带动蒸汽机转动,再次输出电能。经过余热回收蒸汽发生器的废气温度大幅降低,并排入大气中。

  四、SOFC 成本
  成本一直是限制SOFC推广应用的一个关键性因素。美国能源部固态能量转换联盟(Solid State Energy Conversion Alliance, SECA)从2001开始投入SOFC研发,在单电池性能、功率密度、可靠性和先进制造技术上取得上重大进展,SOFC电池堆成本与2001相比降低了10倍以上, 如下图所示。

 

  五、SOFC的产业化现状
  SOFC具有工作温度高、发电效率高、全固态、易于模块化组装等特点,非常适用于分布式发电/热电联供系统和作为汽车、轮船等交通工具的动力电源。

  1分布式发电/热电联供系统

  西门子西屋电力公司
  1986年,西门子西屋电力公司研发的400 W管式SOFC电池组在美国田纳西州运行成功;1987年,又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3 kW级管式SOFC发电机组,成功地进行连续运行试验长达5000 h,标志着SOFC研究从实验研究向商业发展;1998年,该公司研发的100 kW管式SOFC电站在荷兰运行;1992年,2台25 kW管型SOFC分别在日本大阪、美国南加州进行了几千小时实验运行;2000年,该公司设计制造了世界上第一台220 kW的SOFC /GT联合循环电站。

 

  日本NEDO,ENE-FARM type S项目
  日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)于2011年开发出全球首个商业化的SOFC热电联供系统(ENE-FARM type S)。该系统由发电单元和利用废热的热水供暖单元组成,输出功率为700W,发电效率为46.5%,综合能源利用效率高达90.0%,工作时的温度为700~750℃,在用作家庭基础电源的同时,还可以利用废热用作热水器或供暖器。

  三菱重工
  三菱重工于1984年开始开发SOFC技术。1986-1989年,与东京电力株式会社合作研制管式SOFC电池堆;1991年,运行了1 kW的SOFC电池堆,运行时间1000h;1993年,三菱重工研制新型1 kW的SOFC电池堆,并成功运行了3000 h;1996年,10 kW常压SOFC连续运行5000h。2001年,三菱重工与电力开发株式会社共同开发成功10kW级的加压管式SOFC发电系统。该系统以天然气为燃料,采用内部重整方式,连续工作超过755h。该10kW 系统在64A的设计电流运行时,其电输出功率为10.2 kW,发电效率为41.5%(HHV),当电流为80A时,系统电输出功率可达到11.5kW;2013年,三菱重工的200kW的SOFC+MGT复合发电系统在东京燃气的千住科技中心内运转连续运转4000多小时,该系统的工作温度约为900℃,发电效率为50.2%(LHV)。

 

  Bloom energy
  Bloom Energy是美国一家致力于清洁能源的公司,成立于2001年,总部位于加州森尼韦尔。公司主要生产SOFC分布式电源。主要产品有ES5、ES-5700、ES5710等。Bloom Energy已经为美国 Google、eBay、Wal-Mart 等公司提供了超过100套的SOFC系统。

  宁波索福人能源技术有限公司
  宁波索福人能源创立于2014年,是一家从事SOFC发电系统研发的高科技公司。主要产品有ASC 30电堆(700W)、ASC 30电堆(2kW)、ASC 60电堆等。

  苏州华清京昆新能源科技有限公司
  华清新能源创建于2010年,主要业务包括能源新技术、新材料技术产品等,与SOFC相关的具体产品SOFC单电池、电堆、发电系统和千瓦级测试系统等,其中电堆主要有HS-101型、HS-102型、HS-102型等。

  2动力电源
  不久前,日产发布了世界上首款以SOFC动力系统驱动的燃料电池原型车。该车基于日产e-NV200研发打造,采用了酶生物燃料电池(e-Bio Fuel-Cell)技术,利用SOFC动力系统将贮存的生物乙醇转化为电能给汽车提供动力,续航里程超过600公里。目前,该原型车正在巴西公路上进行进一步的实地测试,日产也计划在2020年将乙醇SOFC电动车商业化。

  日产SOFC电动车的最大亮点是所用的燃料是液体生物乙醇而不是氢气。考虑到加氢站等基础设施建设严重滞后和高昂的建造成本,以及乙醇在制造、运输、储存上相对于氢气更加便宜、便捷和安全,乙醇SOFC电动车有可能打破氢质子交换膜燃料电池车的“垄断”,成为打开全球市场的主力军。

  六、SOFC 的展望
  以美国、日本为首,对SOFC领域持续投入了巨额资金,培育了如Bloom Energy、三菱重工等众多优秀企业。与国外相比,我国SOFC产业的发展远远滞后,国家的投入力度也远远不及国外。在国家政策层面上,因缺少具体的实施路线和目标节点,SOFC在中国的产业发展,任务艰巨困难,需要业内人士的共同努力。

参考文献:
[1] 魏增福,郑金. 燃料电池发电的研究现状与应用前景[J]. 广东电力, 2009,22(12)
[2] 固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统示范工程(3):日本三菱重工的SOFC系统. 中国电力,2009,42(4):88.
[3] 三菱重工日立电力系统.
http://www.mhps.com/en/technology/business/power/sofc/sofc_development.html
[4] KYOCERA[EB/OL]. http://global.kyocera.com/news/2012/0305_woec.html.
[5] Bloom energy官网[EB/OL].http://www.bloomenergy.com/
[6] 三菱重工官网[EB/OL].http://www.mhi.co.jp/discover/graph/175/domaininfo.html
[7] 宁波索福人能源技术有限公司官网.
[8] 苏州华清京昆新能源科技有限公司官网.
[9] Channel Auto汽车频道. 
http://www.channel-auto.com/ai_3_13467.html