固体氧化物燃料电池（SOFC）技术进展和产业前景

2017-11-06韩敏芳

民主与科学 2017年5期

文韩敏芳

文韩敏芳

燃料电池是人类能源利用领域的又一次变革性技术。相对于传统热机发电，燃料电池的发电效率明显提高，同时因为减少了化石原料燃烧的过程，减少了粉尘、有害气体排放，因此更加清洁卫生。

传统热机发电是一个从化学能到热能，再到机械能，最后到电能的过程。例如化石能源的利用过程，从化石能源出发，经过燃烧，转变为热能，再转变为电能，在这个过程中，利用物理转换实现能源形式的转换，综合发电效率约为35%～45%。燃料电池（Fuel Cell）是一种将燃料的化学能直接转换为电能的技术，是从化学能到电能的一步式转换，一次发电效率约为45%～60%。相对于传统热机发电，燃料电池的发电效率明显提高，同时因为减少了化石原料的燃烧过程，减少了粉尘、有害气体排放，因此更加清洁卫生。现有研究结果显示，如果将燃料电池与其他能量循环形式联合利用，可以达到70%～85%的转换效率；如果是热电联供，可以达到80%～90%的转换效率。因此，有人说，燃料电池是人类能源利用领域的又一次变革性技术。

燃料电池有很多种，分类标准也各不相同。如果根据工作温度区分，可以分为高温、中温和低温燃料电池。另外也可以从电解质中传导的离子种类进行区分，例如氢燃料电池（质子交换膜燃料电池-PEMFC）传导氢离子，SOFC传导氧离子。

电池由电解质和两侧的电极组成，核心部分是电解质，它的功能是进行离子传导。对于SOFC，空气中的O2在固体氧化物燃料电池的阴极侧捕获电子变成氧离子(O2-)，氧离子通过致密的电解质传导到阳极侧，与燃料发生氧化反应，产物只有H2O和CO2。由于氧离子可以氧化大部分燃料，因此，固体氧化物燃料电池的燃料可以是氢气，可以是工业副产品废氢，还可以是煤气、天然气、生物质气等含碳燃料。由于固体氧化物燃料电池对燃料的选择性相对较低，因此人们喜欢说它是“吃粗粮”的燃料电池发电系统。从实际应用来看，SOFC具有很好的适应性和效率，但从技术角度来说，它却是所有燃料电池中技术难度最高的一种。

尤为特别的是，SOFC器件正向运行发电，逆向运行可以把水电解成氢气，把CO2变成CO，实现CO2和H2O的共电解制合成气，整套设备的循环运行稳定性非常好（优于单一的发电或电解运行稳定性）。利用西气东输的管道可以将产生的燃料气输送到东部。我国目前弃风、弃水、弃光现象严重，采用SOFC逆向运行方式可以将过剩电能转化成H2和/或CO的化学能储存。

SOFC采用模块化设计、全固态结构，运行寿命可长达约8万小时，同时它不需要贵金属作催化剂，因此不仅设备成本低，而且发电成本也低。以带有二氧化碳捕获功能的SOFC发电系统为例，发电成本可下降1/3，建设成本可以做到低于燃煤电厂。基于上述特点，我们认为SOFC在分布式电站、动力电源和大型发电站领域均有广阔的应用前景。

事实上，国际上已经有采用SOFC分布式发电系统供电的成功案例。2017年5月刚刚竣工的苹果公司总部大楼Apple Park里，独立的微电网系统将服务总体建筑面积97万平方米，全套设备由17MW太阳能和4MW SOFC发电系统组成。

国外燃料电池的快速发展和技术封锁现状，迫使我国的燃料电池发展只能走自主研发道路。2016年4月，国家发改委和能源局联合发布《能源技术革命创新行动计划 (2016-2030年)》，将氢能与燃料电池技术创新列入其中第9项。2016年6月，国家发改委、工信部和能源局联合发布《中国制造2025——能源装备实施方案》，再次明确将燃料电池单独列出，重点发展。

从2007年开始，我国开展SOFC相关关键材料和基础科学研究，到目前基本实现了突破SOFC诸多核心关键技术，拥有自主知识产权，实现了SOFC关键材料、电池核心元件、电堆模块集成和独立发电系统四部分技术全线贯通。在此基础上，在山西晋煤集团、新奥上海泛智公司等地陆续开展了示范运行。短短10年，我们突破了国外技术的封锁，为中国SOFC产业发展打下了坚实基础。

作为一个全新的产业，从开始阶段进行系统的规划设计显得尤为必要，引导产业的健康有序发展也是发展之初要严肃面对的问题。2016年，我国成立了中国能源研究会燃料电池专业委员会，2017年成立了能源行业高温燃料电池标准化技术委员会，后续工作中推动标准检测中心的建设，以规范行业的发展，相关事宜需要尽早提上日程。