SOFC 工作原理
管式 SOFC
平板式 SOFC
SOFC 混合分布式发电系统
摘要：固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将燃料化学能转换为电能的能量转 换装置，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，而且具备燃料适应性广、清洁 无污染、全固态结构、不使用贵金属催化剂等优点。SOFC 技术的应用领域十分广 泛，不但能够对氢能进行绿色高效利用，还能实现对传统化石能源的高效清洁利 用，为实现我国碳达峰、碳中和目标做出重要贡献。介绍了国内外 SOFC 产业的发展现状，对产业发展前景进行了分析；针对我国 SOFC 产业发展所遇到的困难提出了相应的解决办法和建议。
中国是目前全球最大的能源消费国，在所有的能源消费中，化石能源消费占比达到 85%。中国的能源禀赋是“富煤缺油少气”，其化石能源消耗中占比最大的是煤炭，这就造成了中国的 CO2排放问题，2022 年 CO2排放量达到了 121 亿 t[1]，占全球总排放量的 32.88%，“双碳”目标的实现面临较大压力。中国的石油和天然气对外依存度分别达到了 70%和 40%[2]，对我国的能源安全造成了巨大的挑战。在这样的大背景下，中国的能源结构调整势在必行，必须发展多元化的能源结构。氢能在“替煤减碳”过程中发挥着积极作用，尤其是对于风能、太阳能等可再生能源生产的绿氢，其生产及使用中不排放任何 CO2。近几年来，国内氢能“热度”也不断攀升，2022 年 3 月，国家发改委正式发布《氢能产业发展中长期规划（2021—2035 年）》，明确了氢能在我国能源绿色低碳转型中的战略地位。
燃料电池可以直接将燃料中化学能转化为电能，根据电解质的不同，主要有碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等类型。SOFC 是一种全固态燃料电池，又称为陶瓷燃料电池，其主要优点是不使用贵金属催化剂、运行温度高、燃料适用范围广、余热温度高、适合热电联产，近年来发展速度为各种类型燃料电池之首[3-5]。SOFC 不但能够对氢能进行绿色高效利用，还能实现对传统化石能源的高效清洁利用。
1.国际产业发展现状
美国、欧洲、日本等发达国家在 SOFC 技术方面处于领先地位，目前已经基本实现了 SOFC 的商业化运行，产业规模不断扩大。
1.1 美国
1937 年，美国制造了历史上第一台 SOFC；1962 年美国西屋公司开始研究SOFC，80 年代获得突破；2000 年西门子-西屋公司制造出规模 200kW 的 SOFC 电站。美国的 SOFC 累计装机量领先全球，其主要应用场景是大中型工/商业用供电。Bloom Energy 公司是目前技术最强的公司，其技术相对成熟，运行可靠性好，该公司开发的 SOFC 主打产品规格为 50kW 模组，通过多模组的组合最大可以做到几十兆瓦的燃料电池系统，其产品目前已应用在苹果、谷歌等多家公司。BloomEnergy 与三星重工合作，预计到 2022 年,船舶应用实现年装机量 300MW。2021 年与韩国 SK 集团开展合作，在 2022—2025 年至少增加 500MW 的装机量。另一家全球燃料电池领域的著名企业是美国 Fuel Cell Energy 公司，其开发的 250kW SOFC系统能够作为制氢的电解器或发电的燃料电池运行，还能够使用多种燃料，包括天然气、可再生沼气或氢气[6]。
1.2 欧洲
与美国的 SOFC 市场偏向大中型工/商业用供电系统不同，欧洲市场的主要推广方向是微型热电联供（Micro-CHP）系统，其中比较有代表性的企业有 Sunfire、Ceres Power、Solid Power、Hexis、Elcogen、Convion、Topose、博世等。德国 Sunfire公司是基于碱性以及固体氧化物技术生产工业电解槽的全球领导者，其 SOC（固体氧化物电池）电堆正向发电，反向操作可以电解制氢。Sunfire 近期聚焦于 SOEC系统，2021 年试运营了目前世界上最大的 250kW 的 SOEC 电解制氢示范系统，每1h 可生产 5.7kg 的氢气。2022 年该公司在荷兰鹿特丹的 Neste 炼油厂安装世界上首台 2.6MW 的高温电解槽。近年 Sunfire 正在迅速扩大其生产能力，并筹集了更多资金，2022 年获得 2.15 亿美元 D 轮融资，并签署高达 640MW 的电解槽协议。英国 Ceres Power 是新一代低成本燃料电池技术领导者，其特有的 Steel Cell 技术，源自英国帝国理工学院[7]，具有启动速度快、功率密度高的优势。Ceres Power产品在住宅、商业发电和交通领域都有商业化应用。因为不锈钢有很高的热导率和电导率，所以其工作温度很低，启动快，可以用于汽车。近年来 Ceres Power也在积极推固定式发电和 SOEC 的市场。Ceres Power 在 2018 年被潍柴动力收购了 20%的股份，已经跟潍柴动力、博世、康明斯一起开发出 30kW 的商用车增程器。意大利 Solid Power 公司主要开发 micro-CHP 系统，其开发的 2.5kW 规模ENGEN2500 系统总效率约 90%。截止到 2018 年已销售超过 1000 台 BlueGEN 发电系统。瑞士 Hexis 公司是高温燃料电池技术领域的世界领先公司之一，主要面向电功率小于 10kW 的固定应用，为单户家庭、多户公寓建筑、小型商业应用设计和生产基于燃料电池的微型热电联产装置[8]。目前主打的商业化产品，输出电功率 1.505 kW，电效率 40%，输出热功率 2.1kW，系统总效率达到 90%，系统寿命为 10 年。爱沙尼亚 Elcogen 公司的 SOFC 在将燃料转化为电能方面创造了 74%的世界纪录。Elcogen 公司的产品是 SOFC 单片电池和电堆，Elcogen 从 2021 年开始，计划每年生产约 50MW 的电池，在 SOFC 系统方面则是与 Magnex 公司合作。Magnex 是日本 SOFC 系统开发商，正在开发 250W 的 SOFC 便携式系统和1~5kW的SOFC沼气/乙醇热电联产系统，目标是在三年内销售超过3000SOFC产品 [9]。德国博世也在积极布局 SOFC 产业链，2018 和 2019 年两次投资英国电堆生产商 Ceres Power，引进电堆生产线，并且开发出 10kW 的 SOFC 热电联供系统，发电效率达到 60%，其主要的应用市场是小型的工商业和数据中心[10]。
1.3 日本
日本的 SOFC 产业在新能源产业技术综合开发机构（NEDO）领导下发展迅速，特别是有政府补助的家用燃料电池热电联供（ENE-FARM）计划，其小型家庭 SOFC 热电联供技术成熟可靠，保有量居世界首位。日本主要的 SOFC 企业有京瓷、大阪燃气、三菱日立、爱信精机等。日本京瓷从 1985 年开始开发燃料电池，一直挑战小型 SOFC 的技术开发，京瓷的电池堆在 2011 年便安装在日本的家用SOFC 发电系统中。现在已经实现第三代更小型化的产品，产品发电功率达 700W，实现了 9 万小时连续工作、360 次启停、12 年设计寿命[11]。三菱重工从上世纪 80年代开始开发 SOFC 技术，2001 年开发出 10kW 级的管式 SOFC 发电系统，2013 年成功运行 200kW 的 SOFC+MGT 复合发电系统，2014 年成立了三菱日立电力系统株式会社，致力于 SOFC 联合循环大型发电系统研发，2018 年宣布实现商用 250kW以及 1 MW 的联合发电产品。
2.国内产业发展现状
中国的 SOFC 研究开发工作主要在科研院所和高校，资金来源主要是国家或地方科技项目支持。中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学物理研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、中国科学技术大学、中国矿业大学、华中科技大学等单位都在长期坚持对 SOFC 的研发，经过几十年的积累，已经初步掌握了从原材料生产、大面积单电池批量生产制备、电堆组装到整个 SOFC系统的设计开发技术。但是同欧美日的先进水平及商业化应用相比，我国的 SOFC产业处在工业示范向商业应用的过渡阶段，商业化的曙光开始显现，这吸引了许多企业开始参与进来，促进了产业发展。潮州三环集团目前是全球 SOFC 隔膜板主要供应商之一，2005 年开始给全球固态燃料电池领军企业 Bloom Energy 供应电解质片。该公司于 2012 年收购了澳大利亚 CFCL 公司，掌握了 SOFC 的成套技术，2022 年成功运行了由 3 个 35kW 模组组成的 100kW 示范系统。2023 年 1 月同广东省能源集团有限公司合作开展的“210kW 高温燃料电池发电系统研发与应用示范项目”，在广东惠州天然气发电有限公司顺利通过验收。本次项目前后安装的 6 台 35kW SOFC 系统，总功率≥210kW，平均交流发电净效率 61.8%，运行时间最长的机台已超过 5000 小时，系统热电联供效率高达 91.2%，实现了 210kW SOFC 固定式发电系统的集群研究和应用示范[12]。潍柴动力 2018 年 5 月战略投资全球领先的 SOFC 技术公司英国希锂斯，成为其最大股东。目前潍柴动力已经实现了 SOFC 技术的工程化突破，全面掌控了新一代 SOFC 关键核心技术，其 2023 年 2 月发布的 120kW 产品是全球首款大功率金属支撑 SOFC，净发电效率超过 60%，热电联产效率达到 92.55%，在大型 SOFC 系统中全球最高[13]。除上述两家上市企业外，像国家能源集团、中石油、中石化、广东能源集团、南方电网等央企也在积极布局 SOFC 产业，主要是因为这些企业自己有燃料、有市场、偏向于实际应用。此外还有几个初创企业具备较强的技术实力，宁波索福人是 SOFC 行业里面技术比较全面的一家，打通了从粉体到系统的技术路线，以平板式的 SOFC 为主，出自中科院宁波材料所，现在最大的系统功率做到了 25kW。浙江氢邦科技有限公司的技术也是来自于中科院宁波材料所燃料电池团队，核心技术是高性能、长寿命、高可靠性的大面积平管型 SOFC，目前开发出了 5kW 级的电堆，正在开发 SOFC 系统。徐州华清京昆技术背景是清华大学，2019 年在徐州建立 25MW 的电池生产线。华科福赛的技术背景是华中科技大学，该公司也打通了粉体到系统的技术路线，2015 年发布了一个 5kW 的天然气 SOFC 发电系统。浙江臻泰新能源公司采用独特的平管式电池结构，目前最大的电堆可以做到 1kW，其反应温度约 650℃，电堆运行稳定性好，也具备做配套系统的能力。
3.应用前景分析
3.1 应用场景
在能源结构转型和“双碳”目标的背景下，SOFC 技术因为其效率高、燃料适应性广、清洁无污染、全固态结构、不使用贵金属催化剂等技术特点，展现出越来越广阔的应用前景，不但能实现化石能源高效清洁利用、降低碳排放，还能促进绿氢产业发展，改善我国的能源结构。具体的应用场景有以下几个方面：
（1）小型家庭热电联供系统
小型 SOFC 家庭热电联供系统能够为家庭住宅提供电能和热水，在节能减排以及电力的削峰填谷方面优势明显。这方面日本已经有了成功的先例，其家用热电联产产品“ENE Farm”自 2009 年 5 月已经累计销售超过 11 万台。
（2）分布式发电
SOFC 发电效率高、无噪音、无污染排放、功率范围调整灵活，可以提供百kW 到几十 MW 功率的燃料电池系统，特别适合作为分布式发电或者数据中心的备用电源。Bloom Energy 公司开发的产品目前已在苹果、谷歌、易趣等众多公司得到应用，在美国安装超过 130MW 的 SOFC 燃料电池。
（3）交通领域
SOFC 作为车辆、轮船、无人机等工具的辅助或者动力电源也得到了推广应用。2016 年日产发布了世界首辆 SOFC 作为动力源的汽车，SOFC 的燃料是生物乙醇，续航里程可超过 600km。Bloom Energy 公司与三星重工合作，计划将产品应用于船舶电源，预计到 2027 年，将有超过 100 艘邮轮需要超过 4GW 电池订单。
（4）大型发电站
CO2 近零排放的大型煤气化燃料电池发电技术（IGFC）是将整体煤气化联合循环发电（IGCC）与高温固体氧化物燃料电池或 MCFC 相结合的发电系统，发电效率更高，CO2 捕集成本低，是煤炭发电的根本性变革技术[14，15]。三菱日立电力则致力于 SOFC 联合循环大型发电系统研发，2018 年实现商用 250kW 和 1MW 规格的联合发电产品。
（5）反向电解制氢
SOFC 正向运行可发电，逆向运行可实现电解，即为固体氧化物电解池（SOEC）。SOEC 可以通过电解水制氢，把与负荷不匹配而浪费的电能储存到氢气中，且电解效率高达 85%～95%，远高于其他电解技术。
3.2 我国SOFC产业发展瓶颈
3.2.1 电堆寿命
电堆是 SOFC 的核心部件，主要涉及高稳定性密封材料的开发，高效稳定连接体材料、低热应力、热梯度、低成本的电堆核心技术，目前全球仅少数公司掌握长寿命、高可靠性电堆的设计和生产技术。最棘手的问题是电堆密封材料，电堆的密封是用高温玻璃胶或高温陶瓷胶来密封的，而玻璃、金属和电池片的热膨胀系数不同，在高温、电流、气流扰动的工作条件下，电堆密封结构容易被破坏而导致性能衰减，电堆启停次数受到严重制约。目前国内并未解决好平板式 SOFC电堆的密封问题，SOFC 系统使用寿命无法保证。
3.2.2 大功率系统开发
100kW 规模的 SOFC 系统是应用最广泛的系统。近几年时间我国才开始出现100～200kW 规模的 SOFC 系统示范装置的报道，在电堆模组设计、集成及批量化装配，温度场、流场的均一化控制，长周期运行方面还缺乏经验，没有完全掌握相关的核心技术。只有开发出高效、长周期稳定运行的大功率系统，才能实现固体氧化物燃料电池的产业化。
3.2.3 配套系统不够完善
SOFC 的产业链很长，相应的配套产业多，比如双极板的涂层技术、高稳定密封材料、辅助系统 BOP 相关设备，缺乏成熟的配套供应体系。尤其是 SOFC 辅助系统 BOP 设备的设计、加工和测试都不完善，高温换热器、氢气循环泵、蒸汽发生器等关键设备都需要定制，有些甚至必须要进口，使得 SOFC 系统的生产制造成本高企。
3.2.4 缺乏有力的政策支持
欧、美、日等具备先进固体氧化物燃料电池技术的商业化过程可以看到，固体氧化物燃料电池产业发展需要政府的引领规划和政策支持，特别是在商业化的前期阶段，财政补贴显得尤为关键。目前我国在 PEMFC 领域有针对性政策支持，但在 SOFC 领域缺乏有力的支持政策，同欧美等发达国家的补贴力度相比还不够大。
3.2.5 资本投入不足
国外 SOFC 行业中发展好的企业都得到了资本的大力支持，国内除潮州三环集团、潍柴动力具备较为雄厚的资本，多数颇有实力的相关企业属于科研院所人员基于多年研究成果设立的初创型公司，融资较为困难，商业化产品进展缓慢。资本投入不足，市场规模小、利润低，反过来造成相关配套企业少、积极性不高，对 SOFC 产业化发展造成双重打击。
3.3 未来发展趋势
3.3.1 运行温度中、低温化
高温操作能够提升系统发电效率，但是从工程实际应用的角度来看会造成SOFC 性能下降，如电池材料不同相之间的缓慢扩散、电极材料在高温下烧结失活、电堆密封材料失效漏气等，造成电池部件性能下降甚至失效，降低电池的寿命。如果将 SOFC 的操作温度降下来，不但能降低电堆和装置的制作成本，还能改善电堆密封问题，加速 SOFC 的产业化。目前有两条技术路线可降低操作温度，一是开发合适的中低温型电解质材料；二是通过先进的薄膜制备技术减小传统的电解质厚度。
3.3.2 燃料多样化
SOFC 的优点之一是燃料适应性强。氢气极难压缩液化的物理特性，决定了规模化的储氢和运氢是一个比较难实现的问题。如果把氢跟碳去结合，或者是跟氮结合生成甲烷、甲醇、乙醇或者是氨气这样的储氢介质，就能解决氢气的存储和运输问题，而 SOFC 可以直接将这些储氢介质当作燃料使用。通过大型煤气化燃料电池发电技术（IGFC），SOFC 还可以间接地将煤炭作为燃料，同时实现 CO2及污染物近零排放。
3.3.3 电池结构多样化
SOFC 电池结构的不同决定了其性能禀赋和适用场景，从目前成熟的商用电池来看，三菱动力、Bloom Energy、Ceres Power 和日本京瓷的电池结构都是不一样的，虽然它们各有优缺点，系统规模和应用场合各有不同，但是电池可靠性好，能够实现长周期稳定运行。SOFC 的应用场景十分广泛，因此也需要不同技术特点的电池与之匹配，电池结构多样化趋势越发明显。
4.结语
SOFC 因其有发电效率高、燃料适应性强等突出的优点，具有广阔的应用前景。目前，欧、美、日等国家已实现 SOFC 的商业化应用，我国的 SOFC 系统还处在工业示范阶段，距离商业化应用还有较大差距。我国 SOFC 技术发展及商业化应用面临诸多难题，首先需要加强应用基础研究，掌握长寿命、高可靠性电堆的设计和生产制备技术，开发出高效、长周期稳定运行的大功率系统。在商业化初期还需要国家政策的支持和财政补贴，需要资本的大力投入，使产业初步实现规模化，同时能促进相关配套产业链不断完善，形成良性循环，实现 SOFC 产业快速、健康、有序发展，助力我国能源结构转型和实现“双碳”目标。
