中國(guó)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(kāi)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(guó)家普遍把它作為一種戰(zhàn)略?xún)?chǔ)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(yáng)極,、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽(yáng)極為燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所,，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所,，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源,，其陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極表面吸附燃料氣體,，并通過(guò)陽(yáng)極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)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(shì)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(yáng)極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng),，失去的電子通過(guò)外電路回到陰極,。

SOFC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

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

（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(lái)的腐蝕和泄露問(wèn)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(shí)現(xiàn)幾乎零的CO₂排放。

（2）發(fā)電效率高,。SOFC可以通過(guò)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(shì)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(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，熱電聯(lián)動(dòng)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(yáng)極3部分組成，其中SOFC的電解質(zhì),、陰極和陽(yáng)極都是陶瓷材料,，因此SOFC又被稱(chēng)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(yáng)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(guó)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(guó)家的企業(yè)開(kāi)發(fā)出了商業(yè)化應(yīng)用的SOFC發(fā)電系統(tǒng)。

美國(guó)的Bloom Energy公司是SOFC行業(yè)公認(rèn)技術(shù)實(shí)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(kāi)披露的數(shù)據(jù)顯示，2019年的裝機(jī)容量為120MW左右,。

美國(guó)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(chǎng)。

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(xiàn)，發(fā)電效率可達(dá)54%,。

德國(guó)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(guó)電堆生產(chǎn)商CeresPower,，引進(jìn)電堆生產(chǎn)線(xiàn),，并且開(kāi)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(guò)1500套,，但由于成本較高,，其市場(chǎng)規(guī)模仍然不大。

我國(guó)SOFC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況

從上世紀(jì)90年代開(kāi)始,，我國(guó)一些高校和研究所在科技部的支持下開(kāi)始SOFC技術(shù)的研究工作,。最早參與開(kāi)發(fā)研究的單位包括中國(guó)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(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)等,。

隨著技術(shù)成熟度逐步提高,，越來(lái)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(guó)電子陶瓷領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，從2004年開(kāi)始開(kāi)展SOFC相關(guān)技術(shù)的開(kāi)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(chǎng)上最大的SOFC單電池供應(yīng)商,。

此外,，濰柴動(dòng)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(guó)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(kāi)展SOFC的產(chǎn)業(yè)化工作,。

（華清固體氧化物燃料電池項(xiàng)目）

即便如此，國(guó)內(nèi)SOFC產(chǎn)業(yè)與美國(guó),、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(guó)的SOFC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，都還是停留在實(shí)驗(yàn)室和樣機(jī)階段,，沒(méi)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(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)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(guó)內(nèi)參與SOFC的開(kāi)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(dòng)力股份有限公司經(jīng)濟(jì)實(shí)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(kāi)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(diǎn)，是當(dāng)前國(guó)際燃料電池發(fā)展的主要方向,，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰,、碳中和”任務(wù)的突破點(diǎn)之一。中國(guó)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(shí),，來(lái)自山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院陶瓷膜事業(yè)部的總經(jīng)理趙世凱先生帶來(lái)題為《固體氧化物燃料電池及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)》的報(bào)告,。趙總將在會(huì)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(duì)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(jì)劃參會(huì)的單位可以聯(lián)系會(huì)務(wù)組,，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時(shí)間通知您！）

專(zhuān)家介紹：

趙世凱,，高級(jí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任,，哈爾濱工業(yè)大學(xué)校外碩士研究生導(dǎo)師,，長(zhǎng)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(kāi)發(fā)及應(yīng)用推廣工作,。主持/承擔(dān)國(guó)家（省市）級(jí)項(xiàng)目17項(xiàng)，主持國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng),，授權(quán)發(fā)明18項(xiàng),。完成科技成果鑒定4項(xiàng)，獲得省部（市）級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)7項(xiàng),。牽頭開(kāi)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(guó)外技術(shù)壟斷。

參考來(lái)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(guó)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(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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