文/王小龍

“綠色電站”搬回家成為現(xiàn)實
——小規(guī)模高效固體氧化物燃料電池研制成功

文/王小龍

風力發(fā)電沒有條件，太陽能電池效率太低，燃油發(fā)電機太不環(huán)保……如果這些能源都無法滿足你的需求，固體氧化物燃料電池(SOFC)或許是一個不錯的選擇。據(jù)物理學家組織網(wǎng)報道，美國西北太平洋國家實驗室日前開發(fā)出一種高效率的小規(guī)模固體氧化物燃料電池，能源轉化效率可達57%，其試驗系統(tǒng)可產(chǎn)生2千瓦的電力，非常適合家庭使用。加之其高效環(huán)保的優(yōu)勢，有望讓每家都擁有一個“發(fā)電站”成為現(xiàn)實。

什么是SOFC

在了解固體氧化物燃料電池之前，我們需要先知道什么是燃料電池。從外觀上看起來，燃料電池就像是一個蓄電池，有陰極、陽極也有電解質。但它們最大的不同之處在于，蓄電池是一個儲電裝置，燃料電池是一個發(fā)電裝置，它能夠讓具有可燃性的燃料與氧反應產(chǎn)生電。因此只要有持續(xù)的燃料供應，燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電力。

燃料電池最大的優(yōu)勢是高效和環(huán)境友好。目前普通燃油發(fā)電機只能把18%的化學能轉化為電能，如果是汽車發(fā)動機，其最終轉化率還不足15%。相比之下，不少燃料電池都可以實現(xiàn)30%到50%的轉化率。高效率意味著燃料電池能夠在消耗更少燃料、產(chǎn)生更少污染的情況下，產(chǎn)生與傳統(tǒng)發(fā)電廠相同的電量。

固體氧化物燃料電池是新一代燃料電池，能夠在高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化成電能。無論是氧氣、沼氣、氫氣還是柴油、汽油，都可以作為其發(fā)電的燃料。與其他燃料電池相比，固體氧化物燃料電池還具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點。

著眼于小放眼于大

固體氧化物燃料電池是一種很有前途的技術，能夠提供清潔高效的能源。到目前為止，大多數(shù)人都將注意力集中在能產(chǎn)生1兆瓦或更多電力的、可取代傳統(tǒng)發(fā)電站的較大系統(tǒng)的研究上，以期產(chǎn)生突破性的成果。為何西北太平洋國家實驗室的科學家非要劍走偏鋒，將注意力集中在小系統(tǒng)的研發(fā)上呢？

該實驗室固體氧化物燃料電池項目首席工程師文森特?斯普瑞克解釋說：“因為小系統(tǒng)也有優(yōu)勢，有時候甚至還能勝過大系統(tǒng)。”家庭和社區(qū)用戶就是這樣一個實例：如果安置大型系統(tǒng)，其產(chǎn)生的電力將超過附近地區(qū)的耗電量，如此一來就必須通過輸電線路將其輸送到其他地方。而這一過程必然會造成一些電力的損耗。另一方面，小系統(tǒng)更加輕便靈活，安裝位置可以更靠近用戶，輸送成本和損耗會更低，如果需要的話還能將其集成起來形成更大的系統(tǒng)。

為此，科學家們提出了一個設想，這個小型發(fā)電系統(tǒng)既要在效率上超過50%，又要在需要時能夠輕松擴展進行分布式發(fā)電。

兩項創(chuàng)新解難題

為了實現(xiàn)這一目標，讓小型系統(tǒng)產(chǎn)生接近甚至高于大型系統(tǒng)的效率，研究人員采用了兩項名為微通道和燃料循環(huán)的工藝。

固體氧化物燃料電池由陶瓷材料制成，分為正極、負極和電解液三個層次。工作時，經(jīng)過壓縮的空氣預熱后首先被泵入作為負極的外層，空氣中的氧氣會變成帶負電荷的超氧陰離子。而后負極和內部的電解質層相接，氧離子穿過電解液達到正極層，在那里氧離子與燃料發(fā)生反應產(chǎn)生電及副產(chǎn)品蒸汽和二氧化碳。

但此前的方法是讓蒸汽直接暴露于燃料電池之中，這會導致燃料電池中的陶瓷層受熱不均甚至損壞。新研究中，科學家們采用了一種微通道技術，讓蒸汽從外部完成和燃料電池的初步反應，不但減少了電池的損壞，還增加了反應的表面積，提高了反應效率。通過該技術，反應過程中的余熱和廢氣也能重新得到利用，又進一步減少了燃料的消耗。

實驗顯示，經(jīng)過優(yōu)化后的系統(tǒng)在2.2千瓦時、1.7千瓦時的效率分別可以達到48.2%和56.6%。研究小組預計，只需再進行幾個小的調整，他們還能將系統(tǒng)效能提高到60%。這不但高于內燃機15%的效率，也遠高于同等體積的其他燃料電池30%到50%的效率。他們制造的單個試驗系統(tǒng)已能產(chǎn)生2千瓦的電力，這與一個典型的美國家庭的耗電量大體相當。經(jīng)過擴展后，該系統(tǒng)還能升級到100千瓦至250千瓦之間，能夠滿足50個至100個美國家庭的用電需求。

斯普瑞克對這一結果十分滿意。他說：“雖然這種小型固體氧化物燃料電池成本較高，目前還無法大規(guī)模推廣，但這項工作向人們證實了這種技術的可行性，說明在增加發(fā)電量的同時減少二氧化碳排放并不是癡心妄想。”他希望這項技術能盡快在單個家庭或公司獲得應用。