文 韓敏芳

固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)前景

文 韓敏芳

燃料電池是人類能源利用領(lǐng)域的又一次變革性技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電，燃料電池的發(fā)電效率明顯提高，同時(shí)因?yàn)闇p少了化石原料燃燒的過(guò)程，減少了粉塵、有害氣體排放，因此更加清潔衛(wèi)生。

傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電是一個(gè)從化學(xué)能到熱能，再到機(jī)械能，最后到電能的過(guò)程。例如化石能源的利用過(guò)程，從化石能源出發(fā)，經(jīng)過(guò)燃燒，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在這個(gè)過(guò)程中，利用物理轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)能源形式的轉(zhuǎn)換，綜合發(fā)電效率約為35%～45%。燃料電池（Fuel Cell）是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，是從化學(xué)能到電能的一步式轉(zhuǎn)換，一次發(fā)電效率約為45%～60%。相對(duì)于傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電，燃料電池的發(fā)電效率明顯提高，同時(shí)因?yàn)闇p少了化石原料的燃燒過(guò)程，減少了粉塵、有害氣體排放，因此更加清潔衛(wèi)生。現(xiàn)有研究結(jié)果顯示，如果將燃料電池與其他能量循環(huán)形式聯(lián)合利用，可以達(dá)到70%～85%的轉(zhuǎn)換效率；如果是熱電聯(lián)供，可以達(dá)到80%～90%的轉(zhuǎn)換效率。因此，有人說(shuō)，燃料電池是人類能源利用領(lǐng)域的又一次變革性技術(shù)。

燃料電池有很多種，分類標(biāo)準(zhǔn)也各不相同。如果根據(jù)工作溫度區(qū)分，可以分為高溫、中溫和低溫燃料電池。另外也可以從電解質(zhì)中傳導(dǎo)的離子種類進(jìn)行區(qū)分，例如氫燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池-PEMFC）傳導(dǎo)氫離子，SOFC傳導(dǎo)氧離子。

電池由電解質(zhì)和兩側(cè)的電極組成，核心部分是電解質(zhì)，它的功能是進(jìn)行離子傳導(dǎo)。對(duì)于SOFC，空氣中的O2在固體氧化物燃料電池的陰極側(cè)捕獲電子變成氧離子(O2-)，氧離子通過(guò)致密的電解質(zhì)傳導(dǎo)到陽(yáng)極側(cè)，與燃料發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)物只有H2O和CO2。由于氧離子可以氧化大部分燃料，因此，固體氧化物燃料電池的燃料可以是氫氣，可以是工業(yè)副產(chǎn)品廢氫，還可以是煤氣、天然氣、生物質(zhì)氣等含碳燃料。由于固體氧化物燃料電池對(duì)燃料的選擇性相對(duì)較低，因此人們喜歡說(shuō)它是“吃粗糧”的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，SOFC具有很好的適應(yīng)性和效率，但從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，它卻是所有燃料電池中技術(shù)難度最高的一種。

尤為特別的是，SOFC器件正向運(yùn)行發(fā)電，逆向運(yùn)行可以把水電解成氫氣，把CO2變成CO，實(shí)現(xiàn)CO2和H2O的共電解制合成氣，整套設(shè)備的循環(huán)運(yùn)行穩(wěn)定性非常好（優(yōu)于單一的發(fā)電或電解運(yùn)行穩(wěn)定性）。利用西氣東輸?shù)墓艿揽梢詫a(chǎn)生的燃料氣輸送到東部。我國(guó)目前棄風(fēng)、棄水、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，采用SOFC逆向運(yùn)行方式可以將過(guò)剩電能轉(zhuǎn)化成H2和/或CO的化學(xué)能儲(chǔ)存。

SOFC采用模塊化設(shè)計(jì)、全固態(tài)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行壽命可長(zhǎng)達(dá)約8萬(wàn)小時(shí)，同時(shí)它不需要貴金屬作催化劑，因此不僅設(shè)備成本低，而且發(fā)電成本也低。以帶有二氧化碳捕獲功能的SOFC發(fā)電系統(tǒng)為例，發(fā)電成本可下降1/3，建設(shè)成本可以做到低于燃煤電廠。基于上述特點(diǎn)，我們認(rèn)為SOFC在分布式電站、動(dòng)力電源和大型發(fā)電站領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。

事實(shí)上，國(guó)際上已經(jīng)有采用SOFC分布式發(fā)電系統(tǒng)供電的成功案例。2017年5月剛剛竣工的蘋(píng)果公司總部大樓Apple Park里，獨(dú)立的微電網(wǎng)系統(tǒng)將服務(wù)總體建筑面積97萬(wàn)平方米，全套設(shè)備由17MW太陽(yáng)能和4MW SOFC發(fā)電系統(tǒng)組成。

國(guó)外燃料電池的快速發(fā)展和技術(shù)封鎖現(xiàn)狀，迫使我國(guó)的燃料電池發(fā)展只能走自主研發(fā)道路。2016年4月，國(guó)家發(fā)改委和能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃 (2016-2030年)》，將氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新列入其中第9項(xiàng)。2016年6月，國(guó)家發(fā)改委、工信部和能源局聯(lián)合發(fā)布《中國(guó)制造2025——能源裝備實(shí)施方案》，再次明確將燃料電池單獨(dú)列出，重點(diǎn)發(fā)展。

從2007年開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)展SOFC相關(guān)關(guān)鍵材料和基礎(chǔ)科學(xué)研究，到目前基本實(shí)現(xiàn)了突破SOFC諸多核心關(guān)鍵技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)了SOFC關(guān)鍵材料、電池核心元件、電堆模塊集成和獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)四部分技術(shù)全線貫通。在此基礎(chǔ)上，在山西晉煤集團(tuán)、新奧上海泛智公司等地陸續(xù)開(kāi)展了示范運(yùn)行。短短10年，我們突破了國(guó)外技術(shù)的封鎖，為中國(guó)SOFC產(chǎn)業(yè)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

作為一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)，從開(kāi)始階段進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)顯得尤為必要，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展也是發(fā)展之初要嚴(yán)肅面對(duì)的問(wèn)題。2016年，我國(guó)成立了中國(guó)能源研究會(huì)燃料電池專業(yè)委員會(huì)，2017年成立了能源行業(yè)高溫燃料電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，后續(xù)工作中推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)中心的建設(shè)，以規(guī)范行業(yè)的發(fā)展，相關(guān)事宜需要盡早提上日程。

韓敏芳：清華大學(xué)教授