中國粉體網訊 隨著能源的日趨枯竭和環境惡化，高效、清潔的新型能源的開發與利用將成為21世紀能源發展的重要選擇。固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種將燃料與氧化劑中的化學能直接轉換成電能的全固態電化學發電裝置，能量轉換效率高，可達到60%左右，產生的熱進行熱電聯供效率可達到80%以上，是目前最為前沿、也是技術難度最高的一代燃料電池，世界上發達國家普遍把它作為一種戰略儲備技術。
（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，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質組成，陽極為燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，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極一側持續通入燃料氣，例如：氫氣（H2）、甲烷（CH4）、煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續通入氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變為O2-，在化學勢的作用下，O2-進入起電解質作用的固體氧離子導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發生反應，失去的電子通過外電路回到陰極。
SOFC技術的優勢
SOFC與常用的分布式發電設備相比，具有明顯的優勢。
（1）安全環保。SOFC采用全固態陶瓷結構，可有效避免液態電解液帶來的腐蝕和泄露問題，且不需要使用鉑等貴金屬催化劑，成本低；此外，SOFC的反應產物僅為CO2和H2O，水蒸氣的冷凝可用于捕集CO2氣體，并實現幾乎零的CO2排放。
（2）發電效率高。SOFC可以通過電化學反應將燃料的化學能直接轉換為電能，不受卡諾循環效率限制，電效率可達到55％，高效率優勢明顯。
（3）燃料選擇廣泛。SOFC可使用經脫硫和粉塵顆粒后的化工副產氫，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發電產生余熱，可實現熱電聯供，熱電聯動發電效率高達80％。
SOFC的關鍵材料
所有的燃料電池單電池都是由電解質、陰極和陽極3部分組成，其中SOFC的電解質、陰極和陽極都是陶瓷材料，因此SOFC又被稱為陶瓷基燃料電池。
其中SOFC的電解質是致密的氧離子導體，主要是螢石型結構氧化物或鈣鈦礦結構氧化物；電極是多孔的氧離子和電子混合導體，其中陽極主要是金屬陶瓷復合材料或鈣鈦礦結構氧化物材料，陰極主要是鈣鈦礦結構氧化物材料。電解質材料的氧離子傳導性能和電極的荷電傳導及催化活性共同決定了SOFC的性能。
國外SOFC產業的發展狀況
目前，SOFC還處于商業化初期，僅少數發達國家的企業開發出了商業化應用的SOFC發電系統。
美國的Bloom Energy公司是SOFC行業公認技術實力最強的公司，其主打產品是50KW規格，發電效率可達65%。根據該公司公開披露的數據顯示，2019年的裝機容量為120MW左右。
美國的BloomEnergy公司SOFC系統
日本三菱日立電力系統公司2018年宣布250KW和1MW規格的聯合發電產品，面向商業和工業市場。
日本京瓷在2017年宣布推出3KW的SOFC系統，應用在小型商業領域。該技術采用平板管狀電池技術路線，發電效率可達54%。
德國博世也積極布局SOFC的全產業鏈，2018年和2019年兩次投資英國電堆生產商CeresPower，引進電堆生產線，并且開發10KW的SOFC熱電聯供系統，發電效率達到60%。
澳大利亞的CFCL早在2010年就在歐洲推出了1.5KW的家用熱電聯供SOFC系統，發電效率達68%，目前在歐洲安裝超過1500套，但由于成本較高，其市場規模仍然不大。
我國SOFC產業的發展情況
從上世紀90年代開始，我國一些高校和研究所在科技部的支持下開始SOFC技術的研究工作。最早參與開發研究的單位包括中國科學院上海硅酸鹽研究所、寧波材料研究所、大連物理化學研究所及中國礦業大學(北京)等。
隨著技術成熟度逐步提高，越來越多的企業參與到該產業。潮州三環(集團)股份有限公司是較為突出的一家，該公司是我國電子陶瓷領域的龍頭企業，從2004年開始開展SOFC相關技術的開發和量產工作，目前，已經成為全球最大的SOFC電解質隔膜供應商和歐洲市場上最大的SOFC單電池供應商。
此外，濰柴動力股份有限公司也在積極布局燃料電池的業務，2018年成為英國CeresPower的第一大股東，進入SOFC領域。徐州華清京昆能源有限公司、寧波索福人能源技術有限公司也在積極開展SOFC的產業化工作。
（華清固體氧化物燃料電池項目）
即便如此，國內SOFC產業與美國、日本和歐洲的先進水平相比，還有較大的差距，主要體現在以下方面：
（1）尚未出現商業化的SOFC系統。我國的SOFC系統開發，都還是停留在實驗室和樣機階段，沒有商業化的SOFC引領，產業的參與度較低；
（2）SOFC產業鏈還不完整。SOFC工作溫度高，所用的換熱器、燃燒器、預重整器、水蒸氣發生器、電源、電控系統都是高度定制化的產品，目前，國內還沒有專業廠家供應相關的核心零部件；
（3）參與的企業較少，技術力量不強。國內參與SOFC的開發和產業化的企業不多，除了潮州三環(集團)股份有限公司、濰柴動力股份有限公司經濟實力較強，其他參與的公司規模較小，而日本、歐洲參與該技術開發都是大型的知名企業。
固體氧化物燃料電池具有發電效率高、燃料適用范圍廣、制造成本低等特點，是當前國際燃料電池發展的主要方向，也是我國實現“碳達峰、碳中和”任務的突破點之一。中國粉體網將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術與產業高峰論壇”。屆時，來自山東工業陶瓷研究設計院陶瓷膜事業部的總經理趙世凱先生帶來題為《固體氧化物燃料電池及其產業化技術》的報告。趙總將在會上介紹固體氧化物燃料電池基本情況，從產業化層面對相關技術進行解析，并提出產品和技術的發展方向。（鑒于當前防控需要，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與產業高峰論壇”將延期舉辦，計劃參會的單位可以聯系會務組，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時間通知您！）
專家介紹：
趙世凱，高級工程師，中央企業青年崗位能手，建材行業陶瓷膜材料重點實驗室副主任，哈爾濱工業大學校外碩士研究生導師，長期從事環保、能源領域用陶瓷膜材料的科技創新、研究開發及應用推廣工作。主持/承擔國家（省市）級項目17項，主持國家標準2項，授權發明18項。完成科技成果鑒定4項，獲得省部（市）級獎勵7項。牽頭開發的陶瓷膜產品，先后在煤化工、有色冶煉、深度水處理等領域實現了商業化應用，打破了國外技術壟斷。
參考來源：
[1]陳爍爍.固體氧化物燃料電池產業的發展現狀及展望
[2]常貴可等.國內固體氧化物燃料電池研究現狀與展望
[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展
（中國粉體網編輯整理/山川）
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