张新宝，张 超，孟凡朋，樊震坤

（山东硅元新型材料股份有限公司，淄博255086）

引言

随着我国综合实力的不断提升，推动了人类经济社会和现代文明高速发展，也带来了严峻的能源和水质恶化、空气污染、土壤破坏等环境问题。在现代化和工业化向前推进过程中，绝大多数的能量转化都是通过热机过程来实现的。热机工作运行过程受到卡诺循环条件的严重限制，在能量转化中热能效率相对较低，能源消耗浪费也变得比较严重［1，2］，大大降低了整体产业的竞争力，而且产生大量的粉尘、二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物等有害物质，从而直接导致自然大气污染、水质环境污染、土壤土质污染等问题，使人类的生存环境受到严重威胁。因此，除了通过能源多样化来强化能源安全保障、创造低碳社会之外，从新能源相关产业的创造和扩大就业机会的观点来看也极其重要，并且有望依靠新能源推进区域经济活性化［3，4］。

固体氧化物燃料电池（SOFC）技术由于其出色的发电特性，已成为可以改变现代能源发电方式的新一代能源技术。SOFC 可以通过电化学反应将燃料的化学能直接转换为电能，发电效率高，产物为水和二氧化碳，被广泛认为是一种高效率的清洁能源发电技术。SOFC 呈三明治结构（见图1），其阴极、电解质、阳极均为氧化物陶瓷材料［5］。

1 国内外发展情况

到目前为止，SOFC 技术经历了从高温（1000℃左右）到中低温（500～850℃）、从管式到平板式的不同设计。Westinghouse 公司率先开发了大直径管式SOFC 的研制，1997 年成功地展示了第一个高温管式SOFC 发电站，并已积累了2 万小时以上的运行经验。国际上，日本、美国等国家的SOFC 产业已经较为成熟。自2008 年以来，日本的SOFC 技术发展迅猛，主要应用于家用燃料电池热电联供系统［6，7］。2016 年，日产公司发布了世界首款SOFC轿车，使用乙醇作为燃料，配备24 千瓦时的动力电池，续航600 公里。在美国，苹果公司新总部大楼已经建成了10 兆瓦的SOFC 微电网系统；洛克希德马丁公司的“潜行者”无人机主要采用SOFC 和锂电池结合动力系统，空中飞行持续时间超过8 小时。国际知名SOFC 企业主要有日本三菱重工、京瓷、大阪煤气、日立造船［8］，美国Bloom Energy、GE、洛克希德马丁，英国Ceres Power，韩国KCERACELL、KOREA SOFC FORUM、HNPOWER 等。

图1 固体氧化物燃料电池示意图

在国内，SOFC 技术研发起步相对比较晚，企业大多处于研发和示范工程阶段。主要企业有潮州三环、苏州华清、宁波索福人、佛山索福克等公司，目前潍柴动力、中广核集团、晋煤集团也开始进军SOFC 行业。虽然企业较多，但只有潮州三环真正具备产业化能力。潮州三环是我国电子陶瓷领域的龙头企业，从2004 年开始开展SOFC 相关技术的开发和量产工作，到目前为止，已经成为全球最大的SOFC 电解质隔膜供应商和欧洲市场上最大的SOFC 单电池供应商。

2018 年，全球SOFC 总出货量约为3 万件，对应功率规模为90 多兆瓦。出货量的增加主要来自于日本家用燃料电池热电联供系统项目（ENEFARM），功率规模的增加主要来自于美国Bloom Energy 公司。我国潮州三环的电解质薄膜和单电池则主要供往欧洲市场。据日本富士经济、赛瑞研究等机构预测，2025 年全球燃料电池系统的市场规模将达到三千亿元，其中SOFC 所占份额不低于30%；2030 年市场规模将突破万亿。

2 SOFC 技术的优势

SOFC 与常用的分布式发电设备相比，具有明显的优势［9～11］：

（1）安全环保。SOFC 采用全固态陶瓷结构，可有效避免液态电解液带来的腐蚀和泄露问题，且不需要使用铂等贵金属催化剂，成本低；此外，SOFC 的反应产物仅为CO2和H2O，水蒸气的冷凝可用于捕集CO2气体，并实现几乎零的CO2排放。

（2）发电效率高。SOFC 可以通过电化学反应将燃料的化学能直接转换为电能，不受卡诺循环效率限制，电效率可达到55%［12］，高效率优势明显。作为分布式能源电源，SOFC 可以安装在负载中心附近，以避免电网的长距离传输和配电损耗。

（3）燃料选择广泛。SOFC 可使用经脱硫和粉尘颗粒后的化工副产氢，或者天然气、甲烷、甲醇、碳、沼气等作为燃料。SOFC 具有较高的工作温度，可以催化燃料中的含碳化合物重整为H2和CO 后发电，不会被CO 毒化，实现燃料的清洁利用。

（4）余热利用率高。SOFC 发电产生余热，可实现热电联供，热电联动发电效率高达80%。

3 展望

经济社会不断发展，我国对能源的需求日益增大，并且面临着严重的环境问题，因此，SOFC 技术具有非常广阔的应用市场前景，随着研究不断地突破，SOFC 已经在发电站、微型电源等方面开始应用［13］。

（1）分散式小型发电站：以系统运营者的调整能力，提供削减能源成本，避免再生能源的输出抑制。例如，随着电动汽车的普及，充电站的电力需求对电网造成很大的冲击，压力越来越大，SOFC可为充电桩的供电提供有力的支撑和补充。

（2）分布式能源：SOFC 具有发电效率高、性能稳定、无排放、安装位置灵活等优势，利用精细陶瓷技术，制备小型SOFC，可应用于便携和移动电源。日本NEDO 计划支持的“燃料电池陶瓷微反应器”项目，开发了0.3-2mm 直径的微管式固体氧化物燃料电池（MT-SOFC），用于小型热电联供装置（CHP）；英国伯明翰大学Kendall 教授及Adlan公司，开展MT-SOFC 在旅行车、助力车以及无人驾驶飞机上的研发。

（3）数据中心：对于大型固定应用，SOFC 的作用越来越重要。Bloom Energy 的SOFC 发电系统可为数据中心提供独立于电网、高度稳定的电力。2012 年，其 产 品 已 被 苹 果、eBay、AT&T 和NTT America 订购的量分别为：5MW、6MW、7.5MW 和2.5MW。目前，Bloom Energy 正在美国东海岸的Newark 建造一个新的生产线，这将在其加州的生产规模基础上，使产能再扩大一倍。

SOFC 政策及产业导向明确。国家高度重视氢能源和SOFC 技术发展，先后出台了《中国制造2025-能源装备实施方案》、《能源技术革命创新行动计划（2016-2030）》、《重点研发计划可再生能源专项》等文件，提出大力发展“氢能与燃料电池创新技术”、“包括PEMFC、SOFC 在内的发电技术”。淄博市人民政府也于2018 年发布了《淄博市新旧动能转换重大工程实施规划》，提出“加快燃料电池和储能行业的技术攻关”、“建设国内知名氢能源基地”。

SOFC 的研究及应用取得了很大进展，但也存在一些技术方面的难题。首先，结合国内现有技术，SOFC 需要在1000 度左右高温下运行，造成电池装备封装困难、性能不稳定、运行成本高等问题，需要降低SOFC 的工作温度（500-800℃），引进或开发适用于中温SOFC 的新材料体系；其次，SOFC 包括陶瓷电堆、燃料供应、处理模块、温控模块、电气模块等，需要整合不同行业技术进行产品设计集成，产品规模化、产业化难度较大。

预计未来几年，随着产业发展和国家的逐步重视，将出台更多支持SOFC 的政策，同时引导产业链上的企业关注和投入，有实力的资源整合单位将继续介入，共同推动SOFC 的发展，实现我国能源的清洁利用。