固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化发展现状

1、固体氧化物燃料电池（sofc）产业化发展现状一、sofc（solid oxide fuel cell）工作原理1燃料电池划分燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料如氢气、天然气等 和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置。就燃料电池本身来说，其 主要是通过电解质区分，如下图所示：股子交换抿曲m电曲（pf mfc ）(sok)(afc)恬电油（mcfc ）mum!刚也1(pafc)常用电解质全娶 pemkohna2ojw*mi迁移的雋子hooh氯p甲肿/天然代氨气/wr/天环n天然7工2o-kxtc500-1000*c<100x600 700x：150-200x1mm

2、多扎碳氮化嗨多孔碳多孔操等多扎礦（伯催化刑）（催化林f必®09）（怕鮭期）（帕催化刖不细的）（怕催化树）2sofc工作原理sofc的工作原理如下图所示。在sofc的阳极一侧持续通入燃料气（h2、co、ch4 等），具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳 极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧化剂（空气），具有多孔结构的阴极 表面吸附氧，使02得到电子变为02-，在化学势的作用下，02-进入起电解质作 用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界 面，与燃料气体发牛反应，失去的电子通过外电路回到阴极，形成电流。空气阴极1oj + 4(

3、e-»2o-l阳极电解质1co + lo-wl(co2 + 2e12(01燃料s0fc工作原理3sofc的优点1. 相对于其他燃料电池，因sofc采用全固态电池结构，从而避免了使用液 态电解质带来的腐蚀和电解液流失等问题；2. 对燃料的适应性广，氢气、天然气、煤气、液化石油气等气体以及甲醇、 乙醇都可以作为燃料；3. 超过800°c的工作温度，配合热汽轮机将热废气进行有效利用，可以使能 量转换率至少达到60%以上；4. 高温操作提高了电化学反应速率，降低活化极化电势，无需钳等贵金屈作 为催化剂；5. 可高度模块化，总装机容量、安装位置灵活方便等。正是由于sofc具有以上的诸

4、多优点，因而受到了世界各国的广泛关注，并投入 大量经费进行开发研究。二、sofc结构设计目前，sofc主要有两种结构设计方式：管式(tubular)和平板式(planar) o1管式管式结构是最早发展的一种形式，也是冃前较为成熟的一种形式。单电池由一端 封闭、一端开口的管子构成。最内层是多孔支撑管，由里向外依次是阳极、电解 质和阴极薄膜。燃料从管芯输入，空气通过管子外壁供给。管式sofc电池堆单 体自由度大，不易开裂；采用多孔陶瓷作为支撑体，结构坚固；电池组装相对简 单，容易通过电池单元之间并联和串联组合成大功率的电池组。但是管式sofc电极之间的间距大，电流通过电池的路径较长，内阻损失大，因

5、此和应的功率密 度较低。发电单元模块子摸块妝.jsx -:z管式sofc2平板式平板式结构的几何形状简单，由阳极、电解质、阴极薄膜组成单体电池，两边带 槽的连接体连接相邻阴极和阳极，并在两侧提供气体通道，同吋隔开两种气体。 平板式sofc电池结构和制备工艺简单，从而可以大大降低制造成本。但是平板 式sofc电池组件边缘要求进行密封來隔离氧化气和燃料气；对双极连接板材料 要求很高，需要与电极材料热匹配、具有良好的抗高温氧化性能和导电性能。平板式sofc三、sofc发电系统sofc混合分布式发电系统上图为sofc与微型燃气轮机（mgt）、蒸汽机（st）构成的一种混合分布式发电 系统。sofc/mg

6、t/st混合发电系统由燃料处理系统、电池堆、余热利用系统以及 直交流转换系统组成，发电效率高达70%以上。具体工作过程为天然气经过加压和脱硫处理后被系统废热加热，与利用电池堆余 热加热的水蒸汽混合输入电池堆的阳极。高温的洁净天然气和水蒸气在催化剂的 作用下发生重整反应产生h2。常温的空气经压缩后由燃烧器的高温排气加热到 电堆入口温度后输入到电池堆的阴极。电堆内发生氧化还原反应产生电能和热 能。阳极与阴极排气（未反应完燃料和空气）进入燃烧室燃烧，燃烧室的排气 在将天然气和空气加热到电池堆的入口温度后，进入燃气轮机做功，输岀电能。 由于废气温度很高，经过燃气轮机排出的废气也有较高的温度，这部分废气

7、通过 余热回收蒸汽发生器，将冷凝水加热升温产生大量蒸汽带动蒸汽机转动，再次输 岀电能。经过余热回收蒸汽发生器的废气温度大幅降低，并排入大气中。四、sofc成本成本一直是限制sofc推广应用的一个关键性因素。美国能源部固态能量转换联 盟(solid state energy conversion alliance, seca)从 2001 开始投入 sofc 研发，在单电池性能、功率密度、可靠性和先进制造技术上取得上重大进展，sofc 电池堆成本与2001相比降低了 10倍以上，如下图所示。seca-sofc成本下降趋势五、sofc的产业化现状sofc具有工作温度高、发电效率高、全固态、易于模块

8、化组装等特点，非常适 用于分布式发电/热电联供系统和作为汽车、轮船等交通工具的动力电源。1分布式发电/热电联供系统西门子西屋电力公司1986年，四门子四屋电力公司研发的400 w管式sofc电池组在美国田纳四州运 行成功；1987年，乂在日本东京、大阪煤气公司各安装了 3 kw级管式sofc发 电机组，成功地进行连续运行试验长达5000 h,标志着sofc研究从实验研究向 商业发展；1998年，该公司研发的100 kw管式sofc电站在荷兰运行；1992年, 2台25 kw管型sofc分别在口本大阪、美国南加州进行了几千小时实验运行； 2000年，该公司设计制造了世界上第一台220 kw的so

9、fc /gt联合循环电站。西门子-西屋电力公司的220 kw的sofc /gt联合循环电站日本 nedo, ene-farm type s 项目日木新能源产业技术综合开发机构qedo)于2011年开发出全球首个商业化的 s0fc热电联供系统(ene-farm type s)。该系统由发电单元和利用废热的热水 供暖单元组成，输出功率为700w,发电效率为46.5%,综合能源利用效率高达 90. 0%,工作时的温度为700750°c,在用作家庭基础电源的同时，述可以利用 废热用作热水器或供暧器。产品名称ene-farm type sr4 :八二94kg输出功率7oow燃料天於气、煤气 -

10、w发电效率(lhv)46.5%淙含能源效率(lhv)90%安装位豐室内或户外发电单元利用废热的热水供暧单元sofc 日本 ene-farm type s 系统三菱重工三菱重工于1984年开始开发sofc技术。1986-1989年，与东京电力株式会社合 作研制管式sofc电池堆；1991年，运行了 1 kw的sofc电池堆，运行时间loooh； 1993年，三菱重工研制新型1 kw的sofc电池堆，并成功运行了 3000 h； 1996 年，10 kw常压sofc连续运行5000ho 2001年，三菱重工与电力开发株式会社 共同开发成功10kw级的加压管式sofc发电系统。该系统以天然气为燃料，

11、采用 内部重整方式，连续工作超过755h。该10kw系统在64a的设计电流运行吋，其 电输出功率为10.2 kw,发电效率为41.5% (i1i1v),当电流为80a时，系统电 输出功率可达到11. 5kw； 2013年，三菱重工的200kw的sofc mgt复合发电系统 在东京燃气的千住科技中心内运转连续运转4000多小时，该系统的工作温度约 为900°c,发电效率为50.2% (lhv)。三菱重工200kw的sofc mgt复合发电系统bloom energybloom energy是美国一家致力于清洁能源的公司，成立于2001年，总部位于加 州森尼韦尔。公司主要生产sofc分布

12、式电源。主要产品有es5、es-5700、es5710 等。bloom energy已经为美国googlc> ebay、wai-mart等公司提供了超过100 套的sofc系统。产品名称es5es-57ooes-571on ft14.3t19.4119.4t输出功率200kv200kw250kw燃料天然气.生物质气天然气、 生物质气天储气.生物质气发电效率(lhv)53%5%52%-60%52%-60%坏境浬度范出20。c *45。c20。c " c20。c *45。c安装位置户外户外户外bloom energy sofc系统安装于ebay数据中心 宁波索福人能源技术有限公司宁

13、波索福人能源创立于2014年，是一家从事sofc发电系统研发的高科技公司。 主要产品有asc 30电堆（700w）、asc 30电堆（2kw）、asc 60电堆等。sofcmana-itftdc.jolsofcman-a-sofcman-a-maclc-mbsofcmana.sofcman-a»uck30lsofcman-attnck-3014.3kg10cm* lqcm scm10cmv 10cmk70cn>14tn- 14cm14cm- 14cm4 72cm10ctnft 10cmg i4cn10cm- 10cm7scnsoo*!ooow(7,01 >700-800w

14、(7s0x >soo-ioqow（750v）700-800w(7s0v)2% loooti2000.2200wj000-im»w<75ov)(750i600-2000wc7s0v>i60g-2000w< 750v >1800-2000w<7<0c>i800-2000w(75ot > 2% 10m2004 600w<7$0v>l40(i600w (750 v)2% loootihoooti苏州华清京昆新能源科技有限公司华清新能源创建于2010年，主要业务包括能源新技术、新材料技术产品等，与 sofc相关的具体产品sofc

15、单电池、电堆、发电系统和千瓦级测试系统等，其中 电堆主要有hs-101型、hs-102型、hs-102型等。产品筑称m:<12 kg22cm < 18.6cm <22cm * 18.6cm<35jcm-32cm<20cm 16.5cm-20cm - 16.scm 7.5 cm17.8 cm13.5 cm133 an4.6 cm6.9 an300w1000w2 mwskwsow100w7s0v750c750v750v750v750v<4%1000h<4%1000h<4%l000h<4%l000h<4%l000h<4% 1000bh

16、s-101 phs-i03 罚独迄输出功半hs-102 卫2动力电源不久前，日产发布了世界上首款以sofc动力系统驱动的燃料电池原型车。该车 基于日产e-nv200研发打造，采用了酶生物燃料电池(e-bio fuel-cell)技术, 利用s0fc动力系统将贮存的生物乙醇转化为电能给汽车提供动力，续航里程超 过600公里。目前，该原型车正在巴曲公路上进行进一步的实地测试，h产也计 划在2020年将乙醇sofc电动车商业化。|sofc驱动原型车技术参数菇准乍11 产 c-nv200电池容蛍241cwh能蠻来源电力.生物乙醉油希和枳30lsofc输出功率5kw续航里程：>600kni日产s0fc电动车的最大亮点是所用的燃料是液体生物乙醇而不是氢气。考虑到 加氢站等基础设施建设严重滞后和高昂的