中国粉体网讯 随着能源的日趋枯竭和环境恶化，高效、清洁的新型能源的开发与利用将成为21世纪能源发展的重要选择。固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转换成电能的全固态电化学发电装置，能量转换效率高，可达到60%左右，产生的热进行热电联供效率可达到80%以上，是目前最为前沿、也是技术难度最高的一代燃料电池，世界上发达国家普遍把它作为一种战略储备技术。
（固体氧化物燃料电池电堆）
SOFC的工作原理
固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
SOFC工作原理图
在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气（H2）、甲烷（CH4）、煤气等，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气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-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，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。
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。
（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％，高效率优势明显。
（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。
（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％。
SOFC的关键材料
所有的燃料电池单电池都是由电解质、阴极和阳极3部分组成，其中SOFC的电解质、阴极和阳极都是陶瓷材料，因此SOFC又被称为陶瓷基燃料电池。
其中SOFC的电解质是致密的氧离子导体，主要是萤石型结构氧化物或钙钛矿结构氧化物；电极是多孔的氧离子和电子混合导体，其中阳极主要是金属陶瓷复合材料或钙钛矿结构氧化物材料，阴极主要是钙钛矿结构氧化物材料。电解质材料的氧离子传导性能和电极的荷电传导及催化活性共同决定了SOFC的性能。
国外SOFC产业的发展状况
目前，SOFC还处于商业化初期，仅少数发达国家的企业开发出了商业化应用的SOFC发电系统。
美国的Bloom Energy公司是SOFC行业公认技术实力最强的公司，其主打产品是50KW规格，发电效率可达65%。根据该公司公开披露的数据显示，2019年的装机容量为120MW左右。
美国的BloomEnergy公司SOFC系统
日本三菱日立电力系统公司2018年宣布250KW和1MW规格的联合发电产品，面向商业和工业市场。
日本京瓷在2017年宣布推出3KW的SOFC系统，应用在小型商业领域。该技术采用平板管状电池技术路线，发电效率可达54%。
德国博世也积极布局SOFC的全产业链，2018年和2019年两次投资英国电堆生产商CeresPower，引进电堆生产线，并且开发10KW的SOFC热电联供系统，发电效率达到60%。
澳大利亚的CFCL早在2010年就在欧洲推出了1.5KW的家用热电联供SOFC系统，发电效率达68%，目前在欧洲安装超过1500套，但由于成本较高，其市场规模仍然不大。
我国SOFC产业的发展情况
从上世纪90年代开始，我国一些高校和研究所在科技部的支持下开始SOFC技术的研究工作。最早参与开发研究的单位包括中国科学院上海硅酸盐研究所、宁波材料研究所、大连物理化学研究所及中国矿业大学(北京)等。
随着技术成熟度逐步提高，越来越多的企业参与到该产业。潮州三环(集团)股份有限公司是较为突出的一家，该公司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，目前，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。
此外，潍柴动力股份有限公司也在积极布局燃料电池的业务，2018年成为英国CeresPower的第一大股东，进入SOFC领域。徐州华清京昆能源有限公司、宁波索福人能源技术有限公司也在积极开展SOFC的产业化工作。
（华清固体氧化物燃料电池项目）
即便如此，国内SOFC产业与美国、日本和欧洲的先进水平相比，还有较大的差距，主要体现在以下方面：
（1）尚未出现商业化的SOFC系统。我国的SOFC系统开发，都还是停留在实验室和样机阶段，没有商业化的SOFC引领，产业的参与度较低；
（2）SOFC产业链还不完整。SOFC工作温度高，所用的换热器、燃烧器、预重整器、水蒸气发生器、电源、电控系统都是高度定制化的产品，目前，国内还没有专业厂家供应相关的核心零部件；
（3）参与的企业较少，技术力量不强。国内参与SOFC的开发和产业化的企业不多，除了潮州三环(集团)股份有限公司、潍柴动力股份有限公司经济实力较强，其他参与的公司规模较小，而日本、欧洲参与该技术开发都是大型的知名企业。
固体氧化物燃料电池具有发电效率高、燃料适用范围广、制造成本低等特点，是当前国际燃料电池发展的主要方向，也是我国实现“碳达峰、碳中和”任务的突破点之一。中国粉体网将在郑州举办“2021第四届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”。届时，来自山东工业陶瓷研究设计院陶瓷膜事业部的总经理赵世凯先生带来题为《固体氧化物燃料电池及其产业化技术》的报告。赵总将在会上介绍固体氧化物燃料电池基本情况，从产业化层面对相关技术进行解析，并提出产品和技术的发展方向。（鉴于当前防控需要，原定于2021年8月13-14日在郑州喆鹏酒店举办的“第四届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”将延期举办，计划参会的单位可以联系会务组，具体举办日期主办方确定后将第一时间通知您！）
专家介绍：
赵世凯，高级工程师，中央企业青年岗位能手，建材行业陶瓷膜材料重点实验室副主任，哈尔滨工业大学校外硕士研究生导师，长期从事环保、能源领域用陶瓷膜材料的科技创新、研究开发及应用推广工作。主持/承担国家（省市）级项目17项，主持国家标准2项，授权发明18项。完成科技成果鉴定4项，获得省部（市）级奖励7项。牵头开发的陶瓷膜产品，先后在煤化工、有色冶炼、深度水处理等领域实现了商业化应用，打破了国外技术垄断。
参考来源：
[1]陈烁烁.固体氧化物燃料电池产业的发展现状及展望
[2]常贵可等.国内固体氧化物燃料电池研究现状与展望
[3]韩敏芳等.固体氧化物燃料电池中的陶瓷材料
[4]张新宝等.固体氧化物燃料电池的研究进展
（中国粉体网编辑整理/山川）
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