特別是采用天然氣，完全可以實現在現有的能源基礎設施進行高效發(fā)電，其純電效率可以達到60%，熱電聯供效率可以達到90%以上，幾乎是所有發(fā)電設備中效率最高的能量轉換系統(tǒng)，因此被認為是21世紀最有潛力的能量轉換系統(tǒng)。
SOFC的工作原理是在陽極側持續(xù)地通入燃料氣（如氫氣），并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。而在陰極側持續(xù)地通入氧氣或空氣，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學勢的作用下，O2-進入固體氧離子導體電解質，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(fā)生反應，失去的電子通過外電路回到陰極。
最經濟可行的選擇
相關數據統(tǒng)計顯示，在我國能源結構中，天然氣發(fā)電的比例僅為3.3％，而在發(fā)達國家這一比重則高達26％，美國甚至高達30％。
特別是近年來，隨著國內煤炭的大量使用，環(huán)境壓力不斷增加，霧霾問題日益突顯，節(jié)能減排的任務迫使中國的能源結構必須從煤炭逐步轉向天然氣和可再生能源。
但遺憾的是，可再生能源在國內的能源結構中所占比例一直較低，再加上風能和太陽能的間隙式發(fā)電方式等因素影響。天然氣作為基礎電力的能源將大幅度提高，而SOFC被國際公認為是最經濟和最可行的選擇。
放眼全球，目前開展SOFC研發(fā)的商業(yè)公司主要集中在美國、歐洲、日本等國，其研發(fā)中心已經從原料與單電池轉移到了電池堆和系統(tǒng)集成。
2010年，美國的Bloom Energy（BE）宣布推出商業(yè)化產品100kW系統(tǒng)；2013年，日本京瓷以陽極支撐扁管式電池及電池堆為核心技術，聯合開發(fā)的700W家用系統(tǒng)推向市場。
而反觀國內，SOFC產業(yè)還處于比較滯后的階段，只能提供一些初級產品或測試設備，電池堆和系統(tǒng)尚未形成產業(yè)。
單電池是基礎核心
近日，從中科院寧波材料研究所SOFC項目傳來好消息，其產業(yè)鏈研發(fā)已從最基本發(fā)電單元電池，發(fā)展到發(fā)電心臟電堆，最終涵蓋到整個發(fā)電系統(tǒng)。而單電池作為SOFC系統(tǒng)中最基礎、最核心的元部件，其性能、穩(wěn)定性、產能將直接影響電堆、系統(tǒng)的研發(fā)與集成。
值得欣慰的是，目前寧波材料所已擁有一條年產5萬片的單電池生產線，通過了質量管理體系GB/T19001-2008/ISO9001:2008標準，同時掌握了月產9萬～20萬片的產能提升的整套技術。
近年來，該所特別注重對電池配方和生產工藝的優(yōu)化，開發(fā)了ASC系列高強度超薄型SOFC單電池制備技術。單電池厚度僅為450μm左右，抗彎強度達到250MPa，單電池合格率達到了90%以上。并且，單電池成本大幅度降低。同時還開發(fā)了ESC系列單電池的整套制備技術，單電池厚度200～250μm，性能在830℃，高于0.5W/cm2。
中低溫成關鍵技術
長久以來，SOFC操作溫度相對較高。如果將其溫度降低至中溫，關鍵材料抗老化性能的要求將大大降低，導致電池堆失效的密封問題也相對簡單，而且可以拓展燃料的選擇范圍。
由此可見，發(fā)展高性能、低成本、高可靠性的中低溫SOFC單電池成為該領域受到廣泛關注的關鍵技術和主要研究目標。
特別是隨著溫度的降低，可以實現由中溫性能更高的LSCF取代LSM陰極，進一步降低單電池的工作溫度約50℃～100℃，即ASC-LSCF單電池。
據悉，寧波材料所批量制備的ASC-LSCF系列單電池性能也取得顯著提高，達到國際先進水平。通過生產工藝的優(yōu)化以及測試方式的改進，標準10cm×10cm單電池，有效面積64cm2，在800℃時，0.8V下的單片電池放電電流可達72A，單片功率超過57W，功率密度達到0.88W/cm2，燃料利用率（Fu）大于62%；在750℃時，0.75V下的單片電池放電電流可達到70A，單片電池功率超過50W，功率密度達到0.8W/cm2，Fu大于50%。
產品熱銷性價比高
此外，該項目團隊還面向全球市場生產和銷售SOFC用粉體、單電池、電池堆和小型分立式發(fā)電和測試系統(tǒng)，產品銷售4年來已經遍布美國、加拿大、德國、丹麥、英國、瑞士、日本、韓國等國。
SOFC產品質量大幅度提升的同時，價格卻未“高攀”。比如，陽極支撐標準單電池價格從200元/片降到60元/片，是目前全球公認的性價比最高的產品；700W~1kW電池堆模塊銷售價格從29000元/堆降低到6000元/堆，是全球唯一明碼標價的電池堆供應商。
除了可以建成大規(guī)模的固定電站，SOFC還可以建成小型的家用熱電聯產裝置，同樣具有很好的商業(yè)化前景。
最近，寧波材料所SOFC團隊研發(fā)的1kW自熱式獨立發(fā)電系統(tǒng)成功運行，這也成為國內首次實現真正意義上的產電、產能，邁出了從實驗室走向家庭、市場的關鍵一步。
（作者單位：中科院寧波材料所SOFC事業(yè)部）
