「INEW能见」春华秋实：随时发电，纵使在戈壁和雪原

 

华科福赛固体氧化物燃料电池

随时发电，纵使在戈壁和雪原

 

从煤燃烧发电，到水利发电、太阳能发电、风能发电，直至核电，人类不断寻找着可转化为电能的自然能源。但这些发电方式，都受到不同条件的制约，诸如规模庞大、难以掌控或环境污染。

 

2010年，华中科技大学燃料电池研究中心传出喜讯：研究中心的李箭教授团队，实现了固体氧化物燃料电池（SOFC）系统的独立发电。这是我国首次实现SOFC系统独立发电。

 

作为继火电、水电和核电之后的第四种发电技术，SOFC的出现，以一种新型发电装置，带来了全新的电能变革，让随时随地发电成为了可能，无论是在沙漠、戈壁还是雪域高原。

 

这个发电装置的核心，仅仅是由一张张电池片所组成的电堆。

 

与传统发电装置相比，SOFC是通过电化学反应，在750°C高温下将化学能直接转化为电能。只要源源不断地输入燃料在外围对电池片加热，这个“发电站”就能持续地输出电能，是真正的绿色能源。

 

2015年，该中心在国内率先自主研制出5千瓦级SOFC独立发电系统，并实现了4.82千瓦的功率输出，我国SOFC系统独立发电技术，再迎新突破。与此同时，研究中心承担的“十二五”国家863计划主题项目“燃料电池与分布式发电系统关键技术”课题——“5千瓦中低温平板型SOFC独立发电系统集成技术”，通过科技部验收。

 

2016年，这项突破性科技成果实现转化，成立武汉华科福赛新能源有限责任公司，在武汉新能源研究院开启了全新的产业化梦想。

 

革命性的“移动电站”

▲ 华科福赛SOFC单电池

 

“我手里这片电池片，可以发60瓦的电，神奇吧？”李箭拿着一张陶瓷薄片说，这个陶瓷底材上，“印刷”了一层非常薄的氧化锆涂层，高温下，涂层界面上会发生电化学反应。“25片叠在一起就是电堆，能发1000瓦电。”

 

固体氧化物燃料电池单电池，由多孔的阳极和阴极，以及致密的电解质组成。燃料气体在阳极中与氧离子反应而氧化，释放电子。电子经外路传导至阴极与氧气结合，生成氧离子。氧离子再通过电解质传输至阳极，构成回路，产生电流。

 

“SOFC发电系统最大的优点，是低排放、高效率、燃料适应性强，同时噪声低，可模块化，寿命长，应用领域广。”

 

数据显示，蒸汽轮机的转化效率约为25%-35%，普通内燃机效率为30%-45%，而固体氧化物燃料电池效率则可高达40%-60%。热电联供时算上热能贡献，转化效率最高可达90%。 

 

因为是全固态结构，它还避免了使用液态电解质带来的腐蚀和电解液流失等问题，其电池寿命可达4万至10万小时，相当于连续工作5至11年。

 

华科福赛联合创始人、首席科学家李箭说，固体氧化物燃料电池包括多种结构设计，其中包括管型或平板型，在平板型当中又可以分为电解质支撑、阴极支撑、阳极支撑，或者是金属支撑。华科福赛所研发的产品是阳极支撑固体氧化物燃料电池。

 

“在169平方厘米的面积上，我们可以实现功率输出60多瓦，发电效率可以大于55%，将这些单片电池堆摞而成，可以实现更大的功率输出。除此之外，我们公司还具备有金属支撑固体氧化物燃料电池的技术储备。”

 

他在对比锂电池和氢燃料电池时表示，锂电池是一种储存电能的装置，而SOFC是一种发电装置，两者在功能上有互补性，可以配合使用。氢燃料电池虽也是新型发电装置，但必须使用高纯度的氢为燃料，生产、储存、运输成本都居高不下。SOFC则可以“吃粗粮”，无论氢气、天然气、煤气、甲醇、乙醇、液化石油气还是煤炭，均可作为加热燃料。

 

风靡巨头公司的SOFC风潮

▲ 美国分布式发电装置

 

在美国，SOFC系统最先应用于大型科技公司、金融公司或是大学院校。

 

以全球领先的SOFC清洁能源公司Bloom Energy为例，其主打产品Bloom能源服务器系列产品中，容量1000千瓦的Bloom Box，就可满足3250平方米办公室或100户美国家庭用电需求。

 

目前，谷歌、苹果、雅虎、摩根士丹利、软银、沃尔玛、联邦快递、AT&T等众多科技和金融巨头，均是SOFC系统的用户。

 

在摩根士丹利总部楼顶，装有750千瓦的SOFC系统，为办公提供电能；苹果总部更是部署了10兆瓦的超级燃料电池系统；eBay总部早在2009年起，就启用了Bloom Box燃料电池组。

 

日产曾开发出世界首款SOFC驱动原型车e-NV200，电池容量24千瓦时，能量来源为电力和生物乙醇，油箱容积达30升，SOFC输出功率5千瓦，续航里程超过600公里。

 

SOFC在日本的应用较为成熟和普遍。在企业级应用中，东京燃气和大阪燃气均建造有企业级的SOFC发电站。在家用市场，日本爱信精机生产的家用SOFC热电联产系统，是目前世界上最小的尺寸系统，综合能源效率高达90%，已在日本居民家庭成规模使用。其中，家用燃料电池热电联供系统“ENE-FARM”，已部署20万套，为全球规模最大、最成功的燃料电池系统。

 

截至目前，SOFC系统的应用领域，主要为固定电源、交通运输和便携式电源市场，在分布式电站、应急电源、交通运输、军事和海洋等领域，前景广阔。

 

SOFC系统应用在分布式发电及余热供热领域中占比最大。交通运输主要服务以燃料电池作为动力的乘用车、重卡或船舶。便携式电源包括非固定安装、或移动设备中使用的燃料电池，主要应用于军事领域。

 

做中国SOFC能源领跑者

▲ 华科福赛联合创始人、首席科学家李箭

 

李箭是北京钢铁研究总院金属材料专业博士，也是美国伊利诺伊大学陶瓷工程博士，曾在美国工作生活14年，长期从事高温燃料电池、新能源材料、高强度汽车钢等研究工作。

 

2004年，他回到祖国，成为华中科技大学材料科学与工程学院教授，全心投入SOFC系统的研发。

11年前，在国家863计划及省市支持下，李箭团队在全国率先完成SOFC材料、制备、测试和系统集成等方面的研究开发，研制出的SOFC独立发电系统包括SOFC电堆、供气、热管理、控制单元，及直流—直流—交流功率变换等多个子系统。

 

6年前，李箭采用双电堆模块和热电协同管控技术，使SOFC系统发电效率达到46.5％，热电联供能量利用率达到79.7％。其中，采用的大面积单电池功率密度高达1.2W/cm²，衰减速率仅为每千小时0.41％，迈入国际先进水平。

 

如今，华科福赛已形成从原材料到单电池、电池堆、发电系统的完整产品链，并成功研制了1千瓦至5千瓦的独立发电系统及各种规格测试台，成为中国SOFC产业化的领军企业。

 

李箭说，尽管SOFC独立发电系统代表着清洁能源的方向，华科福赛已为中船、万华等企业小批量供货，但大规模工业级应用尚未落地，产业还不成熟，供应链仍不完备。在产业化道路上，工艺及流程还需通过生产不断检验优化。

 

“但有一些场景，已经让我们看到了SOFC的趋势和未来。”他说，例如在煤矿行业，煤层气的主要成分是甲烷，当甲烷在空气中的浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气若不加以利用，直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍。

 

但与此同时，煤层气又是一种优质、高效、安全、清洁的气体能源，SOFC技术可以使用煤层气作为燃料，用“废气”发电，变废为宝，真正实现绿色发展理念。

 

固体氧化物电解池制氢研究取得新突破

▲ 研发人员正在进行SOEC测试

 

今年5月，华科福赛研发的15×15c㎡单电池固体氧化物电解池（SOEC）电堆稳定运行时间已超过1040小时；在800°C工作温度下，最大电解功率达到831瓦，最大电解效率高于97%，每立方米产氢电耗在2.86~3.35度之间，稳定运行电解功率高于600瓦。这些SOEC技术指标在国内公开报道中处于领先水平。

氢气是高热值的二次能源，其利用不产生污染和温室气体。目前，氢气的主要生产技术是天然气重整，会产生CO₂，存在环境污染和温室效应问题。电解水制氢是氢与氧反应生成水的逆过程。

 

如果利用可再生风、光电和废热，SOEC电解水所生成的氢气为绿氢，不伴随任何污染和温室气体排放。与其他低温电解水技术相比，如碱性水电解槽和质子交换膜电解池，SOEC是一种高温电解水技术，具有更高的转化效率，甚至接近100%。

 

 

▲ SOEC工作原理图

 

该项目的技术团队经过不断的技术攻关，目前在单电池、电堆、发电系统以及测试设备等方面积累了丰富经验，形成了从关键材料、单电池和电堆制备到独立发电系统集成以及测试设备制造的能力。

 

SOEC的工作原理是SOFC的逆过程。从去年开始，华科福赛在其SOFC技术的基础上，开展了SOEC相关技术的研发。

 

作为绿色能源技术，SOFC可以利用氢气发电，SOEC可以电解水制氢，它们的结合对风光利用和储能调峰均具有重要的意义，并展示广泛的应用前景。（转载自武汉新能源研究院官方报道）