固体氧化物燃料动力电池商业化前景可观

作为一种高温燃料动力锂电池固体氧化物燃料动力锂电池（SOFC）通过对化石燃料的简单重整后，便可以获得电能，一直备受业界与学界的关注。

特别是采用天然气，完全可以实现在现有的能源基础设施进行高效发电，其纯电效率可以达到60%，热电联供效率可以达到90%以上，几乎是所有发电设备中效率最高的能量转换系统，因此被认为是21世纪最有潜力的能量转换系统。

SOFC的工作原理是在阳极侧持续地通入燃料气（如氢气），并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。而在阴极侧持续地通入氧气或空气，由于阴极本身的催化用途，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的用途下，O2-进入固体氧离子导体电解质，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。

最经济可行的选择

相关数据统计显示，在我国能源结构中，天然气发电的比例仅为3.3％，而在发达国家这一比重则高达26％，美国甚至高达30％。

特别是近年来，随着国内煤炭的大量使用，环境压力不断新增，雾霾问题日益突显，节能减排的任务迫使我国的能源结构必须从煤炭逐步转向天然气和可再生能源。

但遗憾的是，可再生能源在国内的能源结构中所占比例一直较低，再加上风能和太阳能的间隙式发电方式等因素影响。天然气作为基础电力的能源将大幅度提高，而SOFC被国际公认为是最经济和最可行的选择。

放眼全球，目前开展SOFC研发的商业公司重要集中在美国、欧洲、日本等国，其研发中心已经从原料与单电池转移到了电池堆和系统集成。

2010年，美国的BloomEnergy（BE）宣布推出商业化产品100kW系统；2013年，日本京瓷以阳极支撑扁管式电池及电池堆为核心技术，联合开发的700W家用系统推向市场。

而反观国内，SOFC产业还处于比较滞后的阶段，只能供应一些初级产品或测试设备，电池堆和系统尚未形成产业。

单电池是基础核心

近日，从中科院宁波材料研究所SOFC项目传来好消息，其产业链研发已从最基本发电单元电池，发展到发电心脏电堆，最终涵盖到整个发电系统。而单电池作为SOFC系统中最基础、最核心的元部件，其性能、稳定性、产量将直接影响电堆、系统的研发与集成。

值得欣慰的是，目前宁波材料所已拥有一条年产5万片的单电池生产线，通过了质量管理体系GB/T19001-2008/ISO9001:2008标准，同时掌握了月产9万～20万片的产量提升的整套技术。

近年来，该所特别重视对电池配方和生产工艺的优化，开发了ASC系列高强度超薄型SOFC单电池制备技术。单电池厚度仅为450μm左右，抗弯强度达到250MPa，单电池合格率达到了90%以上。并且，单电池成本大幅度降低。同时还开发了ESC系列单电池的整套制备技术，单电池厚度200～250μm，性能在830℃，高于0.5W/cm2。

中低温成关键技术

长久以来，SOFC操作温度相对较高。假如将其温度降低至中温，关键材料抗老化性能的要求将大大降低，导致电池堆失效的密封问题也相对简单，而且可以拓展燃料的选择范围。

由此可见，发展高性能、低成本、高可靠性的中低温SOFC单电池成为该领域受到广泛关注的关键技术和重要研究目标。

特别是随着温度的降低，可以实现由中温性能更高的LSCF取代LSM阴极，进一步降低单电池的工作温度约50℃～100℃，即ASC-LSCF单电池。

据悉，宁波材料所批量制备的ASC-LSCF系列单电池性能也取得显著提高，达到国际先进水平。通过生产工艺的优化以及测试方式的改进，标准10cm10cm单电池，有效面积64cm2，在800℃时，0.8V下的单片电池放电电流可达72A，单片功率超过57W，功率密度达到0.88W/cm2，燃料利用率（Fu）大于62%；在750℃时，0.75V下的单片电池放电电流可达到70A，单片电池功率超过50W，功率密度达到0.8W/cm2，Fu大于50%。

产品热销性价比高

此外，该项目团队还面向全球市场生产和销售SOFC用粉体、单电池、电池堆和小型分立式发电和测试系统，产品销售4年来已经遍布美国、加拿大、德国、丹麦、英国、瑞士、日本、韩国等国。

SOFC产品质量大幅度提升的同时，价格却未高攀。比如，阳极支撑标准单电池价格从200元/片降到60元/片，是目前全球公认的性价比最高的产品；700W~1kW电池堆模块销售价格从29000元/堆降低到6000元/堆，是全球唯一明码标价的电池堆供应商。

除了可以建成大规模的固定电站，SOFC还可以建成小型的家用热电联产装置，同样具有很好的商业化前景。

最近，宁波材料所SOFC团队研发的1kW自热式独立发电系统成功运行，这也成为国内首次实现真正意义上的产电、产量，迈出了从实验室走向家庭、市场的关键一步。

（作者单位：中科院宁波材料所SOFC事业部）