固體氧化物燃料電池（solid oxide fue lcell，SOFC）是最高效率的燃料電池，也稱(chēng)作陶瓷燃料電池，是一種在中高溫下將各種燃料氣（天然氣、垃圾填埋氣、煤氣、甲醇等）的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)燃料電池。
一、燃料電池反應(yīng)環(huán)境和構(gòu)成
一般在650度以上SOFC才能實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn) 。系統(tǒng)層面還需要燃料供應(yīng)系統(tǒng)（預(yù)重整器）、供氣系統(tǒng)（加熱器、壓縮機(jī)）、控制系統(tǒng)（電壓調(diào)節(jié)器、逆變器）及其他部件保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。工作效率可以達(dá)到65%~80%，由于工作溫度較高，其反應(yīng)活性極高。SOFC由電解質(zhì)（陶瓷材料）、陽(yáng)/陰極、連接體（陶瓷或合金）構(gòu)成單電池，再由多個(gè)單電池構(gòu)成電堆。
SOFC可應(yīng)用于分布式發(fā)電、備用電源與熱電聯(lián)產(chǎn)，可以在制氫、綜合能源補(bǔ)給站、儲(chǔ)能、化工節(jié)能、交通應(yīng)用領(lǐng)域（主要是應(yīng)用在商用車(chē)增程器以及船舶輔助電力）等方面。
SOFC可采用天然氣、合成氣（CO、H2等混合氣）、生物質(zhì)氣（如沼氣）等為原料，也可以采用煤制氣、煤層氣、頁(yè)巖氣、工業(yè)副產(chǎn)氣等為原料，促使傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)化效率提升，降低CO2排放，實(shí)現(xiàn)化石能源的清潔高效利用。
SOFC正向運(yùn)行可以發(fā)電，逆向運(yùn)行即為固體氧化物電解池（SOEC）。SOEC可利用余熱與可再生電力，同時(shí)高溫水蒸氣和高溫CO?可以契合SOEC技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用，電解效率高達(dá)85%~95%，遠(yuǎn)高于其他電解水技術(shù)。
微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電規(guī)模通常為1～5 kW，可直接將天然氣轉(zhuǎn)化的電能和熱能供給單個(gè)用戶(hù)使用，當(dāng)電力富余時(shí)可將電力售給電網(wǎng)，這種分散式的熱電聯(lián)供系統(tǒng)大大節(jié)省了一次能源消耗，提升了能源利用效率。日本和歐洲是發(fā)展微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)的兩個(gè)主要區(qū)域，其較為著名的示范項(xiàng)目分別為Ene-farm和Ene-field。
SOFC可以使用傳統(tǒng)燃料，但其啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，適合作為豪華汽車(chē)、休閑車(chē)及重型卡車(chē)的輔助動(dòng)力裝置。
基于SOFC的微型發(fā)電系統(tǒng)也在擴(kuò)展到便攜式電源領(lǐng)域，這主要是因?yàn)镾OFC具有更高的比功率密度[ 比功率密度是描述電池在瞬間能放出較大能量的能力。]，微管式SOFC可滿(mǎn)足啟動(dòng)迅速的要求。
目前SOFC技術(shù)在美國(guó)、日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家已日趨成熟，開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用初級(jí)階段。
美國(guó)主要扶持大型工/商業(yè)用燃料電池發(fā)電，代表性企業(yè)Bloom Energy是全球范圍內(nèi)最大的SOFC公司，總裝機(jī)量已經(jīng)超過(guò)350MW，為Google、eBay、Wal Mart等公司提供了數(shù)百套燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)，是目前公認(rèn)的SOFC行業(yè)內(nèi)技術(shù)力量最強(qiáng)，運(yùn)作最成功的公司。其主要產(chǎn)品發(fā)電效率可以達(dá)到65%。據(jù)美國(guó)Bloom Energy公司統(tǒng)計(jì)，全球SOFC、SOEC市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)2萬(wàn)億美元。
日本的SOFC發(fā)展主要由NEDO(日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)New Energy and Industrial Technology Development Organization Japan)推動(dòng),目標(biāo)為到2024年，SOFC發(fā)電效率超過(guò)65%(低熱)，壽命達(dá)130000 h。主要項(xiàng)目為SOFC系統(tǒng)重點(diǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和工業(yè)驗(yàn)證，主要研發(fā)機(jī)構(gòu)包括愛(ài)信精機(jī)、大阪燃?xì)?、京瓷和豐田汽車(chē)等企業(yè)。
歐洲SOFC的發(fā)展方向以SOEC電解為主，把可再生電力通過(guò)SOEC來(lái)制氫，代表性企業(yè)是德國(guó)Sunfire，建造了總功率2.6MW的SOEC電解水制氫設(shè)備，這是世界上最大的電解水制氫設(shè)備。歐洲的SOFC主要扶持以SOFC為主的家用燃料電池CHP(熱電聯(lián)產(chǎn)Combined Heat and Power)項(xiàng)目，歐洲主要進(jìn)行平板式SOFC電池堆及發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)。目前，德國(guó)已累計(jì)投放五萬(wàn)多套Micro-CHP，根據(jù)輸出功率的大小為裝置安裝提供7050-28200歐元的補(bǔ)助金，是歐洲Micro-CHP投放最多的國(guó)家。
目前韓國(guó)SOFC主要應(yīng)用于公用事業(yè)領(lǐng)域，市面上的主流技術(shù)來(lái)自英國(guó)的Ceres Power和美國(guó)的Bloom Energy兩家公司，由斗山和SK E& C分別引進(jìn)推廣。
韓國(guó)已成為燃料電池用于公用事業(yè)規(guī)模發(fā)電的全球領(lǐng)導(dǎo)者，2019、2020、2021年分別布署達(dá)370.7MW、464MW、605MW。根據(jù)韓國(guó)貿(mào)易、工業(yè)和能源部（MOTIE）發(fā)布的電力供應(yīng)需求計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2022年韓國(guó)燃料電池部署量將進(jìn)一步擴(kuò)展到800MW。
由于國(guó)外的SOFC技術(shù)和產(chǎn)業(yè)一直對(duì)中國(guó)實(shí)施封鎖，中國(guó)只能走自主開(kāi)發(fā)路線(xiàn)。
我國(guó)研究燃料電池的機(jī)構(gòu)主要為高校和科研院所。近年來(lái)，有濰柴動(dòng)力、中廣核、晉煤集團(tuán)等大型企業(yè)加入SOFC研發(fā)陣列，加速商業(yè)化步伐。截至2020年底，SOFC相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)8187項(xiàng)，中國(guó)5100項(xiàng)排名第一。
SOFC產(chǎn)業(yè)鏈主要包括單電池及上游材料、電堆及其輔助設(shè)備（BOP）、系統(tǒng)集成和應(yīng)用部分。
電池層面，國(guó)內(nèi)數(shù)家單位己經(jīng)掌握了大面積單電池量產(chǎn)技術(shù)，耐久性可達(dá)到上萬(wàn)小時(shí)，潮州三環(huán)尤為突出。
在電堆方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)在電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、單電池組裝方面仍然比較粗放，電池密封和連接體結(jié)合強(qiáng)度在電池長(zhǎng)期運(yùn)行中還存在不穩(wěn)定等問(wèn)題，這很大程度上影響著SOFC系統(tǒng)的使用壽命。比如，目前國(guó)內(nèi)的水平大概在數(shù)千小時(shí)到1萬(wàn)小時(shí)左右，但SOFC商業(yè)化系統(tǒng)的期望是10年以上。
在電堆輔助系統(tǒng)（BOP）上，包括預(yù)重整器、加熱器、壓縮機(jī)、電壓調(diào)節(jié)器、逆變器、換熱器等，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)公司，主要原因是：SOFC市場(chǎng)還未起量、涉足企業(yè)的積極性不高，參與SOFC的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)不多；缺乏相應(yīng)的配套政策，補(bǔ)貼力度與歐美等國(guó)家相比較少。
除了配套部件(BOP)產(chǎn)業(yè)鏈問(wèn)題，還有系統(tǒng)效率優(yōu)化問(wèn)題、大功率系統(tǒng)的構(gòu)建問(wèn)題、電池壽命問(wèn)題等。
國(guó)內(nèi)代表性SOFC示范應(yīng)用案例
2018年8月
全國(guó)首套15kW SOFC示范成功運(yùn)行,由晉煤集團(tuán)運(yùn)用煤經(jīng)氣化再通過(guò)SOFC發(fā)電的技術(shù)
2019年6月
蘇州華清京昆成功運(yùn)行了自主啟動(dòng)、以液化石油氣為燃料的kW級(jí)SOFC系統(tǒng)。
2020年10月
國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首套20kw級(jí)SEFC系統(tǒng)在寧夏煤業(yè)實(shí)驗(yàn)基地試車(chē)成功
2020年
中弗新能源在無(wú)錫建成一座10kW的SOFC超級(jí)充電站,目前正對(duì)外試運(yùn)營(yíng),該超級(jí)充電站功率達(dá)100kW。
2021年1月
索福人研制的25kW SOFC系統(tǒng)在索福人廠(chǎng)區(qū)順利開(kāi)車(chē)升溫發(fā)電。
2022年2月
濰柴動(dòng)力首款30kW SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在濰坊投入運(yùn)行。
2022年2月
由中科潤(rùn)谷牽頭的佛山南海中日韓智慧能源產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目落地,項(xiàng)目計(jì)劃總投資80億，日本京瓷提供數(shù)百套SOFC系統(tǒng),打造全國(guó)首個(gè)“氫能進(jìn)萬(wàn)家”智慧能源示范社區(qū)。
國(guó)內(nèi)有濰柴動(dòng)力、潮州三環(huán)、浙江氫邦、中弗新能源、寧波索福人等企業(yè)基于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，已打造出1-2個(gè)示范應(yīng)用項(xiàng)目，建立起小批量試用產(chǎn)線(xiàn)。
目前國(guó)內(nèi)SOFC發(fā)電系統(tǒng)功率范圍為1-35kW，MW級(jí)產(chǎn)線(xiàn)超過(guò)10條。當(dāng)前SOFC領(lǐng)域相對(duì)成熟的是5kW左右的產(chǎn)品，同時(shí)在大功率趨勢(shì)下市場(chǎng)上也已經(jīng)出現(xiàn)30kW的產(chǎn)品。
2022年3月23日，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年） 》，著重提到固體氧化物電解水制氫的技術(shù)攻關(guān)。
《廣東省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃 》提出基于SOFC電解質(zhì)隔膜片等核心零部件制造方面全球領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展SOFC及其分布式發(fā)電成套裝備，推廣高溫燃料電池冷熱電三聯(lián)供應(yīng)用示范。
《北京市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案（2021-2025年） 》，明確將SOFC的發(fā)展目標(biāo)列入其中。推廣SOFC在熱電聯(lián)供、固定式發(fā)電、備用電源以及微電網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)展移動(dòng)式燃料電池充電裝置試點(diǎn)；以新建數(shù)據(jù)中心和通信基站等為應(yīng)用場(chǎng)景，推動(dòng)SOFC技術(shù)與產(chǎn)品的試點(diǎn)應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)SOFC的企業(yè)主要有潮州三環(huán)、浙江氫邦、中弗新能源、寧波索福人、華清京昆、濰柴動(dòng)力等。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：固體氧化物燃料電池（SOFC）
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