最前沿、最高效的燃料电池技术——SOFC及其应用展望

随着能源安全、气候环境问题的加剧，近年来全球掀起了一轮新能源的发展热潮。在中国，山上林立的白色风力发电机、成片散布的黑色太阳能电池板，还有街道上越来越多的“绿牌”电动汽车，正快速走入我们的生活。

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截至目前，我国发电总量近六成依旧是煤炭火力发电贡献的。传统火电是基于煤炭燃烧加热水蒸气，推动蒸汽轮转动，带动发电机发电，能量转换效率低（30~40%）、二氧化碳（CO₂）排放量大。近年来，我国在推动新能源汽车产业发展进程中成绩显著，2021年，我国以电动汽车为代表的新能源乘运车占全球市场份额的53%。然而，电动汽车的电能来源于电网，在没有改变能源技术结构之前，由于新能源电动汽车使用的电能主要来源于电网，追溯至源头依旧是“不够清洁”的。在此背景下，全球都在探索新型高效清洁的能量转换技术。

燃料电池技术是继水力、火力和核能之后的第四代发电技术。燃料电池通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换成电能，就像一位老掌柜“精打细算”地利用好每一粒燃料分子，将燃料分子中的电子直接取出来供给用电侧，这个过程比“一股脑”的燃烧更加可控、充分，能量转换效率自然会更高，排放物也会更加清洁。

SOFC电池单元工作原理示意图

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固体氧化物燃料电池（SOFC），也称作陶瓷燃料电池，它工作在600~1000℃的高温下，所以反应活性极高。在所有燃料电池构型中，它的能量转换效率是最高的（发电效率可达65%）。此外，它还具有安静无噪音、绿色低排放、燃料来源广泛等诸多优点。因此，越来越多的国家提升了对SOFC技术的关注度和重视度，并陆续投入了大量资金进行该项技术的研发。

我们经常听到的氢燃料电池一般特指质子交换膜燃料电池（PEMFC）。这是由于该构型的燃料电池只能用纯氢气（H2）作为燃料。GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》指出，车用纯氢单一杂质含量需要满足：CO≤0.2ppm（千万分之二）。也就是说，如果燃料中一氧化碳（CO）含量高于0.2ppm（千万分之二）就可能导致电池损坏。相比之下，SOFC更加强大。因为在高温下，燃料的氧化动力学问题被改善，除了氢气，SOFC还可以采用天然气、合成气（CO、H2等混合气）、生物质气（如沼气）等为原料，也可以采用煤制气、煤层气、页岩气、工业副产气等为原料，促使传统化石能源转化效率提升，降低CO2排放，实现化石能源的清洁高效利用。因此，SOFC也被誉为“吃粗粮的大力士”。

2022年1月24日，在中共中央政治局就努力实现碳达峰、碳中和目标集体学习会上，习近平总书记指出 “推动能源革命，要立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，通盘谋划”“要狠抓绿色低碳技术攻关，加快先进适用技术研发和推广应用。”在我国“富煤、缺油、少气”的能源资源禀赋下，SOFC技术为煤炭的清洁高效利用提供了重要思路。

除了煤炭等化石能源的高效清洁利用外，SOFC在数据中心冷电联供、船舶电源、沼气垃圾填埋气发电、医院酒店分布式发电等场景都有重要应用，能源利用效率高达85%以上。

SOFC正向运行可以发电，逆向运行即为固体氧化物电解池（SOEC）。随着风能、太阳能等可再生能源装机容量不断上升，发电与负荷不匹配产生的弃电问题会越来越严重。SOEC可以通过电解水（H2O）制氢，把这部分原本浪费掉的电能储存到氢气中，电解效率高达85%~95%，远高于其他电解水技术。据权威数据显示，预计2050年我国电解水制氢装备市场规模可以超过7000亿元。2022年3月23日，国家发改委发布了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，着重提到固体氧化物电解水制氢的技术攻关。据美国Bloom Energy公司统计，全球SOFC、SOEC市场规模将达2万亿美元。

SOFC技术作为最前沿，最高效的燃料电池技术，也是公认的开发难度最高的燃料电池技术，即使在全球范围内，也很少有企业有能力突破。三环集团自2004年开始从事SOFC研发与生产，长达18年的持续投入和技术攻关，使三环集团成为全球SOFC产业链的核心环节之一。随着SOFC系统的成功研发，三环集团掌握了从材料到单电池，再到电堆，最后到系统的研发和生产能力，贯穿了SOFC的全技术链条。这一切成就正是源于三环人的智慧和魄力，以及不懈奋斗追求的优秀品质。

能源是人类文明进步的重要物质基础和动力，攸关国计民生和国家安全。SOFC技术既能实现煤炭、天然气等化石能源的高效低碳利用，还能实现氢能的绿色高效利用，是从“实现碳达峰碳中和目标”到“保障国家能源安全”的无双利器。现如今，我国步入构建现代能源体系的新阶段，SOFC技术在推动能源革命进程中必将发挥重要作用。

文 / 研究院