太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了這種高效的小規(guī)模固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，他們采用自己開(kāi)發(fā)的微通道技術(shù)和兩項(xiàng)不尋常的工藝，稱(chēng)為外部蒸汽重整（external steam reforming）和燃料回收。來(lái)源：西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
這種較小的系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)者是能源部的太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory），他們使用沼氣作為燃料，沼氣是天然氣的主要成分。整個(gè)系統(tǒng)都被簡(jiǎn)化，更有效率，也具有可擴(kuò)展性，他們采用了太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的微通道技術(shù)，結(jié)合使用的工藝稱(chēng)為外部蒸汽重整（external steam reforming）和燃料循環(huán)（fuel recycling）。太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的這一系統(tǒng)包含燃料電池棧，是早些時(shí)候開(kāi)發(fā)的，曾獲得能源部固態(tài)能量轉(zhuǎn)換聯(lián)盟（Solid State Energy Conversion Alliance）的支持。
“固體氧化物燃料電池是一種很有前途的技術(shù)，可提供清潔，高效的能源。但是，到現(xiàn)在為止，大多數(shù)人都集中研究較大的系統(tǒng)，可生產(chǎn)1兆瓦或更多的電力，取代傳統(tǒng)的發(fā)電廠(chǎng)，”文森特•斯普楞科爾（Vincent Sprenkle）說(shuō)，他是論文的共同作者，也是太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室固體氧化物燃料電池開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的首席工程師。“然而，這項(xiàng)研究表明，較小的固體氧化物燃料電池，發(fā)電量介于1千瓦到100千瓦之間，這是可行的選擇，可進(jìn)行高效的區(qū)域性發(fā)電。”
斯普楞科爾和他的合著者考慮的是社區(qū)規(guī)模的發(fā)電，當(dāng)時(shí)，他們開(kāi)始研究固體氧化物燃料電池，也稱(chēng)為SOFC（solid oxide fuel cell）。他們建立的試驗(yàn)系統(tǒng)可產(chǎn)生約2千瓦的電力，這也是一個(gè)典型的美國(guó)家庭的耗電量。太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究小組設(shè)計(jì)了這一系統(tǒng)，可以升級(jí)到100千瓦至250千瓦之間，供電給大約50至100個(gè)美國(guó)家庭。
什么是固體氧化物燃料電池？
燃料電池很像電池，它們也使用陽(yáng)極，陰極和電解質(zhì)來(lái)發(fā)電。但不同于大多數(shù)電池，電池耗盡反應(yīng)材料，就會(huì)失效，而燃料電池可持續(xù)產(chǎn)生電力，只需要有持續(xù)的燃料供應(yīng)。
固體氧化物燃料電池是燃料電池的一種類(lèi)型，在較高溫度下運(yùn)行，大約是1100至1800華氏度，可以采用多種燃料，包括天然氣，沼氣，氫氣以及液體燃料，如加工清潔過(guò)的柴油和汽油。每塊固體氧化物燃料電池都是用陶瓷材料制成，形成三個(gè)層次：就是陽(yáng)極，陰極和電解液。空氣被泵入外層，就是陰極層。空氣中產(chǎn)生的氧氣，會(huì)成為帶負(fù)電荷的離子，就是超氧陰離子（O2-），在這里，陰極和內(nèi)部的電解質(zhì)層會(huì)相接。離子移動(dòng)，穿過(guò)電解液，到達(dá)最后一層，就是陽(yáng)極層。在那里，氧離子與燃料發(fā)生反應(yīng)。這種反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電力，也會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品蒸汽和二氧化碳。這種電力可供電給家庭，社區(qū)，城市以及更大的范圍。
燃料電池的一大優(yōu)勢(shì)是，它們比傳統(tǒng)發(fā)電更高效。例如，便攜式發(fā)電機(jī)的內(nèi)燃機(jī)只能把18％的燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。相比之下，一些固體氧化物燃料電池可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)60％的效率。效率更高就意味著，固體氧化物燃料電池會(huì)消耗較少的燃料，產(chǎn)生較少的污染，就可產(chǎn)生等量的電力，這可以對(duì)比傳統(tǒng)發(fā)電廠(chǎng)，包括燃煤電廠(chǎng)。
斯普楞科爾和他在西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同事們很有興趣研究較小的系統(tǒng)，因?yàn)樾∠到y(tǒng)有優(yōu)勢(shì)，勝過(guò)較大的系統(tǒng)。大型系統(tǒng)產(chǎn)生的電力超過(guò)它們附近地區(qū)的耗電量，所以，大量電力必須輸送到其他地方，這要通過(guò)輸電線(xiàn)路。不幸的是，這個(gè)過(guò)程中會(huì)損耗一些電力。另一方面，較小的系統(tǒng)物理尺寸也較小，所以安裝時(shí)就可以更接近電力用戶(hù)。這意味著，它們生產(chǎn)的電力不需要輸送那么遠(yuǎn)。這就使較小的系統(tǒng)成為理想的選擇，可用于所說(shuō)的分布式發(fā)電，或生產(chǎn)相對(duì)少量的電力，供本地使用，比如用于個(gè)別家庭或鄰里。
目標(biāo)：小型和高效
認(rèn)識(shí)到較小的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究小組就想設(shè)計(jì)一個(gè)小系統(tǒng)，既要超過(guò)50％的效率，又要很容易擴(kuò)展，進(jìn)行分布式發(fā)電。為了做到這一點(diǎn)，研究小組首先使用了一個(gè)工藝，稱(chēng)為外部水蒸氣重整。在一般情況下，水蒸汽重整就是混合燃料與蒸汽，使兩者發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生中間產(chǎn)品。中間產(chǎn)品就是一氧化碳和氫氣，它們隨后會(huì)在燃料電池陽(yáng)極與氧氣發(fā)生反應(yīng)。正如此前所述，這種反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電力，也會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品蒸汽和二氧化碳。
以前，蒸汽重整一直用于燃料電池中，但是這種方法需要熱量，當(dāng)直接暴露于燃料電池時(shí)，會(huì)導(dǎo)致陶瓷層溫度不均勻，這可能削弱和破壞燃料電池。因此，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究小組選擇了外部水蒸汽重整，從而完成了蒸汽和燃料電池之間的初步反應(yīng)，是在燃料電池之外發(fā)生的。
外部蒸汽重整工藝需要的設(shè)備稱(chēng)為熱交換器，其中，導(dǎo)電材料比如金屬制成的壁會(huì)隔開(kāi)兩種氣體。處在壁的一側(cè)的是熱廢氣，被排出來(lái)，屬于燃料電池內(nèi)部反應(yīng)的副產(chǎn)品。在另一側(cè)是涼爽的氣體，會(huì)向燃料電池移動(dòng)。熱量離開(kāi)熱氣體，穿過(guò)壁，進(jìn)入涼爽的引入氣體，使它升高到所需的溫度，使燃料電池內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)。
效率與微技術(shù)
這種小型固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的效率，關(guān)鍵在于使用了太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的微通道技術(shù)，用于系統(tǒng)的多個(gè)熱交換器。不是只有一個(gè)壁隔開(kāi)兩種氣體，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的微通道熱交換器有多面壁，產(chǎn)生于一系列微小的循環(huán)通道，這些通道比回形針還窄。這就增加了表面積，使更多的熱量可以被轉(zhuǎn)移，也使系統(tǒng)效率更高。太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室微通道換熱器的設(shè)計(jì)，很少需要額外的壓力，就可以移動(dòng)氣體，穿過(guò)循環(huán)通道的轉(zhuǎn)折和彎曲處。
系統(tǒng)的第二個(gè)獨(dú)特之處是可以循環(huán)利用。具體而言，這種系統(tǒng)可采用廢氣，這些廢氣產(chǎn)生于蒸汽和熱量副產(chǎn)品，源自陽(yáng)極，可以維持蒸汽重整過(guò)程。這種回收利用意味著，這一系統(tǒng)不需要電動(dòng)裝置，用以加熱水，以產(chǎn)生蒸汽。重復(fù)使用這些蒸汽，混合燃料，也意味著這種系統(tǒng)可以用盡一些剩余燃料，這些是燃料首次穿過(guò)燃料電池時(shí)無(wú)法消耗的。
結(jié)合外部蒸汽重整和蒸汽回收，以及西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的微通道換熱器，就使研究小組的這種小型固體氧化物燃料電池系統(tǒng)具有非常高的效率?？傊?，這些特性有助于系統(tǒng)使用盡可能少的能源，最終產(chǎn)生更多的凈電力。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，系統(tǒng)凈效率范圍在2.2千瓦時(shí)是48.2％，到1.7千瓦時(shí)為56.6％。研究小組計(jì)算，他們可以把系統(tǒng)的效率提高到60％，只需要再做幾個(gè)調(diào)整。
太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究小組希望看到，他們自己的研究可轉(zhuǎn)換成固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，用于單個(gè)家庭或公用事業(yè)公司。
“仍需要做出重大努力，把整體成本降低到某一點(diǎn)，以便經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行分布式發(fā)電，”斯普楞科爾解釋說(shuō)。“但是，這個(gè)示范確實(shí)提供了出色的藍(lán)圖，說(shuō)明制成這樣的系統(tǒng)，可以增加發(fā)電量，同時(shí)減少二氧化碳排放量。”
更多信息：《演示高效固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)采用絕熱蒸汽重整和陽(yáng)極氣體再利用》（Demonstration of a highly efficient solid oxide fuel cell power system using adiabatic steam reforming and anode gas recirculation），2012年5月1日發(fā)表于《電源雜志》。
