特別是采用天然氣，完全可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有的能源基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行高效發(fā)電，其純電效率可以達(dá)到60%，熱電聯(lián)供效率可以達(dá)到90%以上，幾乎是所有發(fā)電設(shè)備中效率最高的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，因此被認(rèn)為是21世紀(jì)最有潛力的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
SOFC的工作原理是在陽(yáng)極側(cè)持續(xù)地通入燃料氣（如氫氣），并通過(guò)陽(yáng)極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。而在陰極側(cè)持續(xù)地通入氧氣或空氣，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢(shì)的作用下，O2-進(jìn)入固體氧離子導(dǎo)體電解質(zhì)，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過(guò)外電路回到陰極。
最經(jīng)濟(jì)可行的選擇
相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，天然氣發(fā)電的比例僅為3.3％，而在發(fā)達(dá)國(guó)家這一比重則高達(dá)26％，美國(guó)甚至高達(dá)30％。
特別是近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)煤炭的大量使用，環(huán)境壓力不斷增加，霧霾問(wèn)題日益突顯，節(jié)能減排的任務(wù)迫使中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)必須從煤炭逐步轉(zhuǎn)向天然氣和可再生能源。
但遺憾的是，可再生能源在國(guó)內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)中所占比例一直較低，再加上風(fēng)能和太陽(yáng)能的間隙式發(fā)電方式等因素影響。天然氣作為基礎(chǔ)電力的能源將大幅度提高，而SOFC被國(guó)際公認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)和最可行的選擇。
放眼全球，目前開(kāi)展SOFC研發(fā)的商業(yè)公司主要集中在美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)，其研發(fā)中心已經(jīng)從原料與單電池轉(zhuǎn)移到了電池堆和系統(tǒng)集成。
2010年，美國(guó)的Bloom Energy（BE）宣布推出商業(yè)化產(chǎn)品100kW系統(tǒng)；2013年，日本京瓷以陽(yáng)極支撐扁管式電池及電池堆為核心技術(shù)，聯(lián)合開(kāi)發(fā)的700W家用系統(tǒng)推向市場(chǎng)。
而反觀國(guó)內(nèi)，SOFC產(chǎn)業(yè)還處于比較滯后的階段，只能提供一些初級(jí)產(chǎn)品或測(cè)試設(shè)備，電池堆和系統(tǒng)尚未形成產(chǎn)業(yè)。
單電池是基礎(chǔ)核心
近日，從中科院寧波材料研究所SOFC項(xiàng)目傳來(lái)好消息，其產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)已從最基本發(fā)電單元電池，發(fā)展到發(fā)電心臟電堆，最終涵蓋到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)。而單電池作為SOFC系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、最核心的元部件，其性能、穩(wěn)定性、產(chǎn)能將直接影響電堆、系統(tǒng)的研發(fā)與集成。
值得欣慰的是，目前寧波材料所已擁有一條年產(chǎn)5萬(wàn)片的單電池生產(chǎn)線，通過(guò)了質(zhì)量管理體系GB/T19001-2008/ISO9001:2008標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)掌握了月產(chǎn)9萬(wàn)～20萬(wàn)片的產(chǎn)能提升的整套技術(shù)。
近年來(lái)，該所特別注重對(duì)電池配方和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，開(kāi)發(fā)了ASC系列高強(qiáng)度超薄型SOFC單電池制備技術(shù)。單電池厚度僅為450μm左右，抗彎強(qiáng)度達(dá)到250MPa，單電池合格率達(dá)到了90%以上。并且，單電池成本大幅度降低。同時(shí)還開(kāi)發(fā)了ESC系列單電池的整套制備技術(shù)，單電池厚度200～250μm，性能在830℃，高于0.5W/cm2。
中低溫成關(guān)鍵技術(shù)
長(zhǎng)久以來(lái)，SOFC操作溫度相對(duì)較高。如果將其溫度降低至中溫，關(guān)鍵材料抗老化性能的要求將大大降低，導(dǎo)致電池堆失效的密封問(wèn)題也相對(duì)簡(jiǎn)單，而且可以拓展燃料的選擇范圍。
由此可見(jiàn)，發(fā)展高性能、低成本、高可靠性的中低溫SOFC單電池成為該領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)和主要研究目標(biāo)。
特別是隨著溫度的降低，可以實(shí)現(xiàn)由中溫性能更高的LSCF取代LSM陰極，進(jìn)一步降低單電池的工作溫度約50℃～100℃，即ASC-LSCF單電池。
據(jù)悉，寧波材料所批量制備的ASC-LSCF系列單電池性能也取得顯著提高，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。通過(guò)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化以及測(cè)試方式的改進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)10cm×10cm單電池，有效面積64cm2，在800℃時(shí)，0.8V下的單片電池放電電流可達(dá)72A，單片功率超過(guò)57W，功率密度達(dá)到0.88W/cm2，燃料利用率（Fu）大于62%；在750℃時(shí)，0.75V下的單片電池放電電流可達(dá)到70A，單片電池功率超過(guò)50W，功率密度達(dá)到0.8W/cm2，F(xiàn)u大于50%。
產(chǎn)品熱銷性價(jià)比高
此外，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還面向全球市場(chǎng)生產(chǎn)和銷售SOFC用粉體、單電池、電池堆和小型分立式發(fā)電和測(cè)試系統(tǒng)，產(chǎn)品銷售4年來(lái)已經(jīng)遍布美國(guó)、加拿大、德國(guó)、丹麥、英國(guó)、瑞士、日本、韓國(guó)等國(guó)。
SOFC產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提升的同時(shí)，價(jià)格卻未“高攀”。比如，陽(yáng)極支撐標(biāo)準(zhǔn)單電池價(jià)格從200元/片降到60元/片，是目前全球公認(rèn)的性價(jià)比最高的產(chǎn)品；700W~1kW電池堆模塊銷售價(jià)格從29000元/堆降低到6000元/堆，是全球唯一明碼標(biāo)價(jià)的電池堆供應(yīng)商。
除了可以建成大規(guī)模的固定電站，SOFC還可以建成小型的家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，同樣具有很好的商業(yè)化前景。
最近，寧波材料所SOFC團(tuán)隊(duì)研發(fā)的1kW自熱式獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)成功運(yùn)行，這也成為國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)真正意義上的產(chǎn)電、產(chǎn)能，邁出了從實(shí)驗(yàn)室走向家庭、市場(chǎng)的關(guān)鍵一步。
（作者單位：中科院寧波材料所SOFC事業(yè)部）
