太平洋西北國家實驗室開發(fā)了這種高效的小規(guī)模固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，他們采用自己開發(fā)的微通道技術和兩項不尋常的工藝，稱為外部蒸汽重整（external steam reforming）和燃料回收。來源：西北太平洋國家實驗室
這種較小的系統(tǒng)，開發(fā)者是能源部的太平洋西北國家實驗室（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。整個系統(tǒng)都被簡化，更有效率，也具有可擴展性，他們采用了太平洋西北國家實驗室開發(fā)的微通道技術，結合使用的工藝稱為外部蒸汽重整（external steam reforming）和燃料循環(huán)（fuel recycling）。太平洋西北國家實驗室的這一系統(tǒng)包含燃料電池棧，是早些時候開發(fā)的，曾獲得能源部固態(tài)能量轉換聯盟（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，可提供清潔，高效的能源。但是，到現在為止，大多數人都集中研究較大的系統(tǒng)，可生產1兆瓦或更多的電力，取代傳統(tǒng)的發(fā)電廠，”文森特•斯普楞科爾（Vincent Sprenkle）說，他是論文的共同作者，也是太平洋西北國家實驗室固體氧化物燃料電池開發(fā)項目的首席工程師。“然而，這項研究表明，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，當時，他們開始研究固體氧化物燃料電池，也稱為SOFC（solid oxide fuel cell）。他們建立的試驗系統(tǒng)可產生約2千瓦的電力，這也是一個典型的美國家庭的耗電量。太平洋西北國家實驗室研究小組設計了這一系統(tǒng)，可以升級到100千瓦至250千瓦之間，供電給大約50至100個美國家庭。
什么是固體氧化物燃料電池？
燃料電池很像電池，它們也使用陽極，陰極和電解質來發(fā)電。但不同于大多數電池，電池耗盡反應材料，就會失效，而燃料電池可持續(xù)產生電力，只需要有持續(xù)的燃料供應。
固體氧化物燃料電池是燃料電池的一種類型，在較高溫度下運行，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，形成三個層次：就是陽極，陰極和電解液?？諝獗槐萌胪鈱?，就是陰極層?？諝庵挟a生的氧氣，會成為帶負電荷的離子，就是超氧陰離子（O2-），在這里，陰極和內部的電解質層會相接。離子移動，穿過電解液，到達最后一層，就是陽極層。在那里，氧離子與燃料發(fā)生反應。這種反應會產生電力，也會產生副產品蒸汽和二氧化碳。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)勢是，它們比傳統(tǒng)發(fā)電更高效。例如，便攜式發(fā)電機的內燃機只能把18％的燃料化學能轉化為電能。相比之下，一些固體氧化物燃料電池可以實現高達60％的效率。效率更高就意味著，固體氧化物燃料電池會消耗較少的燃料，產生較少的污染，就可產生等量的電力，這可以對比傳統(tǒng)發(fā)電廠，包括燃煤電廠。
斯普楞科爾和他在西北太平洋國家實驗室的同事們很有興趣研究較小的系統(tǒng)，因為小系統(tǒng)有優(yōu)勢，勝過較大的系統(tǒng)。大型系統(tǒng)產生的電力超過它們附近地區(qū)的耗電量，所以，大量電力必須輸送到其他地方，這要通過輸電線路。不幸的是，這個過程中會損耗一些電力。另一方面，較小的系統(tǒng)物理尺寸也較小，所以安裝時就可以更接近電力用戶。這意味著，它們生產的電力不需要輸送那么遠。這就使較小的系統(tǒng)成為理想的選擇，可用于所說的分布式發(fā)電，或生產相對少量的電力，供本地使用，比如用于個別家庭或鄰里。
目標：小型和高效
認識到較小的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)勢，太平洋西北國家實驗室研究小組就想設計一個小系統(tǒng)，既要超過50％的效率，又要很容易擴展，進行分布式發(fā)電。為了做到這一點，研究小組首先使用了一個工藝，稱為外部水蒸氣重整。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，產生中間產品。中間產品就是一氧化碳和氫氣，它們隨后會在燃料電池陽極與氧氣發(fā)生反應。正如此前所述，這種反應會產生電力，也會產生副產品蒸汽和二氧化碳。
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，當直接暴露于燃料電池時，會導致陶瓷層溫度不均勻，這可能削弱和破壞燃料電池。因此，西北太平洋國家實驗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，是在燃料電池之外發(fā)生的。
外部蒸汽重整工藝需要的設備稱為熱交換器，其中，導電材料比如金屬制成的壁會隔開兩種氣體。處在壁的一側的是熱廢氣，被排出來，屬于燃料電池內部反應的副產品。在另一側是涼爽的氣體，會向燃料電池移動。熱量離開熱氣體，穿過壁，進入涼爽的引入氣體，使它升高到所需的溫度，使燃料電池內部發(fā)生反應。
效率與微技術
這種小型固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的效率，關鍵在于使用了太平洋西北國家實驗室開發(fā)的微通道技術，用于系統(tǒng)的多個熱交換器。不是只有一個壁隔開兩種氣體，太平洋西北國家實驗室的微通道熱交換器有多面壁，產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移，也使系統(tǒng)效率更高。太平洋西北國家實驗室微通道換熱器的設計，很少需要額外的壓力，就可以移動氣體，穿過循環(huán)通道的轉折和彎曲處。
系統(tǒng)的第二個獨特之處是可以循環(huán)利用。具體而言，這種系統(tǒng)可采用廢氣，這些廢氣產生于蒸汽和熱量副產品，源自陽極，可以維持蒸汽重整過程。這種回收利用意味著，這一系統(tǒng)不需要電動裝置，用以加熱水，以產生蒸汽。重復使用這些蒸汽，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燃料電池時無法消耗的。
結合外部蒸汽重整和蒸汽回收，以及西北太平洋國家實驗室開發(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@些特性有助于系統(tǒng)使用盡可能少的能源，最終產生更多的凈電力。實驗室測試表明，系統(tǒng)凈效率范圍在2.2千瓦時是48.2％，到1.7千瓦時為56.6％。研究小組計算，他們可以把系統(tǒng)的效率提高到60％，只需要再做幾個調整。
太平洋西北國家實驗室研究小組希望看到，他們自己的研究可轉換成固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，用于單個家庭或公用事業(yè)公司。
“仍需要做出重大努力，把整體成本降低到某一點，以便經濟地進行分布式發(fā)電，”斯普楞科爾解釋說。“但是，這個示范確實提供了出色的藍圖，說明制成這樣的系統(tǒng)，可以增加發(fā)電量，同時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》。
