欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状

工程科学学报.第42卷.第3期：278-288.2020年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.3:278-288,March 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.10.001;http://cje.ustb.edu.cn 欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状 刘少名2)区，邓占锋，徐桂芝”，李宝让)，宋鹏翔)，王绍荣 1)全球能源互联网研究院有限公司先进输电技术国家重点实验室，北京1022092)华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206 3)全球能源互联网欧洲研究院，柏林106234)中国矿业大学（徐州）化工学院.徐州221116 ☒通信作者，E-mail:549094864@iqq.com 摘要固体氧化物燃料电池(SOFC)具有燃料适用范围广、能量转换效率高（发电效率40%~60%.综合能效≥80%）、全固 态结构、模块化组装、零污染等优点，作为固定式或分布式发电可增强电网清洁供电的能力、安全性、可靠性和稳定性 SOFC具有多种不同的结构，其发电规模覆盖几十瓦至百兆瓦，可根据不同的应用场景选择不同的结构，应用场景主要包括 固定式发电、分布式供电、热（冷）电联供、交通车辆辅助动力电源等领域.国内的SOC技术发展较晚，目前已取得一定的 研究进展，并且能够自主研发出十几千瓦的SOFC发电系统，但与国际领先水平还有很大的差距，主要体现在输出功率、生产 成本及使用寿命等方面.欧洲的$OFC技术处于国际领先水平，具有一批成功实现产品化的公司，通过对其技术和产品的调 研，可深入的了解欧洲SOFC技术现状和发展趋势.为国内SOFC技术的发展提供借鉴作用. 关键词燃料电池：设计：制造：发电技术：分布式供电：热（冷）电联供 分类号TK91 Commercialization and future development of the solid oxide fuel cell (SOFC)in Europe LIU Shao-ming2,DENG Zhan-feng,XU Gui-zhi,LI Bao-rang.SONG Peng-xiang WANG Shao-rong 1)State Key Laboratory of Advanced Transmission Technology,Global Energy Interconnection Research Institute Limited Company,Beijing 102209, China 2)School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China 3)Global Energy Interconnection Research Institute Europe GmbH,Berlin 10623,Germany 4)School of Chemical Engineering Technology,China University of Mining and Technology (Xuzhou),Xuzhou 221116,China Corresponding author,E-mail:549094864@qq.com ABSTRACT With the continuous consumption of fossil fuels,the increasingly serious problem of environmental pollution and increasing demand for electricity in China have forced the need to gradually increase the capacity of renewable energy technologies such as wind and photovoltaic power.The randomness and intermittence associated with in the generation of wind and photovoltaic power bring new challenges to the safety and stability of power-grid operations.With respect to the generation of either stationary or distributed power,the solid oxide fuel cell (SOFC)power-generation system can be designed according to the actual demands of specific users and effectively supplement shortages in the generation of centralized power,and thereby significantly improve the efficiency,reliability,and stability of the power supply.SOFCs have many advantages,including fuel flexibility,high energy-conversion efficiency (power- generation efficiency ranging of 40%60%,comprehensive energy efficiency 80%),a whole solid structure,modular assembly,and near-zero pollution.SOFCs have a variety of different structures,and their power-generation scales range from tens of watts to hundreds 收稿日期：2019-10-10 基金项目：国家电网公司科技资助项目一固体氧化物燃料电池发电系统关键技术研究(2017-2019-SGRIDLKJ[2017]720)

欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状 刘少名1,2) 苣，邓占锋1)，徐桂芝1)，李宝让2)，宋鹏翔1,3)，王绍荣4) 1) 全球能源互联网研究院有限公司先进输电技术国家重点实验室，北京 102209    2) 华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206 3) 全球能源互联网欧洲研究院，柏林 10623    4) 中国矿业大学（徐州）化工学院，徐州 221116 苣通信作者，E-mail：549094864@qq.com 摘    要    固体氧化物燃料电池（SOFC）具有燃料适用范围广、能量转换效率高（发电效率 40%～60%，综合能效≥80%）、全固 态结构、模块化组装、零污染等优点，作为固定式或分布式发电可增强电网清洁供电的能力、安全性、可靠性和稳定性. SOFC 具有多种不同的结构，其发电规模覆盖几十瓦至百兆瓦，可根据不同的应用场景选择不同的结构，应用场景主要包括 固定式发电、分布式供电、热（冷）电联供、交通车辆辅助动力电源等领域. 国内的 SOFC 技术发展较晚，目前已取得一定的 研究进展，并且能够自主研发出十几千瓦的 SOFC 发电系统，但与国际领先水平还有很大的差距，主要体现在输出功率、生产 成本及使用寿命等方面. 欧洲的 SOFC 技术处于国际领先水平，具有一批成功实现产品化的公司，通过对其技术和产品的调 研，可深入的了解欧洲 SOFC 技术现状和发展趋势，为国内 SOFC 技术的发展提供借鉴作用. 关键词    燃料电池；设计；制造；发电技术；分布式供电；热（冷）电联供 分类号    TK91 Commercialization  and  future  development  of  the  solid  oxide  fuel  cell  (SOFC)  in Europe LIU Shao-ming1,2) 苣 ，DENG Zhan-feng1) ，XU Gui-zhi1) ，LI Bao-rang2) ，SONG Peng-xiang1,3) ，WANG Shao-rong4) 1) State Key Laboratory of Advanced Transmission Technology, Global Energy Interconnection Research Institute Limited Company, Beijing 102209, China 2) School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China 3) Global Energy Interconnection Research Institute Europe GmbH, Berlin 10623, Germany 4) School of Chemical Engineering & Technology, China University of Mining and Technology (Xuzhou), Xuzhou 221116, China 苣 Corresponding author, E-mail: 549094864@qq.com ABSTRACT    With  the  continuous  consumption  of  fossil  fuels,  the  increasingly  serious  problem  of  environmental  pollution  and increasing demand for electricity in China have forced the need to gradually increase the capacity of renewable energy technologies such as wind and photovoltaic power. The randomness and intermittence associated with in the generation of wind and photovoltaic power bring new challenges to the safety and stability of power-grid operations. With respect to the generation of either stationary or distributed power, the solid oxide fuel cell (SOFC) power-generation system can be designed according to the actual demands of specific users and effectively supplement shortages in the generation of centralized power, and thereby significantly improve the efficiency, reliability, and stability  of  the  power  supply.  SOFCs  have  many  advantages,  including  fuel  flexibility,  high  energy-conversion  efficiency  (power￾generation efficiency ranging of 40%–60%, comprehensive energy efficiency ≥80%), a whole solid structure, modular assembly, and near-zero pollution. SOFCs have a variety of different structures, and their power-generation scales range from tens of watts to hundreds 收稿日期: 2019−10−10 基金项目: 国家电网公司科技资助项目—固体氧化物燃料电池发电系统关键技术研究（2017-2019-SGRIDLKJ[2017]720） 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期：278−288，2020 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 3: 278−288, March 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.10.001; http://cje.ustb.edu.cn

刘少名等：欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状 ,279· of megawatts,with different structures selected for different application scenarios.These application scenarios mainly include fixed power generation,distributed power supply,combined heat(cold)and power supply,and auxiliary power units for traffic vehicles. SOFC technology in China has developed more recently than that in foreign countries and has made some progress.Manufacturers in China can independently develop SOFC power generation systems that produce more than 10 kW of power,but there remains a big gap between the systems developed in China and those developed by SOFC technology leaders elsewhere in the world,which is mainly reflected in the output power,production cost,and durability.Europe's SOFC technology is at the forefront,with a number of successful companies having realized effective products.Through the investigation of their technology and products,we can gain an in-depth understanding of the current situation and development trends of SOFC technology as a reference for improving China's SOFC technology. KEY WORDS fuel cell;design;manufacture;power generation technology;distributed power supply;combined heat(cold)and power supply 燃料电池是一种清洁、高效的能量转换装置， 积小 它可以等温地将燃料和氧化剂中的化学能转化为 正是由于SOFC具有以上突出的优点，使得其 电能.其基本结构单元包括：附着催化剂的阴极和 在固定式发电、分布式发电、家庭用热电联供系 阳极，以及离子导通的电解质.燃料电池在工作 统、交通车辆辅助动力电源及军用电源方面有广 时，还原剂或燃料在阳极处失去电子发生氧化反 阔的应用前景 应，氧气在阴极处得到电子发生还原反应，离子通 1SOFC的种类及特点 过电解质进行迁移，电子通过外电路由阳极返回 阴极以构成电子回路.由于反应不断消耗的燃料 目前，广泛使用的SOFC单元的组件设计形式 须由外部提供，所以燃料电池的工作方式类似于 大体分为两类，即管式设计和平板式设计.管式设 柴油或汽油发电机四 计由于其良好的密封性能而具有良好的长期稳定 燃料电池按电解质的不同可划分为碱性燃料 性，而平板式设计由于短的电流路径而具有高的 电池(Alkaline fuel cell,.AFC)、磷酸燃料电池 功率密度，这两种设计方式各有优缺点，因此可根 (Phosphoric acid fuel cell,PAFC)、熔融碳酸盐燃料 据不同的应用场景选择SOFC的设计类型 电池(Molten carbonate fuel cell,.MCFC)、质子交换 1.1管式S0FC 膜然料电池(Polymer electrolyte membrane fuel cell. 管式SOFC最早是在20世纪70年代由美国 PEMFC)及固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel 西屋电气公司(Westinghouse Electric Corporation) cell,SOFC).其中SOFC作为新一代的燃料电池， 开发和商业应用的，其制备工艺为：通过挤压成型 是一种在高温(500~1000℃)下可以将存储在燃 方法制备多孔的氧化钙稳定的氧化锆支撑管，在 料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态能量 支撑管上制备阳极、电解质薄膜和阴极，并高温烧 转换装置，被誉为21世纪最具前景的绿色发电系 结成型.但是由于支撑体支撑管式SOFC内阻大， 统，其主要优点如下： 输出功率偏低，而在80年代之后管状SOFC的主 (1)燃料种类选择范围宽.天然气、氢气、醇 要研究方向转变为阴极支撑或阳极支撑，其中大 类、烃类等均可作为燃料 直径管状SOFC(>l5mm)多采用阴极支撑结构，该 (2)环境污染程度低.SOFC是全固态的结构， 结构的SOFC与支撑体支撑的SOFC结构相比更 不存在电解质流失问题；发电过程只产生水和二 为简单，制备工艺更易批量化生产，不仅降低了内 氧化碳，氨氧化物、硫化物及颗粒物排放接近 阻和成本，还明显的提高了单管的输出功率；与阳 于零. 极支撑结构相比可采用廉价的镍作为连接体材 (3)能量转换效率高.其发电效率可达45%~ 料.小功率微管SOFC(<5mm)技术多采用阳极支 60%,远高于传统的热机发电技术：若高温尾气与 撑结构，其与电解质支撑结构相比降低了工作温 燃气轮机、蒸汽轮机等进行联合发电，发电效率可 度及内阻，并且可以采用低成本、批量化的制备工 高达80%以上) 艺：其与阴极支撑结构相比具有更低的极化阻抗， (4)成本较低.不需要使用贵金属催化剂 但其缺点是阳极和电解质共烧易造成阳极孔隙率 (5)模块化结构.设计和安装灵活，占地面 的降低

of  megawatts,  with  different  structures  selected  for  different  application  scenarios.  These  application  scenarios  mainly  include  fixed power  generation,  distributed  power  supply,  combined  heat  (cold)  and  power  supply,  and  auxiliary  power  units  for  traffic  vehicles. SOFC technology in China has developed more recently than that in foreign countries and has made some progress. Manufacturers in China can independently develop SOFC power generation systems that produce more than 10 kW of power, but there remains a big gap between  the  systems  developed  in  China  and  those  developed  by  SOFC  technology  leaders  elsewhere  in  the  world,  which  is  mainly reflected in the output power, production cost, and durability. Europe's SOFC technology is at the forefront, with a number of successful companies  having  realized  effective  products.  Through  the  investigation  of  their  technology  and  products,  we  can  gain  an  in-depth understanding  of  the  current  situation  and  development  trends  of  SOFC  technology  as  a  reference  for  improving  China ’s  SOFC technology. KEY  WORDS    fuel  cell； design； manufacture； power  generation  technology； distributed  power  supply； combined  heat  (cold)  and power supply 燃料电池是一种清洁、高效的能量转换装置， 它可以等温地将燃料和氧化剂中的化学能转化为 电能. 其基本结构单元包括：附着催化剂的阴极和 阳极，以及离子导通的电解质. 燃料电池在工作 时，还原剂或燃料在阳极处失去电子发生氧化反 应，氧气在阴极处得到电子发生还原反应，离子通 过电解质进行迁移，电子通过外电路由阳极返回 阴极以构成电子回路. 由于反应不断消耗的燃料 须由外部提供，所以燃料电池的工作方式类似于 柴油或汽油发电机[1] . 燃料电池按电解质的不同可划分为碱性燃料 电 池 （ Alkaline  fuel  cell,  AFC） 、 磷 酸 燃 料 电 池 （Phosphoric acid fuel cell, PAFC）、熔融碳酸盐燃料 电池（Molten carbonate fuel cell, MCFC）、质子交换 膜燃料电池（Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC）及固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell, SOFC）. 其中 SOFC 作为新一代的燃料电池， 是一种在高温（500～1000 ℃）下可以将存储在燃 料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态能量 转换装置，被誉为 21 世纪最具前景的绿色发电系 统[2] ，其主要优点如下： （1）燃料种类选择范围宽. 天然气、氢气、醇 类、烃类等均可作为燃料. （2）环境污染程度低. SOFC 是全固态的结构， 不存在电解质流失问题；发电过程只产生水和二 氧化碳 ，氮氧化物、硫化物及颗粒物排放接近 于零. （3）能量转换效率高. 其发电效率可达 45%～ 60%，远高于传统的热机发电技术；若高温尾气与 燃气轮机、蒸汽轮机等进行联合发电，发电效率可 高达 80% 以上[3] . （4）成本较低. 不需要使用贵金属催化剂. （ 5）模块化结构. 设计和安装灵活，占地面 积小. 正是由于 SOFC 具有以上突出的优点，使得其 在固定式发电、分布式发电、家庭用热电联供系 统、交通车辆辅助动力电源及军用电源方面有广 阔的应用前景. 1    SOFC 的种类及特点 目前，广泛使用的 SOFC 单元的组件设计形式 大体分为两类，即管式设计和平板式设计. 管式设 计由于其良好的密封性能而具有良好的长期稳定 性，而平板式设计由于短的电流路径而具有高的 功率密度，这两种设计方式各有优缺点，因此可根 据不同的应用场景选择 SOFC 的设计类型. 1.1    管式 SOFC 管式 SOFC 最早是在 20 世纪 70 年代由美国 西屋电气公司（ Westinghouse Electric Corporation） 开发和商业应用的，其制备工艺为：通过挤压成型 方法制备多孔的氧化钙稳定的氧化锆支撑管，在 支撑管上制备阳极、电解质薄膜和阴极，并高温烧 结成型. 但是由于支撑体支撑管式 SOFC 内阻大， 输出功率偏低，而在 80 年代之后管状 SOFC 的主 要研究方向转变为阴极支撑或阳极支撑，其中大 直径管状 SOFC（>15 mm）多采用阴极支撑结构，该 结构的 SOFC 与支撑体支撑的 SOFC 结构相比更 为简单，制备工艺更易批量化生产，不仅降低了内 阻和成本，还明显的提高了单管的输出功率；与阳 极支撑结构相比可采用廉价的镍作为连接体材 料. 小功率微管 SOFC（<5 mm）技术多采用阳极支 撑结构，其与电解质支撑结构相比降低了工作温 度及内阻，并且可以采用低成本、批量化的制备工 艺；其与阴极支撑结构相比具有更低的极化阻抗， 但其缺点是阳极和电解质共烧易造成阳极孔隙率 的降低. 刘少名等： 欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状 · 279 ·

280 工程科学学报，第42卷，第3期 由于传统管式SOFC不存在高温密封难题，且 电池阴阳极接触面积的增大也增大了集流面积； 具有良好的长期稳定性而一直受到研究人员的青 阳极气体通道间的脊缩短了电流传输路径：降低 睐，但是其结构原因导致长的电流路径而使输出 了空气电极厚度以降低阴极极化阻抗，这种结构 功率偏低，因此在管式SOFC基础上进行几何形状 使得扁管式SOFC具有比管式更高的功率密度 设计以提高输出功率密度成为主要的研究方向， 但是目前扁管式制备工艺复杂、成品率低，连接体 在传统管式SOFC基础上发展的主要形状包括：扁 材料的选择仍是需要解决的关键问题， 管式、瓦楞式、锥管式、蜂巢式和微管式等 (2)瓦楞式SOFC.为了进一步降低电堆成本， (I)扁管式SOFC.扁管式SOFC是由美国西 美国西门子-西屋电气公司在扁管式SOFC的基础 门子-西屋电气公司在其管式SOFC的基础上开发 上开发新一代的高功率密度(HPD)电池，其形状 的新一代的电池结构，其目的是提高其输出的功 为瓦楞形设计，在相同长度上活性面积增加 率密度.扁管式设计吸收了板式和管式设计的优 40%以上.此外，这种波浪形的结构设计使得电堆 点，如图1所示，致密的连接体薄膜用来分隔燃 的结构更紧凑阿但是也正是由于结构的复杂性导 料气和空气，并起到电池间串联的作用；连接体和 致制备工艺困难、成本较高 (a) Interconnection (b) Ni contact Interconnection Air electrode Air electrode Ni contact Electrolyte Electrolyte Fuel electrod Fuel electrode 图1SOFC电流传输路径).(a)传统管式结构：(b)扁管式结构 Fig.I Schematic of SOFC current transmission paths:(a)traditional tubular construction;(b)flat-tubular construction (3)锥管式SOFC.为了使SOFC能够应用于 便携式设备，减小电池半径可以增加体积功率密 度锥管式SOFC采用了英国劳斯莱斯(Rolls-- The first The second Royce)公司分段串联结构(Segmented-in-series)的 section section The third section 设计理念，通过将一个锥体与另一个锥体相结合 Fuel gas Fuel gas Fuel gas 形成管状自支撑结构（如图2所示），同时连接体 起密封和集电的作用.这样的设计可以提供一个 灵活的电堆结构，在较小的尺寸下可以获得更高 1-Anode support;2-Electrolyte membrane;3-Cathode layer; 4-Interconnect,5-Edge of the bigger open end of anode support; 的功率，同时具有高的抗热震性能，但其结构设计 6-Edge of the smaller open end of anode support 复杂和连接体加工困难是需要解决的问题.目前， 图2锥管式SOFC结构示意图 应用于锥管式SOFC的制备工艺有注浆成型、浸 Fig.2 Schematic of cone-shaped SOFCH 渍涂敷、注射成型及凝胶注模等方式 (4)蜂巢式SOFC,除了扁管和锥管式SOFC之 中存在漏气现象使得电池性能较差.随后的研究 外，蜂巢式SOFC是另一种既具有管式又具有板式 重点改为电极支撑机构，图39为蜂巢式电堆示意 优点的SOFC设计方式，这种设计方式具有很好 图及实物图，该结构为阳极支撑结构，燃料由内部 的模块式结构和机械强度，所以在体积功率密度 通道流入，单通道的功率密度在700℃时可达到 和耐久性上具有优势，但其连接体和电引线是设 0.5W-cm2 计中需解决的主要问题.蜂巢式SOFC首先是在 (5)微管式SOFC,微管式SOFC是在管式SOFC 1992年由ABB公司的Wetzko等发明的圆，由于其 的基础上发展起来的，由于其管径较小（小于2mm) 结构为电解质支撑具有高的欧姆阻抗，且电解质 所以称为微管式SOFC,如图4(a)和(b)所示正

由于传统管式 SOFC 不存在高温密封难题，且 具有良好的长期稳定性而一直受到研究人员的青 睐，但是其结构原因导致长的电流路径而使输出 功率偏低，因此在管式 SOFC 基础上进行几何形状 设计以提高输出功率密度成为主要的研究方向， 在传统管式 SOFC 基础上发展的主要形状包括：扁 管式、瓦楞式、锥管式、蜂巢式和微管式等. （1）扁管式 SOFC. 扁管式 SOFC 是由美国西 门子‒西屋电气公司在其管式 SOFC 的基础上开发 的新一代的电池结构，其目的是提高其输出的功 率密度[4] . 扁管式设计吸收了板式和管式设计的优 点，如图 1 所示[5] ，致密的连接体薄膜用来分隔燃 料气和空气，并起到电池间串联的作用；连接体和 电池阴阳极接触面积的增大也增大了集流面积； 阳极气体通道间的脊缩短了电流传输路径；降低 了空气电极厚度以降低阴极极化阻抗，这种结构 使得扁管式 SOFC 具有比管式更高的功率密度. 但是目前扁管式制备工艺复杂、成品率低，连接体 材料的选择仍是需要解决的关键问题. （2）瓦楞式 SOFC. 为了进一步降低电堆成本， 美国西门子‒西屋电气公司在扁管式 SOFC 的基础 上开发新一代的高功率密度（HPD）电池，其形状 为 瓦 楞 形 设 计 ， 在 相 同 长 度 上 活 性 面 积 增 加 40% 以上. 此外，这种波浪形的结构设计使得电堆 的结构更紧凑[5] . 但是也正是由于结构的复杂性导 致制备工艺困难、成本较高. （3）锥管式 SOFC. 为了使 SOFC 能够应用于 便携式设备，减小电池半径可以增加体积功率密 度[6] . 锥管式 SOFC 采用了英国劳斯莱斯（Rolls– Royce）公司分段串联结构（Segmented-in-series）的 设计理念，通过将一个锥体与另一个锥体相结合 形成管状自支撑结构（如图 2 所示[7] ），同时连接体 起密封和集电的作用. 这样的设计可以提供一个 灵活的电堆结构，在较小的尺寸下可以获得更高 的功率，同时具有高的抗热震性能，但其结构设计 复杂和连接体加工困难是需要解决的问题. 目前， 应用于锥管式 SOFC 的制备工艺有注浆成型、浸 渍涂敷、注射成型及凝胶注模等方式. （4）蜂巢式 SOFC，除了扁管和锥管式 SOFC 之 外，蜂巢式 SOFC 是另一种既具有管式又具有板式 优点的 SOFC 设计方式. 这种设计方式具有很好 的模块式结构和机械强度，所以在体积功率密度 和耐久性上具有优势，但其连接体和电引线是设 计中需解决的主要问题. 蜂巢式 SOFC 首先是在 1992 年由 ABB 公司的 Wetzko 等发明的[8] ，由于其 结构为电解质支撑具有高的欧姆阻抗，且电解质 中存在漏气现象使得电池性能较差. 随后的研究 重点改为电极支撑机构，图 3 [9] 为蜂巢式电堆示意 图及实物图，该结构为阳极支撑结构，燃料由内部 通道流入，单通道的功率密度在 700 ℃ 时可达到 0.5 W·cm−2 . （5）微管式 SOFC，微管式 SOFC 是在管式 SOFC 的基础上发展起来的，由于其管径较小（小于 2 mm） 所以称为微管式 SOFC，如图 4（a）和（b）所示[5] . 正 (a) (b) Air electrode Electrolyte Fuel electrode Interconnection Ni contact Interconnection Air electrode Ni contact Electrolyte Fuel electrode 图 1    SOFC 电流传输路径[5] . （a）传统管式结构；（b）扁管式结构 Fig.1    Schematic of SOFC current transmission path[5] : (a) traditional tubular construction; (b) flat-tubular construction The first section Fuel gas Fuel gas Fuel gas The second section The third section 6 1 2 4 3 5 1―Anode support; 2―Electrolyte membrane; 3―Cathode layer; 4―Interconnect; 5―Edge of the bigger open end of anode support; 6―Edge of the smaller open end of anode support 图 2    锥管式 SOFC 结构示意图[7] Fig.2    Schematic of cone-shaped SOFC[7] · 280 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期

刘少名等：欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状 281· (a) Honeycomb single cells (b) 10 mm Metallic interconnect SeSZ layer -10 mm Fuel Current collection Glass sealing layer layer for anode 图3蜂巢式SOFC示意图及实物图例(a)阴极支撑蜂巢式电堆SOFC示意图：(b)2节蜂巢式SOFC电堆实物图 Fig.3 Schematic diagram and real honeycomb SOFC product:(a)cathode-supported honeycomb SOFC;(b)a photo of a two-unit honeycomb SOFC stack (a) Outer cathode layer 6 Cathode current Anode supported Thick electrolyte support tube collection wire Electrolyte. supported Inner anode layer 5 mm Anode current collector .Anode current Cathode current Outer cathode layer Electrolyte layer collection wire collection wire Thick anode support tube (c) (d) 16 MD/A 3 0.2Wcm-2 1.4 2 1.0 0.8 1 0.6 a0 0.4 0.2 0 0.1020.30.4 Diameter/cm 050100150200250300350 Time/min 图4微管式SOFC结构图及性能曲线so-四(a)电解质支撑微管式SOFC结构示意图：(b)阳极支撑蜂微管式SOFC结构示意图：(c)管径与输出 功率关系曲线：(d)微管式SOFC热循环性能 Fig.4 Schematic diagrams and performance curve of microtubular SOFC(a)schematic diagram of electrolyte-supported microtubular SOFC;(b) schematic diagram of anode-supported microtubular SOFC;(c)influence of pipe diameter on output power;(d)thermal cycling results for microtubular SOFC 是由于管径尺寸的变化使得微管式SOFC性能有 式和瓦楞式的成品率：解决锥管式、蜂巢式及微管 两方面的提高，一是功率密度，由于功率与管径成 式的集电问题 反比使得微管式SOFC具有相对高的功率密度o: 1.2平板式S0FC 另一方面是抗热震性能，微管式SOFC可以在不 平板式SOFC设计是另一种广泛使用的SOFC 到1min的时间内加热到800℃，并且不发生损坏 设计方式，平板式SOFC电池堆结构与质子交换膜 现象-I四.但是正是由于微管式SOFC的管径尺寸 燃料电池电堆结构类似，这种具有双极的或平板 小使得集电困难，因此微管式SOFC尤其适合于小 的结构可以使电池间形成简单有效的电串联 功率的便携式产品 这种双极的平板式设计与管式SOFC相比具有两 由于管式SOFC具有良好的高温密封性能、 方面的优点，一是平板式设计具有更短的电流路 热循环性能及快速启停性能而一直受到业界的重 径和更低的欧姆极化阻抗，从而具有更高的电性 视.目前做管式SOFC的公司主要集中在美国和 能和输出功率密度；另一方面是平板式设计更容 日本，其他国家包括韩国、英国、西班牙等，表1 易采用低成本、批量化的制备工艺，如丝网印刷和 中列出了管式SOFC的主要制造厂商.总体来说， 流延成型等.平板式SOFC的主要缺点是高温密 目前管状SOFC的研发目标是降低电堆的制造成 封困难、热循环性能及长期可靠性差.总体而言， 本和提升输出功率密度，在现有各种管式SOFC基 由于平板式SOFC具有更低的制造成本和更高的 础上，简化扁管式和瓦楞式的制备工艺，提升扁管 输出功率密度，使得平板式SOFC更容易达到商业

是由于管径尺寸的变化使得微管式 SOFC 性能有 两方面的提高，一是功率密度，由于功率与管径成 反比使得微管式 SOFC 具有相对高的功率密度[10] ； 另一方面是抗热震性能，微管式 SOFC 可以在不 到 1 min 的时间内加热到 800 ℃，并且不发生损坏 现象[11−12] . 但是正是由于微管式 SOFC 的管径尺寸 小使得集电困难，因此微管式 SOFC 尤其适合于小 功率的便携式产品. 由于管式 SOFC 具有良好的高温密封性能、 热循环性能及快速启停性能而一直受到业界的重 视. 目前做管式 SOFC 的公司主要集中在美国和 日本，其他国家包括韩国、英国、西班牙等，表 1 中列出了管式 SOFC 的主要制造厂商. 总体来说， 目前管状 SOFC 的研发目标是降低电堆的制造成 本和提升输出功率密度，在现有各种管式 SOFC 基 础上，简化扁管式和瓦楞式的制备工艺，提升扁管 式和瓦楞式的成品率；解决锥管式、蜂巢式及微管 式的集电问题. 1.2    平板式 SOFC 平板式 SOFC 设计是另一种广泛使用的 SOFC 设计方式，平板式 SOFC 电池堆结构与质子交换膜 燃料电池电堆结构类似，这种具有双极的或平板 的结构可以使电池间形成简单有效的电串联[14] . 这种双极的平板式设计与管式 SOFC 相比具有两 方面的优点，一是平板式设计具有更短的电流路 径和更低的欧姆极化阻抗，从而具有更高的电性 能和输出功率密度；另一方面是平板式设计更容 易采用低成本、批量化的制备工艺，如丝网印刷和 流延成型等. 平板式 SOFC 的主要缺点是高温密 封困难、热循环性能及长期可靠性差. 总体而言， 由于平板式 SOFC 具有更低的制造成本和更高的 输出功率密度，使得平板式 SOFC 更容易达到商业 (a) Air (b) Fuel Fuel Metallic interconnect ScSZ layer Anode layer Honeycomb single cell LSM LSM LSM 5 mm 10 mm 10 mm 10 mm Honeycomb single cells Current collection layer for anode Glass sealing layer Metallic interconnect 图 3    蜂巢式 SOFC 示意图及实物图[9] . （a）阴极支撑蜂巢式电堆 SOFC 示意图；（b）2 节蜂巢式 SOFC 电堆实物图 Fig.3    Schematic diagram and real honeycomb SOFC product[9] : (a) cathode-supported honeycomb SOFC; (b) a photo of a two-unit honeycomb SOFC stack Electrolyte￾supported Outer cathode layer Thick electrolyte support tube Inner anode layer Cathode current collection wire Anode supported Anode current collector Outer cathode layer Electrolyte layer Thick anode support tube Anode current collection wire Cathode current collection wire 1−5 mm 0.2 W·cm−2 3 2 1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Diameter/cm 0 50 100 150 200 250 300 350 Time/min 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Power density/(kW·L 0 −1 ) Current/A (a) (b) (c) (d) 图 4    微管式 SOFC 结构图及性能曲线[5, 10-12] . （a）电解质支撑微管式 SOFC 结构示意图；（b）阳极支撑蜂微管式 SOFC 结构示意图；（c）管径与输出 功率关系曲线；（d）微管式 SOFC 热循环性能 Fig.4    Schematic diagrams and performance curve of microtubular SOFC[5, 10-12] : (a) schematic diagram of electrolyte-supported microtubular SOFC; (b) schematic diagram of anode-supported microtubular SOFC; (c) influence of pipe diameter on output power; (d) thermal cycling results for microtubular SOFC 刘少名等： 欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状 · 281 ·

282 工程科学学报，第42卷，第3期 表1管式SOFC的主要制造厂商) 化需求，因此平板式SOFC成为国际上SOFC研究 Table 1 Major manufacturers of tubular SOFC 的热点和主流.SOFC按支撑结构不同可分为外部 Country Company/Institution Concept Power 支撑和自支撑两种结构.外部支撑一般是将薄电 achieved/kW 池组件制备到提供支撑强度的金属连接体或者多 Tubular 220 孔基板上；自支撑结构一般是采用电解质或电极 Siemens-Westinghouse Flatten-tubular 3.3 作为支撑层.目前，平板式SOFC的主要支撑结构 USA Delta 0.00041 为电解质支撑、阳极支撑及金属连接体支撑（如 Acumentrics Micro-tubular 0.25-10 表2所示s-1),国际具有领先水平的平板式SOFC Ultra Electronics AMI Micro-tubular 0.2-0.3 生产厂家如表3s,17-27所示 Mitsubishi Heavy Tubular 250 (i)电解质支撑结构.早期的平板式SOFC大 Industries,MHI Segmented in series flatten-tubular 2 多数为电解质支撑结构，其所需的电解质层厚度 Segmented in series Kyocera 通常大于100~200um,电极厚度约为50m,为了 Japan flatten-tubular 降低电阻增大电导率，工作温度一般为850~ Osaka Gas Flatten-tubular 0.7 1000℃2其优点是机械性能高、输出性能稳定、 Tokyo Gas Segmented in series flatten-tubular 制备工艺简单且成本低.目前，主要应用电解质支 TOTO Micro-tubular 3.2 撑结构的SOFC公司包括：美国布鲁姆能源公司 UK Adelan Micro-tubular 0.2 (Bloom energy)已推出100、200、250及300kW的 表2平板式SOFC支撑结构、特点及部分厂家1 Table 2 Supported structures,features,and manufacturers of planar SOFCs Supported structures Illustration Features Manufacturers Cathode High operating temperatures required for sufficient oxygen ion conductivity;Relatively strong structural Electrolyte-supported Electrolyte support,Less susceptible to failure due to anode re- HEXIS,Bloom Energy,Sunfire oxidation;Higher resistance due to low electrolyte conductivity Anode Cathode Lower operating temperature (<800 C)via Electrolyte use of thin electrolytes;Highly conductive anode; Fuel Cell Energy (Versa Power),Delphi, Anode-supported Mass transport limitation due to thick anodes, Ceramic Fuel Cells,POSCO Energy Anode Potential anode re-oxidation Cathode Electrolyte Lower operating temperature (<600 C);Stronger Metal interconnect- Anode structures from metallic interconnects;Interconnect Ceres Power,Plansee, supported oxidation;Flowfield design limitation due to cell support Topsoe Fuel Cell Metal requirement 发电系统(htps:www.bloomenergy.com/resources), 是厚的阳极可能会引起传质限制，并且存在氧化 日本关西电力公司(Kansai Electric Power)推出的 还原气氛下易破裂的问题.目前，主要推进阳极支 1~I0kW的发电系统P,德国的Sunfire公司推出 撑SOFC研发公司包括：美国的Delphi公司开发 400 W~20 kW(https://www.sunfire.de/en/products- 3~5kW电池堆以及发电系统，通用GE公司开发 and-technology). 的5.4kW电堆，FuelCell Energy开发的60kW电堆 (ii)阳极支撑结构.阳极支撑平板式SOFC采 模块B0,丹麦的Topsoe Fuel Cell公司开发的1kW 用薄膜电解质，其电阻小输出功率高，工作温度低 电堆模块B,芬兰的Convion(Wartsila)开发的20~ (600~800℃)，可采用廉价的连接体材料，是目前 50kW发电系统四 广泛采用的电池结构.阳极层的厚度通常为 ()金属支撑结构.为了降低工作温度、增大 0.5~1mm,电解质层厚度通常为3~15m29但 输出功率密度、减小传质阻力、提高热循环和抗

化需求，因此平板式 SOFC 成为国际上 SOFC 研究 的热点和主流. SOFC 按支撑结构不同可分为外部 支撑和自支撑两种结构. 外部支撑一般是将薄电 池组件制备到提供支撑强度的金属连接体或者多 孔基板上；自支撑结构一般是采用电解质或电极 作为支撑层. 目前，平板式 SOFC 的主要支撑结构 为电解质支撑、阳极支撑及金属连接体支撑（如 表 2 所示[15−16] ），国际具有领先水平的平板式 SOFC 生产厂家如表 3 [15,17−27] 所示. （i）电解质支撑结构. 早期的平板式 SOFC 大 多数为电解质支撑结构，其所需的电解质层厚度 通常大于 100～200 μm，电极厚度约为 50 μm，为了 降低电阻增大电导率 ，工作温度一般 为 850～ 1000 ℃[28] . 其优点是机械性能高、输出性能稳定、 制备工艺简单且成本低. 目前，主要应用电解质支 撑结构的 SOFC 公司包括：美国布鲁姆能源公司 （Bloom energy）已推出 100、200、250 及 300 kW 的 发电系统（https://www.bloomenergy.com/resources） ， 日本关西电力公司 (Kansai Electric Power) 推出的 1 ～10 kW 的发电系统[26] ，德国的 Sunfire 公司推出 的 400 W～20 kW（https://www.sunfire.de/en/products￾and-technology）. （ii）阳极支撑结构. 阳极支撑平板式 SOFC 采 用薄膜电解质，其电阻小输出功率高，工作温度低 （600～800 ℃），可采用廉价的连接体材料，是目前 广泛采用的电池结构 . 阳极层的厚度通常为 0.5～1 mm，电解质层厚度通常为 3～15 μm[29] . 但 是厚的阳极可能会引起传质限制，并且存在氧化 还原气氛下易破裂的问题. 目前，主要推进阳极支 撑 SOFC 研发公司包括：美国的 Delphi 公司开发 3～5 kW 电池堆以及发电系统，通用 GE 公司开发 的 5.4 kW 电堆，FuelCell Energy 开发的 60 kW 电堆 模块[30] ，丹麦的 Topsoe Fuel Cell 公司开发的 1 kW 电堆模块[31] ，芬兰的 Convion（Wärtsilä）开发的 20～ 50 kW 发电系统[32] . （iii）金属支撑结构. 为了降低工作温度、增大 输出功率密度、减小传质阻力、提高热循环和抗 表 1    管式 SOFC 的主要制造厂商[13] Table 1    Major manufacturers of tubular SOFC[13] Country Company/Institution Concept Power achieved/kW USA Siemens-Westinghouse Tubular 220 Flatten-tubular 3.3 Delta 0.00041 Acumentrics Micro-tubular 0.25–10 Ultra Electronics AMI Micro-tubular 0.2–0.3 Japan Mitsubishi Heavy Industries, MHI Tubular 250 Segmented in series flatten-tubular 21 Kyocera Segmented in series flatten-tubular 3 Osaka Gas Flatten-tubular 0.7 Tokyo Gas Segmented in series flatten-tubular 3 TOTO Micro-tubular 3.2 UK Adelan Micro-tubular 0.2 表 2 平板式 SOFC 支撑结构、特点及部分厂家[15-16] Table 2 Supported structures, features, and manufacturers of planar SOFCs[15-16] Supported structures Illustration Features Manufacturers Electrolyte-supported Cathode Electrolyte Anode High operating temperatures required for sufficient oxygen ion conductivity; Relatively strong structural support; Less susceptible to failure due to anode re￾oxidation; Higher resistance due to low electrolyte conductivity HEXIS, Bloom Energy, Sunfire Anode-supported Cathode Electrolyte Anode Lower operating temperature (<800 ℃) via use of thin electrolytes; Highly conductive anode; Mass transport limitation due to thick anodes; Potential anode re-oxidation Fuel Cell Energy (Versa Power), Delphi, Ceramic Fuel Cells, POSCO Energy Metal interconnect￾supported Cathode Electrolyte Anode Metal Lower operating temperature (<600 ℃); Stronger structures from metallic interconnects; Interconnect oxidation; Flowfield design limitation due to cell support requirement Ceres Power, Plansee, Topsoe Fuel Cell · 282 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期

刘少名等：欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状 283 表3平板式SOFC的主要制造厂商s,可 2.1大中型固定式发电 Table 3 Major manufacturers of planar SOFCs 随着用电需求的增加和日益突出的环境污染 Country Company/Institution Power achieved 问题，国家对于能源与电力供应的绿色环保、安全 Delphi Automotive 可靠性等相关要求也逐渐提高，分散式的大中型 Systems 9 kW stack,system,and APU 固定式SOFC发电系统可以弥补传统的集中式发 GE 50 kW stack and system 电的不足，降低环境污染，提升了能源利用效率、 USA Fuel Cell Energy 50 kW system 供电可靠性和稳定性. LG Fuel Cell Systems 200 kW system 1998年，西门子西屋电气公司在荷兰展示了世 Bloom Energy 100-300 kW system 界首个100 kW SOFC发电系统，该系统由1152个 Denmark Topsoe 1-50 kW stack and system 管状单电池构成，其功率密度为0.13W-cm2,发电 Convion/Wartsila 58 kW system Finland 效率为46%.在2000年6月，西门子西屋公司的 Elcogen 1 kW and 3 kW stack 一套220kW加压式SOFC与气体涡轮联合发电系 Switzerland Sulzer Hexis 1.5 kW system 统在匹兹堡通过了出厂测试，并随后于加州大学 Ceres Power 1-30 kW stack and system UK 欧文分校进行了安装测试，发电效率达到52%刃 Rolls Royce The target is a 1 MW power generation system Bloom Energy公司自2001年成立以来一直致 Germany Sunfire 0.75-50 kW stack and system 力于百kW发电系统(Energy servers,发电效率为 Italy SolidPower 1.5 kW and 2.5 kW system 53%~65%)的商业化，并于2018年7月上市，目前 Kansai Electric Power 10 kW system 已为苹果、谷歌、因特尔、沃尔玛、Ebay等多家大 Japan NGK Spark Plug Cells 型企业的数据中心及楼宇供电，并且其目前正在 Murata Cells 拓展燃料电池在微电网领域的应用市场.现阶段 Korea POSCO energy 10 kW system Bloom Energy正在进行的大规模发电项目包括：与 Australia CFCL 1.5 kW system 韩国韩东南电力公司(“KOEN”)在盆唐发电厂 氧化还原循环性能，劳伦斯伯克利国家实验室 8350kW机组中安装Bloom Energy清洁电力系统； (Lawrence Berkeley National Laboratory)Bl、阿贡国 与-VI公司在加州清洁能源公司Bloom Energy 家实验室(Argonne National Laboratory)B和英国 建造一个2.5MW的电力系统，以支持其不断增长 的Ceres公司B均开发了金属支撑型SOFC.在这 的运营需求并减低碳排放， 种结构的电池中，电极厚度通常约50m,电解质 目前，其他正在开展大中型固定式SOFC发电 厚度5~15um.这种结构的优点低温工作(50%)的能源转化装置，由于其具有低污染、高效 率、响应速度快、燃料选择性高、模块性强、易于大 规模生产等特点，SOFC燃料电池技术主要在大中 型固定式发电(0.1~10MW)、家庭用微型热电联 图5LG公司设计的1 MW SOFC混合发电系统 供系统(m-CHP)(1~5kW)、交通运输领域(1~ Fig.5 Concept rendering of 1 MW SOFC hybrid power generation 250kW)及便携式领域(<1kW)具有广泛应用前景 system from LG例

氧化还原循环性能，劳伦斯伯克利国家实验室 （Lawrence Berkeley National Laboratory） [33]、阿贡国 家实验室（Argonne National Laboratory） [34] 和英国 的 Ceres 公司[35] 均开发了金属支撑型 SOFC. 在这 种结构的电池中，电极厚度通常约 50 μm，电解质 厚度 5～15 μm. 这种结构的优点低温工作（50%）的能源转化装置，由于其具有低污染、高效 率、响应速度快、燃料选择性高、模块性强、易于大 规模生产等特点，SOFC 燃料电池技术主要在大中 型固定式发电（0.1～10 MW）、家庭用微型热电联 供系统（m-CHP） （1～5 kW）、交通运输领域（1～ 250 kW）及便携式领域（<1 kW）具有广泛应用前景. 2.1    大中型固定式发电 随着用电需求的增加和日益突出的环境污染 问题，国家对于能源与电力供应的绿色环保、安全 可靠性等相关要求也逐渐提高，分散式的大中型 固定式 SOFC 发电系统可以弥补传统的集中式发 电的不足，降低环境污染，提升了能源利用效率、 供电可靠性和稳定性. 1998 年，西门子西屋电气公司在荷兰展示了世 界首个 100 kW SOFC 发电系统，该系统由 1152 个 管状单电池构成，其功率密度为 0.13 W·cm−2，发电 效率为 46%. 在 2000 年 6 月，西门子西屋公司的 一套 220 kW 加压式 SOFC 与气体涡轮联合发电系 统在匹兹堡通过了出厂测试，并随后于加州大学 欧文分校进行了安装测试，发电效率达到 52% [37] . Bloom Energy 公司自 2001 年成立以来一直致 力于百 kW 发电系统（Energy servers，发电效率为 53%～65%）的商业化，并于 2018 年 7 月上市，目前 已为苹果、谷歌、因特尔、沃尔玛、Ebay 等多家大 型企业的数据中心及楼宇供电，并且其目前正在 拓展燃料电池在微电网领域的应用市场. 现阶段 Bloom Energy 正在进行的大规模发电项目包括：与 韩国韩东南电力公司（“KOEN” ）在盆唐发电厂 8350 kW 机组中安装 Bloom Energy 清洁电力系统； 与 II-VI 公司在加州清洁能源公司 Bloom Energy 建造一个 2.5 MW 的电力系统，以支持其不断增长 的运营需求并减低碳排放. 目前，其他正在开展大中型固定式 SOFC 发电 系统研制的公司包括：芬兰的 Convion 有限公司开 发的 58 kW SOFC 发电系统，其发电效率为 53%， 总的能量效率达到了 85%；GE 公司开发了 50 kW 的 SOFC 发电系统，并通过了 500 h 测试，目前正 在开发 1～10 MW 的发电系统[17] ；FuelCell Energy 开发了 50 kW SOFC 发电系统，发电效率为 55%， 每 1000 h 衰减 0.9%；LG Fuel Cell Systems 开发了 200 kW 增压式 SOFC 发电系统（如图 5 所示），发 电效率为 57%，目前正在开展 1 MW 商业化发电系 表 3    平板式 SOFC 的主要制造厂商[15,17-27] Table 3    Major manufacturers of planar SOFCs[15,17-27] Country Company/Institution Power achieved USA Delphi Automotive Systems 9 kW stack, system, and APU GE 50 kW stack and system Fuel Cell Energy 50 kW system LG Fuel Cell Systems 200 kW system Bloom Energy 100–300 kW system Denmark Topsoe 1–50 kW stack and system Finland Convion/Wärtsilä 58 kW system Elcogen 1 kW and 3 kW stack Switzerland Sulzer Hexis 1.5 kW system UK Ceres Power 1–30 kW stack and system Rolls Royce The target is a 1 MW power generation system Germany Sunfire 0.75–50 kW stack and system Italy SolidPower 1.5 kW and 2.5 kW system Japan Kansai Electric Power 10 kW system NGK Spark Plug Cells Murata Cells Korea POSCO energy 10 kW system Australia CFCL 1.5 kW system 图 5    LG 公司设计的 1 MW SOFC 混合发电系统[19] Fig.5     Concept  rendering  of  1  MW  SOFC  hybrid  power  generation system from LG[19] 刘少名等： 欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状 · 283 ·

284 工程科学学报，第42卷，第3期 统的研制 2.3辅助动力装置（Auxiliary power units, 2.2微型热电联供系统（m-CHP) APUs 微型热电联供系统(m-CHP)的发电规模通常 燃料电池应用的一个重要领域就是交通运 为1~5kW,可直接将天然气转化的电能和热能供 输领域.近年来随着锂电池和质子交换膜燃料电 给单个用户使用，当电力富余时可将电力售给电 池(PEMFC)的快速发展，使得电池在交通领域取 网，这种分散式的热电联供系统大大节省了一次 代内燃机成为未来的主流方向.SOFC与PEMFC 能源消耗，提升了能源利用效率.日本和欧洲是发 相比可以使用传统燃料，但其启动时间较长，因 展微型热电联供系统的两个主要区域，其较为著 此适合作为豪华汽车、休闲车及重型卡车的辅助 名的示范项目分别为Ene-farm和Ene-field.日本 动力装置.目前开发SOFC-APUs的具有代表性 开发出SOFC-mCHP系统的公司有：JX Nippon Oil 的公司包括Delphi公司及Topsoe公司.Delphi公 and Energy和Aisin采用Kyocera的扁管式SOFC 司开发的第三代电池堆已成功应用于Peterbilt 电堆，最新一代的SOFC-mCHP系统发电效率可 384型卡车上的辅助动力装置，该装置可产生 达53%2叨欧洲是另一个大力发展m-CHP的主要 1.5kW峰值功率，系统效率达到25%.目前Delphi 区域.具有代表性的开发SOFC-CHP产品的公司 开发的第四代电堆（图6）工作温度为750℃，发 有瑞士的Sulzer Hexis(Galileo100oN产品)、英国 电功率为9kW,发电效率40%~50%8另外一 的Ceres Power、意大利的Soildpower(BuleGen产品)、 家走在SOFC-APU技术开发前列的公司是丹麦 丹麦的Topsoe FuelCell、德▣Bosch Thermotechnology 的Topsoe公司，由EU-FCHU资助的DESTA项 (CERAPOWER产品)等 目，其合作伙伴包括AVL、Eberspacher、Volvo和 (b) 图6 Delphi燃料电池堆(a)三代电堆：(b)四代电堆 Fig.6 Delphi's SOFC stack!s:(a)generation-3 stack;(b)generation-4 stack Forschungszentrum Julich,该SOFC-APUs可通过 2.4便携式电源 传统燃料以30%的发电效率提供3kW的电力输 便携式电子产品通常需要几毫瓦到几百瓦的 出，该项目通过Volvo提供的重型卡车进行示范 电力供应，目前应用较多的包括镍氢电池、锂离子 (如图7所示)，38 电池及PEMFC,目前基于SOFC的微型发电系统 也在扩展到便携式电源领域，这主要是因为 SOFC具有更高的比功率密度，微管式SOFC可满 足启动迅速的要求，另外还可使用传统燃料.目前 国际上进行微管式SOFC开发的公司包括：美国 的Ultra Electronics AMI、Lilliputian Systems和 Acumentrics公司，日本的TOTO及Atsumitec公司， 英国的Adelan公司.Ultra Electronics AMI开发便 携式SOFC的行业领导者，其开发的250W的 PowerPod燃料电池已于无人地面车辆(UGV)上进 行了广泛测试B,其开发的ROAMIO D245XR燃 料电池系统已用于美国陆军的无人机系统，在不 因7 DESTA项目示范的集成到重型卡车的SOFC-APU5,调 补充燃料的情况下飞行超过10ho(如图8(a)所示). Fig.7 Photographs of a heavy-duty truck equipped with SOFC-APU for Atsumitec公司开发的I00W的便携式SOFC发电 the DESTA project 系统，其质量小于10kg,体积为30L(如图8(b)所示)

统的研制[19] . 2.2    微型热电联供系统（m-CHP） 微型热电联供系统（m-CHP）的发电规模通常 为 1～5 kW，可直接将天然气转化的电能和热能供 给单个用户使用，当电力富余时可将电力售给电 网，这种分散式的热电联供系统大大节省了一次 能源消耗，提升了能源利用效率. 日本和欧洲是发 展微型热电联供系统的两个主要区域，其较为著 名的示范项目分别为 Ene-farm 和 Ene-field. 日本 开发出 SOFC-mCHP 系统的公司有：JX Nippon Oil and  Energy 和 Aisin 采 用 Kyocera 的扁管 式 SOFC 电堆，最新一代的 SOFC-mCHP 系统发电效率可 达 53% [27] . 欧洲是另一个大力发展 m-CHP 的主要 区域，具有代表性的开发 SOFC-mCHP 产品的公司 有瑞士的 Sulzer Hexis（Galileo 1000N 产品）、英国 的Ceres Power、意大利的Soildpower（BuleGen 产品）、 丹麦的Topsoe Fuel Cell、德国Bosch Thermotechnology （CERAPOWER 产品）等. 2.3    辅 助 动 力 装 置 （ Auxiliary  power  units, APUs） 燃料电池应用的一个重要领域就是交通运 输领域. 近年来随着锂电池和质子交换膜燃料电 池（PEMFC）的快速发展，使得电池在交通领域取 代内燃机成为未来的主流方向. SOFC 与 PEMFC 相比可以使用传统燃料，但其启动时间较长，因 此适合作为豪华汽车、休闲车及重型卡车的辅助 动力装置. 目前开发 SOFC‒APUs 的具有代表性 的公司包括 Delphi 公司及 Topsoe 公司. Delphi 公 司开发的第三代电池堆已成功应用 于 Peterbilt 384 型卡车上的辅助动力装置 ，该装置可产生 1.5 kW 峰值功率，系统效率达到 25%. 目前 Delphi 开发的第四代电堆（图 6）工作温度为 750 ℃，发 电功率为 9 kW，发电效率 40%～50% [18] . 另外一 家走在 SOFC‒APU 技术开发前列的公司是丹麦 的 Topsoe 公司 ，由 EU-FCH JU 资助的 DESTA 项 目，其合作伙伴包括 AVL、 Eberspächer、Volvo 和 Forschungszentrum  Jülich， 该 SOFC ‒APUs 可通过 传统燃料以 30% 的发电效率提供 3 kW 的电力输 出，该项目通过 Volvo 提供的重型卡车进行示范 （如图 7 所示）[15,38] . 2.4    便携式电源 便携式电子产品通常需要几毫瓦到几百瓦的 电力供应，目前应用较多的包括镍氢电池、锂离子 电池及 PEMFC，目前基于 SOFC 的微型发电系统 也 在 扩 展 到 便 携 式 电 源 领 域 ， 这 主 要 是 因 为 SOFC 具有更高的比功率密度，微管式 SOFC 可满 足启动迅速的要求，另外还可使用传统燃料. 目前 国际上进行微管式 SOFC 开发的公司包括：美国 的 Ultra  Electronics  AMI、 Lilliputian  Systems 和 Acumentrics 公司，日本的 TOTO 及 Atsumitec 公司， 英国的 Adelan 公司. Ultra Electronics AMI 开发便 携 式 SOFC 的行业领导者 ，其开发 的 250 W 的 PowerPod 燃料电池已于无人地面车辆（UGV）上进 行了广泛测试[39] ；其开发的 ROAMIO D245XR 燃 料电池系统已用于美国陆军的无人机系统，在不 补充燃料的情况下飞行超过 10 h[40] （如图 8（a）所示）. Atsumitec 公司开发的 100 W 的便携式 SOFC 发电 系统，其质量小于 10 kg，体积为 30 L（如图 8（b）所示）. (a) (b) 图 6    Delphi 燃料电池堆[18] . （a）三代电堆；（b）四代电堆 Fig.6    Delphi’s SOFC stack[18] :  (a) generation-3 stack; (b) generation-4 stack 图 7    DESTA 项目示范的集成到重型卡车的 SOFC‒APU[15,38] Fig.7    Photographs of a heavy-duty truck equipped with SOFC‒APU for the DESTA project[15,38] · 284 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期

刘少名等：欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状 285· (b) 目提供SOFC技术，该工厂已在意大利都灵建成， 当地废水处理设施生产的沼气作为174 kW SOFC 发电系统的燃料，该系统由3个模块组成，每个模块 可以产生58kW的交流电，该系统供应大约30%的 现场电力消耗和接近100%的热能需求，Convion 保证从压缩沼气到交流电的电效率达到53% 图8微型SOFC发电系统.(a)Ultra Electronics AMI公司开发的 3.3 Topsoe Fuel Cell(丹表) ROAMIO D245XR燃料电池系统：(b)Atsumitec公司开发的100W Topsoe Fuel Cell是Haldor Topsoe A/S.于2004 的便携式SOFC发电系统so! 年成立的子公司，专门用于SOFC的生产、开发和 Fig.8 Micro SOFC power generation systems:(a)ROAMIO D245XR fuel cell system developed by Ultra Electronics AMI:(b)100 W portable 商业化，该公司的业务覆盖电堆、微型热电联产装 SOFC power generation system developed by Atsumitec 置、辅助动力装置及分布式发电装置.在M-CHP 3欧洲板式SOFC的主要企业 系统的商业化过程中，Topsoe开发的第三代IkW PowerCore样机的发电效率可以达到62%，体积 3.1 Elcogen燃料电池技术公司（芬兰) 为35L,启动时间低于3h,并且启动和停止过程 芬兰的Elcogen燃料电池技术公司成立于 不需要保护气氛.该公司在2010年之后与AVL、 2001年，总部位于爱沙尼亚的首都塔林，是一家专 Eberspacher、Volvo和Forschungszentrum Julich一 业生产固体氧化物燃料电池(SOFC)、固体氧化物 起开展了APU发电模块的研制，并于2015年在瑞 电解池(SOEC)及电堆的公司.Elcogen具有最先 典哥德堡的沃尔沃卡车上进行了示范.在分布式 进的陶瓷阳极支撑、低温固体氧化物燃料电池的 发电系统装置研发领域，Topsoe和Wartsila公司合 制造技术.电池片和电堆的性能处于国际领先水 作开发了50kW的发电系统样机.Topsoe公司在 平，目前已经商业化了两代产品，其电池片包括 2014年8月停止了燃料电池的相关活动，目前主 ASC-300C和ASC-400B两种类型，电堆包括1kW 要进行固体氧化物电解槽(SOEC)的研究 和3kW两种类型，工作温度为600~700℃，电流 3.4 Hexis有限公司（瑞士) 密度0.2~0.3Acm2,寿命分别可以达到30000及 瑞士的Hexis是由Sulzer公司成立的.在2006年 60000h02017年，Tallgren等报道了一种用于 成为独立公司HEXIS AG,并且于2012年被 技术评估的电堆Elcogen E350,该电堆由15片电 Viessmann公司收购，该公司开发出小型CHP系 池片组成，这种电堆可以工作在可逆模式下，700℃ 统Galileo1000N于2005年得到CE认证.该公司 以下电解工作电流可达到1Acm2.文献[20]报 已为客户安装超过300个Galileo1000N型系统， 道，到2019年，这种电堆在以重整气为燃料的燃 目前正在商业化下一代的CHP系统，新一代的产 料电池模式下已工作7800h(目前仍在继续测试)， 品电池片依旧采用的圆形板式电解质支撑结构 电压衰减为0.4%/1000h.2018年，Elcogen公司和 (如图9所示)，输出功率可达到1.5kW(AC),交流 系统供应商Convion公司共同为芬兰商务区智能 发电效率达到40%(LHV),并且对5片短堆经过 电网项目提供两台热电联产系统，输出功率可达 50次氧化循环，10次热循环后进行23000h稳态 116kW,并且均采用Elcogen公司开发的新一代 测试，电压衰减率为0.3%/1000h2 电堆42 3.5 Ceres Power Limited(英国) 3.2 Convion有限公司（芬兰） Ceres Power公司于2O0l年成立，其SteelCell 芬兰的Convion公司成立于2012年，2013年 技术来源于英国帝国理工大学的Brian Steele教授. 接手了Wartsila公司燃料电池部门的固体氧化物 由于SteelCell技术采用金属支撑结构（如图l0所 燃料电池研发项目.Wartsila公司自2000年开始就 示B),通过焊接的方式进行密封，并采用价格低 进行20~50 kW SOFC的研究，其目的在于研究并 廉的铁素体不锈钢和低成本的制备工艺，所以具 使燃料电池商业化以用于分布式发电.Convion公 有启动快、成本低、密封性能及抗氧化还原性好 司开发C50型燃料电池发电系统于2015年完成了 等优点I.目前Ceres Power采用的是第四代的 该产品的试验验证，该产品的发电功率为58kW, SteelCell技术，且已完成试验校验和测试，启动时 其发电效率为53%，总的能量效率达到了85%P叫 间为15min,热循环次数超过2500次，其热循环衰 此外，Convion公司还为欧洲DEMOSOFC示范项 减速率为l.5%/1000 h1361.Ceres Power公司的主要

3    欧洲板式 SOFC 的主要企业 3.1    Elcogen 燃料电池技术公司（芬兰） 芬 兰 的 Elcogen 燃料电池技术公司成立 于 2001 年，总部位于爱沙尼亚的首都塔林，是一家专 业生产固体氧化物燃料电池（SOFC）、固体氧化物 电解池（SOEC）及电堆的公司. Elcogen 具有最先 进的陶瓷阳极支撑、低温固体氧化物燃料电池的 制造技术. 电池片和电堆的性能处于国际领先水 平，目前已经商业化了两代产品，其电池片包括 ASC-300C 和 ASC-400B 两种类型，电堆包括 1 kW 和 3 kW 两种类型，工作温度为 600～700 ℃，电流 密度 0.2～0.3 A·cm−2，寿命分别可以达到 30000 及 60000 h[20] . 2017 年，Tallgren 等[41] 报道了一种用于 技术评估的电堆 Elcogen E350，该电堆由 15 片电 池片组成，这种电堆可以工作在可逆模式下，700 ℃ 以下电解工作电流可达到 1 A·cm−2 . 文献 [20] 报 道 ，到 2019 年，这种电堆在以重整气为燃料的燃 料电池模式下已工作 7800 h（目前仍在继续测试）， 电压衰减为 0.4%/1000 h. 2018 年，Elcogen 公司和 系统供应商 Convion 公司共同为芬兰商务区智能 电网项目提供两台热电联产系统，输出功率可达 116 kW，并且均采用 Elcogen 公司开发的新一代 电堆[42] . 3.2    Convion 有限公司（芬兰） 芬兰的 Convion 公司成立于 2012 年 ， 2013 年 接手了 Wärtsilä公司燃料电池部门的固体氧化物 燃料电池研发项目. Wärtsilä公司自 2000 年开始就 进行 20～50 kW SOFC 的研究，其目的在于研究并 使燃料电池商业化以用于分布式发电. Convion 公 司开发 C50 型燃料电池发电系统于 2015 年完成了 该产品的试验验证，该产品的发电功率为 58 kW， 其发电效率为 53%，总的能量效率达到了 85% [21] . 此外，Convion 公司还为欧洲 DEMOSOFC 示范项 目提供 SOFC 技术，该工厂已在意大利都灵建成， 当地废水处理设施生产的沼气作为 174 kW SOFC 发电系统的燃料，该系统由 3 个模块组成，每个模块 可以产生 58 kW 的交流电，该系统供应大约 30% 的 现场电力消耗和接近 100% 的热能需求，Convion 保证从压缩沼气到交流电的电效率达到 53%. 3.3    Topsoe Fuel Cell（丹麦） Topsoe Fuel Cell 是 Haldor Topsoe A/S.于 2004 年成立的子公司，专门用于 SOFC 的生产、开发和 商业化，该公司的业务覆盖电堆、微型热电联产装 置、辅助动力装置及分布式发电装置. 在 M-CHP 系统的商业化过程中，Topsoe 开发的第三代 1 kW PowerCore 样机的发电效率可以达到 62%，体积 为 35 L，启动时间低于 3 h，并且启动和停止过程 不需要保护气氛. 该公司在 2010 年之后与 AVL、 Eberspächer、 Volvo 和  Forschungszentrum  Jülich 一 起开展了 APU 发电模块的研制，并于 2015 年在瑞 典哥德堡的沃尔沃卡车上进行了示范. 在分布式 发电系统装置研发领域，Topsoe 和 Wärtsilä公司合 作开发了 50 kW 的发电系统样机. Topsoe 公司在 2014 年 8 月停止了燃料电池的相关活动，目前主 要进行固体氧化物电解槽（SOEC）的研究. 3.4    Hexis 有限公司（瑞士） 瑞士的 Hexis 是由 Sulzer 公司成立的，在 2006 年 成 为 独 立 公 司 HEXIS  AG， 并 且 于 2012 年 被 Viessmann 公司收购，该公司开发出小型 CHP 系 统 Galileo 1000N 于 2005 年得到 CE 认证. 该公司 已为客户安装超过 300 个 Galileo 1000N 型系统， 目前正在商业化下一代的 CHP 系统，新一代的产 品电池片依旧采用的圆形板式电解质支撑结构 （如图 9 所示），输出功率可达到 1.5 kW（AC），交流 发电效率达到 40%（LHV），并且对 5 片短堆经过 50 次氧化循环，10 次热循环后进行 23000 h 稳态 测试，电压衰减率为 0.3%/1000 h[22] . 3.5    Ceres Power Limited（英国） Ceres Power 公司于 2001 年成立，其 SteelCell 技术来源于英国帝国理工大学的 Brian Steele 教授. 由于 SteelCell 技术采用金属支撑结构（如图 10 所 示[36] ），通过焊接的方式进行密封，并采用价格低 廉的铁素体不锈钢和低成本的制备工艺，所以具 有启动快、成本低、密封性能及抗氧化还原性好 等优点[43] . 目前 Ceres Power 采用的是第四代的 SteelCell 技术，且已完成试验校验和测试，启动时 间为 15 min，热循环次数超过 2500 次，其热循环衰 减速率为 1.5%/1000 h[36] . Ceres Power 公司的主要 (a) (b) The US Army is operating Lockheed Martin's Stalker Extended Endurance (XE) unmanned aircraft system (UAS) in Afghanistan, powered by Ultra Electronics AMI solid oxide fuel cells. 图 8    微型 SOFC 发电系统. （a）Ultra Electronics AMI 公司开发的 ROAMIO D245XR 燃料电池系统；（b）Atsumitec 公司开发的 100 W 的便携式 SOFC 发电系统[39-40] Fig.8    Micro SOFC power generation systems: (a) ROAMIO D245XR fuel cell system developed by Ultra Electronics AMI; (b) 100 W portable SOFC power generation system developed by Atsumitec[39-40] 刘少名等： 欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状 · 285 ·

286 工程科学学报，第42卷，第3期 (a) (b) Metallic M15HP140015,850℃，4 g-h CPOx NG Fuel inlet interconnect 1200 30 Post-combustion 1100 zone 1000 25 900 800 700 20 600 500 400 300 Air Anode 200 Cell4 my Electrolyte 100 Cells mV Metallic Cathode 0 0 interconnect 5000 10000 15000 20000 25000 Time/h 图9电堆结构示意图(a)及5片电堆的耐久性测试结果(b)四 Fig.9 HEXIS'stack concept (a)and long-term test results of a 5-cell stack22(b) 业务包括家用Micro-CHP系统(1~5kW)、固定式 效率在90%左右22015年，Solidpower收购了德 发电系统(5~10kW)及电动车用增程器(30kW), 国的Ceramic Fuel Cells公司，至2018年已安装超过 其合作伙伴包括Doosan、Bosch、Miura、潍柴动 IOO0台BlueGEN发电系统I7.SolidPower和Bosch 力、Honda、Nissan、British Gas和Cummings等.在 Thermotechnology于2018年建立了长期的合作关系， 2018年与潍柴动力达成战略协议，于2019年生产 BlueGEN发电系统可通过Bosch Thermotechnology 出第一台30 kW SteelCell®SOFC扩展系统，用于 的品牌Buderus在德国销售4 s1.BlueGEN发电系统 压缩天然气(CNG)燃料大巴的示范4-为满足 基于平板型SOFC电堆，目前该电堆在重整气作为 客户需求，于2019年在英国雷德希尔附近投资了 燃料时可稳定运行超过10000h,热循环超过 一个年产2MW的生产基地啊 100次，每次热循环性能衰减小于0.1%：BlueGEN 发电系统的输出功率为1.5kW,最佳的交流发电 Specification 效率为60%，运行时间超过20000h,性能衰减低 -Weight 11 kg Volume 5 1 于0.2%/1000h21此外，该公司通过FCH-JU项目 Cells 100/stk Dimensions: 进行电堆电解模式运行测试，结果显示在700℃、 :0 0.5Acm2条件下电解6000h未出现明显衰减2阿 #180mm Sealing by welding and 3.7 Sunfire(德国） -Compressive gaskets Ease of assembly for 在2001年Fraunhofer IKTS和staxera公司合 Mass manufacture 作建立了一个以研究和商业化SOFC为目的的群 体，并在2010年成立了Sunfire,2011年Sunfire合 图10 CERES Power的SteelCell电堆阁 并了staxera公司.Sunfire公司的核心技术是固体 Fig.10 CERES Power'SteelCell stackt6) 氧化物电池(SOC)电堆，其既可以作为SOFC发 电，又可以作为固体氧化物电解槽(SOEC)进行水 3.6 SolidPower(意大利) 蒸气电解.该公司为Thyssen Krupp Marine Systems SolidPower公司始建于2006年，是由Eurocoating- 公司开发的以柴油重整气作为燃料的船舶动力装 Turbocoating Group分离出的独立公司，名为 置发电功率达50kW,由两个35kW的发电单元组 SOFCpower S.R.L,并于2007年收购了HTceramix.. 成，每个单元包括7个5kW的子模块，每个模块 SolidPower公司主要致力于micro-CHP系统的研 包括8个30片电池构成的电堆，发电效率可达 制，于2009年成功安装和测试了基于SOFCpower 45%.最大燃料利用率为85%9此外该公司还进 燃料电池的第一台样机，并在2014年ENGEN 行高温电解槽及可逆$OC技术的研究，文献[49] 2500获得CE认证.ENGEN2500系统的输出功率 中报道了其可逆SOC的研究结果，运行条件为在 可以达到2.5kW,交流发电效率为50%，总体能量 SOFC模式75%的燃料利用率300mAcm2放电

业务包括家用 Micro-CHP 系统（1～5 kW）、固定式 发电系统（5～10 kW）及电动车用增程器（30 kW）， 其合作伙伴包括 Doosan、 Bosch、 Miura、潍柴动 力、Honda、Nissan、British Gas 和 Cummings 等. 在 2018 年与潍柴动力达成战略协议，于 2019 年生产 出第一台 30 kW SteelCell® SOFC 扩展系统，用于 压缩天然气（CNG）燃料大巴的示范[44−45] . 为满足 客户需求，于 2019 年在英国雷德希尔附近投资了 一个年产 2 MW 的生产基地[46] . 3.6    SolidPower（意大利） SolidPower 公司始建于2006 年，是由Eurocoating￾Turbocoating  Group 分 离 出 的 独 立 公 司 ， 名 为 SOFCpower S.R.L.，并于 2007 年收购了 HTceramix. SolidPower 公司主要致力于 micro-CHP 系统的研 制，于 2009 年成功安装和测试了基于 SOFCpower 燃料电池的第一台样机 ，并 在 2014 年 ENGEN 2500 获得 CE 认证. ENGEN 2500 系统的输出功率 可以达到 2.5 kW，交流发电效率为 50%，总体能量 效率在 90% 左右[25] . 2015 年，Solidpower 收购了德 国的 Ceramic Fuel Cells 公司，至 2018 年已安装超过 1000 台 BlueGEN 发电系统[47] . SolidPower 和 Bosch Thermotechnology 于 2018 年建立了长期的合作关系， BlueGEN 发电系统可通过 Bosch Thermotechnology 的品牌 Buderus 在德国销售[48] . BlueGEN 发电系统 基于平板型 SOFC 电堆，目前该电堆在重整气作为 燃 料 时 可 稳 定 运 行 超 过 10000  h， 热 循 环 超 过 100 次，每次热循环性能衰减小于 0.1%；BlueGEN 发电系统的输出功率为 1.5 kW，最佳的交流发电 效率为 60%，运行时间超过 20000 h，性能衰减低 于 0.2%/1000 h[25] . 此外，该公司通过 FCH-JU 项目 进行电堆电解模式运行测试，结果显示在 700 ℃、 0.5 A·cm−2 条件下电解 6000 h 未出现明显衰减[25] . 3.7    Sunfire（德国） 在 2001 年 Fraunhofer  IKTS 和 staxera 公司合 作建立了一个以研究和商业化 SOFC 为目的的群 体，并在 2010 年成立了 Sunfire，2011 年 Sunfire 合 并了 staxera 公司. Sunfire 公司的核心技术是固体 氧化物电池（SOC）电堆，其既可以作为 SOFC 发 电，又可以作为固体氧化物电解槽（SOEC）进行水 蒸气电解. 该公司为 Thyssen Krupp Marine Systems 公司开发的以柴油重整气作为燃料的船舶动力装 置发电功率达 50 kW，由两个 35 kW 的发电单元组 成，每个单元包括 7 个 5 kW 的子模块，每个模块 包括 8 个 30 片电池构成的电堆，发电效率可达 45%，最大燃料利用率为 85% [49] . 此外该公司还进 行高温电解槽及可逆 SOC 技术的研究，文献 [49] 中报道了其可逆 SOC 的研究结果，运行条件为在 SOFC 模式 75% 的燃料利用率 300 mA·cm−2 放电 (a) (b) Metallic Fuel inlet interconnect Post-combustion zone Air Anode Electrolyte Metallic interconnect Cathode 0 5000 10000 15000 25000 20000 Time/h 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 30 25 20 10 5 0 0 Cell1_ mV Cell2_ mV Cell3_ mV Cell4_ mV Cell5_ mV I_ Ioad_ PV_ A M15_ HP140015, 850 ℃, 4 g·h−1 CPOx NG Current/A Voltage/mV 图 9    电堆结构示意图（a）及 5 片电堆的耐久性测试结果（b） [22] Fig.9    HEXIS’ stack concept (a) and long-term test results of a 5-cell stack[22] (b) Specification − Weight 11 kg − Volume 5 1 − Cells ~ 100/stk − Dimensions: - W 1 90mm - D 140mm - H 180mm − Sealing by welding and − Compressive gaskets − Ease of assembly for − Mass manufacture 图 10    CERES Power 的 SteelCell 电堆[36] Fig.10    CERES Power’ SteelCell stack[36] · 286 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期

刘少名等：欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状 287· 12h,SOEC模式为60%的蒸气利用率及400mAcm2 [7]Zhang Y H,Liu J,Yin J,et al.Fabrication and performance of 电解12h,26圈模式转化后显示电压衰减速率为 cone-shaped segmented-in-series solid oxide fuel cells.Int/Appl 0.06%.文献[24中报道了Sunfire用的30片电堆 Ceram Technol,2008,5(6):568 [8] 进行的加压电解试验，结果显示绝对压力可以达 Wetzko M,Belzner A,Rohr F J,et al.Solid oxide fuel cell stacks using extruded honeycomb type elements./Power Sources,1999, 到1.5×10Pa,氢气侧和氧气侧的压差范围为低于 83(1-2):148 10Pa,蒸气利用率可以达到90%.目前，为了推进 [9] Yamaguchi T,Shimizu S,Suzuki T,et al.Fabrication and SOC的产业化，Sunfire的主要合作伙伴包括奥 evaluation of a novel cathode-supported honeycomb SOFC stack 迪、Vaillant、波音以及Thyssen Krupp Marine Systems Mater Lett,.2009,63(29):2577 等公司 [10]Kendall K.Progress in microtubular solid oxide fuel cells.IntJ Appl Ceram Technol,2010,7(1):1 4结论和展望 [11]Kendall K,Dikwal C M,Bujalski W.Comparative analysis of thermal and redox cycling for microtubular SOFCs.ECS Trans, SOFC作为一种清洁高效的发电装置，其应用 2007,7(1):1521 市场覆盖面广，可覆盖几十瓦的便携式发电装置 [12]Bujalski W.Dikwal C M,Kendall K.Cycling of three solid oxide 到MW级发电系统，不同的应用场景可选择不同 fuel cell types.J Power Sources,2007,171(1):96 结构的SOFC.本文介绍了国际具有领先水平的 [13]Vora S.Development of high power density seal-less SOFCs.ECS SOFC生产厂家的技术现状，着重介绍了欧洲平板 Trans,2007,7(1):149 式SOFC厂商的相关技术，目标多为适用于与可再 [14]Larminie J,Dicks A,McDonald M S.Fuel Cell Systems Explained.Chichester:J.Wiley,2003 生能源耦合的分布式发电系统. [15]Stolten D,Samsun R C,Garland N.Fuel Cells:Data.Facts,and 我国的SOFC技术与欧洲相比还有很大差距， Figures.New Jersey:Wiley-VCH,2016 但随着技术的进步、环保需求的逐渐提高以及国 [16]Singnal S C,Kendall K.High Temperature Solid Oxide Fuel Cell: 家氢能与燃料电池相关政策的出台，我国SOFC的 Fundamentals,Design and Applications.Beijing:Science Press, 技术水平必会逐渐提高，制造成本也会逐渐降低 2007 另外，SOFC技术与可再生能源相互配合，弥补风 [17]Hickey D,Alinger M,Shapiro A,et al.Stack development at GE- 力光伏发电稳定性不足的缺点0，在增强电网清 fuel cells.ECS Trans,2017,78(1):107 洁供电的能力和供电稳定性上具有重大作用 [18]Mukerjee S,Haltiner K.Kerr R,et al.Latest update on Delphi's solid oxide fuel cell stack for transportation and stationary applications.ECS Trans,2011,35(1):139 参考文献 [19]Vora S D,Lundberg WL,Pierre JF.Overview of US department [1]Yi B L.Fuel Cell-Principle,Technology and Application.Beijing: of energy office of fossil energy's solid oxide fuel cell program Chemical Industry Press,2003 ECS Tra,2017,78(1):3 (衣宝廉.燃料电池：原理技术应用.北京：化学工业出版社 [20]Noponen M,Torri P,Goos J,et al.Status of solid oxide fuel cell 2003) development at elcogen.ECS Trans,2015,68(1):151 [2]Yi B L.Fuel Cell-An Efficient and Environmentally Friendly Way [21]Barrett S.Convion C50 product being validated for distributed to Generate Electricity.Beijing:Chemical Industry Press,2000 generation.Fuel Cells Bull,2015,2015(4):6 (衣宝廉燃料电池一高效、环境友好的发电方式.北京：化学工 [22]Mai A,Fleischhauer F,Denzler R,et al.Progress in HEXIS' 业出版社，2000) Development:Galileo 1000 N and HEXIS'Next Generation SOFC [3]Li J.Solid oxide fuel cells:development status and key System.ECS Trans,2017,78(1):97 technologies.J Funct Mater Devices,2007,13(6):683 [23]Beale S.Precision engineering for future propulsion and power (李箭.固体氧化物燃料电池：发展现状与关键技术.功能材料 systems:a perspective from Rolls-Royce.Philos Trans R Soc A, 与器件学报，2007,13(6)：683) 2012,370(1973:4130 [4]Hassmann K.SOFC power plants,the Siemens-Westinghouse [24]Brabandt J,Posdziech O.System approach of a pressurized high- approach.Fuel Cells,2001,1(1):78 temperature electrolysis.ECS Trans,2017,78(1):2987 [5]Timurkutluk B,Timurkutluk C,Mat M D,et al.A review on [25]Bertoldi M,Bucheli O,Ravagni A.Development,manufacturing cell/stack designs for high performance solid oxide fuel cells. and deployment of SOFC-based products at Solid power.ECS Renewable Sustainable Energy Rev,2016,56:1101 Trans,2015,68(1):117 [6]Suzuki T,Yamaguchi T,Fujishiro Y,et al.Improvement of SOFC [26]Inagaki T,Nishiwaki F,Yamasaki S,et al.Intermediate performance using a microtubular,anode-supported SOFC. temperature solid oxide fuel cell based on lanthanum gallate Electrochem Soc.2006.153(5):A925 electrolyte.J Power Sources,2008,181(2):274

12 h，SOEC 模式为60% 的蒸气利用率及400 mA·cm−2 电解 12 h，26 圈模式转化后显示电压衰减速率为 0.06%. 文献 [24] 中报道了 Sunfire 用的 30 片电堆 进行的加压电解试验，结果显示绝对压力可以达 到 1.5×106 Pa，氢气侧和氧气侧的压差范围为低于 104 Pa，蒸气利用率可以达到 90%. 目前，为了推进 SOC 的产业化 ， Sunfire 的主要合作伙伴包括奥 迪、Vaillant、波音以及 Thyssen Krupp Marine Systems 等公司. 4    结论和展望 SOFC 作为一种清洁高效的发电装置，其应用 市场覆盖面广，可覆盖几十瓦的便携式发电装置 到 MW 级发电系统，不同的应用场景可选择不同 结构的 SOFC. 本文介绍了国际具有领先水平的 SOFC 生产厂家的技术现状，着重介绍了欧洲平板 式 SOFC 厂商的相关技术，目标多为适用于与可再 生能源耦合的分布式发电系统. 我国的 SOFC 技术与欧洲相比还有很大差距， 但随着技术的进步、环保需求的逐渐提高以及国 家氢能与燃料电池相关政策的出台，我国 SOFC 的 技术水平必会逐渐提高，制造成本也会逐渐降低. 另外，SOFC 技术与可再生能源相互配合，弥补风 力光伏发电稳定性不足的缺点[50] ，在增强电网清 洁供电的能力和供电稳定性上具有重大作用. 参    考    文    献 Yi B L. Fuel Cell-Principle, Technology and Application. Beijing: Chemical Industry Press, 2003 （衣宝廉. 燃料电池: 原理·技术·应用. 北京: 化学工业出版社, 2003） [1] Yi B L. Fuel Cell-An Efficient and Environmentally Friendly Way to Generate Electricity. Beijing: Chemical Industry Press, 2000 （衣宝廉. 燃料电池—高效、环境友好的发电方式. 北京: 化学工 业出版社, 2000） [2] Li  J.  Solid  oxide  fuel  cells:  development  status  and  key technologies. J Funct Mater Devices, 2007, 13（6）: 683 （李箭. 固体氧化物燃料电池: 发展现状与关键技术. 功能材料 与器件学报, 2007, 13（6）：683） [3] Hassmann  K.  SOFC  power  plants,  the  Siemens‐ Westinghouse approach. Fuel Cells, 2001, 1（1）: 78 [4] Timurkutluk  B,  Timurkutluk  C,  Mat  M  D,  et  al.  A  review  on cell/stack  designs  for  high  performance  solid  oxide  fuel  cells. Renewable Sustainable Energy Rev, 2016, 56: 1101 [5] Suzuki T, Yamaguchi T, Fujishiro Y, et al. Improvement of SOFC performance  using  a  microtubular,  anode-supported  SOFC. J Electrochem Soc, 2006, 153（5）: A925 [6] Zhang  Y  H,  Liu  J,  Yin  J,  et  al.  Fabrication  and  performance  of cone‐shaped segmented-in-series solid oxide fuel cells. Int J Appl Ceram Technol, 2008, 5（6）: 568 [7] Wetzko M, Belzner A, Rohr F J, et al. Solid oxide fuel cell stacks using extruded honeycomb type elements. J Power Sources, 1999, 83（1-2）: 148 [8] Yamaguchi  T,  Shimizu  S,  Suzuki  T,  et  al.  Fabrication  and evaluation of a novel cathode-supported honeycomb SOFC stack. Mater Lett, 2009, 63（29）: 2577 [9] Kendall  K.  Progress  in  microtubular  solid  oxide  fuel  cells. Int J Appl Ceram Technol, 2010, 7（1）: 1 [10] Kendall  K,  Dikwal  C  M,  Bujalski  W.  Comparative  analysis  of thermal  and  redox  cycling  for  microtubular  SOFCs. ECS Trans, 2007, 7（1）: 1521 [11] Bujalski W, Dikwal C M, Kendall K. Cycling of three solid oxide fuel cell types. J Power Sources, 2007, 171（1）: 96 [12] Vora S. Development of high power density seal-less SOFCs. ECS Trans, 2007, 7（1）: 149 [13] Larminie  J,  Dicks  A,  McDonald  M  S. Fuel Cell Systems Explained. Chichester: J. Wiley, 2003 [14] Stolten D, Samsun R C, Garland N. Fuel Cells: Data, Facts, and Figures. New Jersey: Wiley-VCH, 2016 [15] Singnal S C, Kendall K. High Temperature Solid Oxide Fuel Cell: Fundamentals, Design and Applications.  Beijing:  Science  Press, 2007 [16] Hickey D, Alinger M, Shapiro A, et al. Stack development at GE￾fuel cells. ECS Trans, 2017, 78（1）: 107 [17] Mukerjee  S,  Haltiner  K,  Kerr  R,  et  al.  Latest  update  on  Delphi's solid  oxide  fuel  cell  stack  for  transportation  and  stationary applications. ECS Trans, 2011, 35（1）: 139 [18] Vora S D, Lundberg W L, Pierre J F. Overview of US department of energy office of fossil energy ’s solid oxide fuel cell program. ECS Trans, 2017, 78（1）: 3 [19] Noponen M, Torri P, Göös J, et al. Status of solid oxide fuel cell development at elcogen. ECS Trans, 2015, 68（1）: 151 [20] Barrett  S.  Convion  C50  product  being  validated  for  distributed generation. Fuel Cells Bull, 2015, 2015（4）: 6 [21] Mai  A,  Fleischhauer  F,  Denzler  R,  et  al.  Progress  in  HEXIS ’ Development: Galileo 1000 N and HEXIS'Next Generation SOFC System. ECS Trans, 2017, 78（1）: 97 [22] Beale  S.  Precision  engineering  for  future  propulsion  and  power systems:  a  perspective  from  Rolls-Royce. Philos Trans R Soc A, 2012, 370（1973）: 4130 [23] Brabandt J, Posdziech O. System approach of a pressurized high￾temperature electrolysis. ECS Trans, 2017, 78（1）: 2987 [24] Bertoldi  M,  Bucheli  O,  Ravagni  A.  Development,  manufacturing and  deployment  of  SOFC-based  products  at  Solid  power. ECS Trans, 2015, 68（1）: 117 [25] Inagaki  T,  Nishiwaki  F,  Yamasaki  S,  et  al.  Intermediate temperature  solid  oxide  fuel  cell  based  on  lanthanum  gallate electrolyte. J Power Sources, 2008, 181（2）: 274 [26] 刘少名等： 欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状 · 287 ·