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 ·