SOFC組成、技術(shù)優(yōu)勢與供應(yīng)商有哪些？

固體氧化物電解質(zhì)是核心部件，主要供應(yīng)來自中國。

SOFC（固體氧化物燃料電池，Solid Oxide Fuel Cell）是一種通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料（如氫氣、天然氣、沼 氣等）的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在天然氣（主要成分為 CH?）驅(qū)動(dòng)的固體氧化物燃料電池（SOF C）中， 燃料（CH?）在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣（O?）在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，整體反應(yīng)通過電解質(zhì)傳遞的氧離子（O² ?） 完成并對外輸出電能。

SOFC 結(jié)構(gòu)主要由陽極、陰極和電解質(zhì)組成。 1）陽極：通常采用多孔性的金屬陶瓷材料，燃料（如氫氣、一氧化碳、天然氣等）在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)， 失去電子，生成陽離子和電子，并通過陽極良好的電子導(dǎo)電性和氣體滲透性，使產(chǎn)生的電子順利通過外電路流 向陰極。 2）陰極：一般使用具有良好氧還原催化活性的材料，氧氣在陰極得到電子，生成陽離子，陰極同時(shí)也需要 具備良好的電子導(dǎo)電性和氣體擴(kuò)散性能。 3）電解質(zhì)：是固體氧化物燃料電池的核心部件。電解質(zhì)需要在高溫下具有較高的氧離子電導(dǎo)率，同時(shí)要具 備良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，以隔絕燃料和氧化劑，防止它們直接接觸而發(fā)生短路。

SOFC 存在以下技術(shù)優(yōu)勢，核心競爭力為轉(zhuǎn)化效率高，熱電聯(lián)產(chǎn)情境下燃料到電能的轉(zhuǎn)化效率高達(dá) 90%以 上。 1）發(fā)電效率高：在高溫下運(yùn)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的發(fā)電效率，一般可達(dá) 55% - 70%，如果與其他能量回收系 統(tǒng)結(jié)合，熱電聯(lián)產(chǎn)效率可高達(dá) 80% 以上。公司當(dāng)前產(chǎn)品發(fā)電效率可達(dá) 60%，熱電聯(lián)產(chǎn)效率可達(dá) 90%。2）燃料適應(yīng)性強(qiáng)：可以使用多種燃料，包括氫氣、天然氣、生物氣、煤氣等，甚至可以直接使用碳?xì)浠?物燃料，無需復(fù)雜的重整裝置，在運(yùn)行過程中幾乎不產(chǎn)生氮氧化物、硫氧化物等污染物，二氧化碳排放也相對 較低，對環(huán)境友好。公司當(dāng)前可使用燃料類型包括天然氣、沼氣、氫氣等。 3）可靠性高：SOFC 結(jié)構(gòu)簡單，沒有液體電解質(zhì)，不存在電解質(zhì)泄漏等問題，且固體材料穩(wěn)定性更強(qiáng)，在 長期運(yùn)行過程中具有較高的可靠性和耐久性。 4）模塊化設(shè)計(jì)：易于實(shí)現(xiàn)模塊化組裝，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活組合成不同規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)，從小 型的便攜式電源到大型的分布式發(fā)電站都能適用。當(dāng)前公司產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn) 200kW、4750kW、20MW 等不同規(guī)格， 實(shí)現(xiàn)不同行業(yè)的應(yīng)用。 5）環(huán)保性：排放極低（主要為水蒸氣和少量 CO?，若使用純氫則零碳排放）。 6）無貴金屬依賴：電極材料常用鎳、陶瓷等，無需鉑等貴金屬，降低材料成本。 7）長壽命設(shè)計(jì)：部分商用系統(tǒng)壽命可達(dá) 4–8 萬小時(shí)（約 5–10 年）。

基于其上述技術(shù)技術(shù)優(yōu)勢，SOFC 主要用于以下領(lǐng)域： 1）高效發(fā)電：通過電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，效率可達(dá) 50–60%（傳統(tǒng)火力發(fā)電為 30–40%），若結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）， 總效率可超過 85%。 2）分布式能源系統(tǒng)：適用于家庭、商業(yè)建筑或偏遠(yuǎn)地區(qū)的獨(dú)立供電。 3）工業(yè)應(yīng)用：為工廠提供穩(wěn)定電力，同時(shí)回收余熱。 4）可再生能源整合：可與風(fēng)能、太陽能互補(bǔ)，利用富余電力制氫作為燃料儲(chǔ)備。5）交通領(lǐng)域：作為船舶、重卡等大型交通工具的輔助電源。SOFC 的成本主要由材料、制造工藝和系統(tǒng)集 成決定，當(dāng)前商業(yè)化 SOFC 系統(tǒng)成本約為 3000–5000 美元/千瓦，高于傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)（~1000 美元/千瓦），但隨 規(guī)模化生產(chǎn)有望降至 1500 美元/千瓦以下。降本路徑包括：1）材料創(chuàng)新（如開發(fā)低成本電解質(zhì)和抗積碳陽極）； 2）制造工藝簡化（卷對卷生產(chǎn)、3D 打印技術(shù)）；3）提高耐久性（減少熱應(yīng)力導(dǎo)致的性能衰減）。

除 Bloom Energy 以外，全球主要的 SOFC 供應(yīng)商包括康明斯、三菱重工、京瓷、博世、濰柴動(dòng)力等。

SOEC（固體氧化物電解池，Solid Oxide Electrolysis Cell）是 SOFC（固體氧化物燃料電池）的逆過程裝置， 利用電能將水蒸氣（H?O）或二氧化碳（CO?）轉(zhuǎn)化為氫氣（H?）、一氧化碳（CO）或合成氣（H?+CO）。

相較于其他電解技術(shù)（如堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽 PEMEC），SOEC 的優(yōu)勢包括： 1）超高效率：高溫（800°C 以上）運(yùn)行降低電能需求，熱力學(xué)效率顯著提升。電解水蒸氣所需電壓（~1. 3V） 低于低溫電解（~1.8–2.0V）。 2）燃料靈活性：可同時(shí)電解 H?O 和 CO?，靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)物（純 H?、CO 或合成氣）。 3）低電能依賴：高溫環(huán)境可利用工業(yè)廢熱或核能余熱，減少電能消耗。 4）無貴金屬依賴：電極材料為鎳基陶瓷（如 Ni-YSZ），無需貴金屬催化劑（如 PEMEC 的鉑）。 5）與 SOFC 兼容：可與 SOFC 組成可逆系統(tǒng)（rSOC），實(shí)現(xiàn)“發(fā)電-儲(chǔ)能”雙向轉(zhuǎn)換。

SOEC 在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用： 1）高效制氫：電解水蒸氣（H?O）生成氫氣，效率可達(dá) 80–90%（遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)堿性電解槽的 60–70%）。 2）碳捕獲與利用（CCUS）：電解 CO?生成 CO，進(jìn)一步合成燃料（如甲醇、航空燃油）。 3）合成氣生產(chǎn)：同時(shí)電解 H?O 和 CO?，生成 H?/CO 混合氣（合成氣），用于化工或燃料合成。 4）可再生能源儲(chǔ)能：將風(fēng)能、太陽能等間歇性電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存（如綠氫）。 5）工業(yè)減排：直接利用工業(yè)廢熱和剩余電力降低電解能耗。 SOEC 成本主要由高溫材料、制造工藝和系統(tǒng)集成驅(qū)動(dòng)，目前成本較高，但長期降本潛力顯著：商業(yè)化 SOEC 系統(tǒng)成本約為 2000–4000 美元/千瓦（電解功率），顯著高于堿性電解槽（~800–1500 美元/千瓦），但效率優(yōu)勢 可降低長期運(yùn)營成本。降本路徑主要依賴 1）材料創(chuàng)新（如抗高溫腐蝕的鈣鈦礦陽極、低成本電解質(zhì)）；2）規(guī) 模化生產(chǎn)（卷對卷制造、標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)），3）提升耐久性（解決高溫下電極衰減、密封失效問題）。

2023 年，公司位于 NASA 艾姆斯研究中心的世上最大 SOEC 電解槽正式投產(chǎn)，該裝置功率達(dá) 4MW，日產(chǎn) 氫可達(dá) 2.4 公噸，每 MW 產(chǎn)氫量較其他商業(yè)低溫電解槽（PEM 或堿性電解槽）多出 20%-25%，展現(xiàn)其高溫下的 高效性能，同時(shí)該電解槽僅耗時(shí) 2 個(gè)月建成并投產(chǎn)，體現(xiàn)其部署的高速和便捷性。