固体氧化物燃料电池/电解槽常见问题解答

SOFC 代表固体氧化物燃料电池。名称中的“固体氧化物”部分是指所使用的电解质的类型。流行的电解质材料包括氧化钇稳定氧化锆（YSZ）、氧化钪稳定氧化锆（ScSZ）和掺钆氧化铈（GDC）。

固体氧化物燃料电池 (SOFC) 利用甲烷、沼气或氢气等燃料源产生电力和热量。固体氧化物电解槽 (SOE) 或固体氧化物电解池 (SOEC) 将蒸汽形式的水转化为氢气和氧气。它们都在高温下工作（取决于 650°C 至 900°C 之间的设计），并且使用相同的基础电化学机制。您可以将它们视为同一枚硬币的两面。一些制造商拥有真正可逆的系统，可以根据是否需要发电或生产氢气从燃料电池模式切换到电解模式。但在大多数情况下，制造商倾向于专注于针对单一操作模式优化其设备，但会为这两种模式使用相同的底层架构。

这两种技术之间没有明显的赢家。尽管这两种设备都以电化学方式将燃料的能量转化为电能，但它们具有一些独特的特性，使它们更适合某些应用。例如，质子交换膜燃料电池在低温下工作，具有快速响应时间且更紧凑，因此适合汽车应用。不同的是，SOFC的高工作温度允许使用甲烷或其他碳氢化合物并产生优质废热，从而使其适用于热电联产系统和不间断电力系统。

在谈论成本时，重要的是要区分作为技术核心的电堆和包括控制系统、电力电子和设备平衡在内的完整系统。如今，SOFC 电堆的生产成本约为 4000 欧元/kWe，预计到 2030 年将降至 800 欧元/kWe 以下。在系统层面，资本支出约为 10000 欧元/kWe，到2023年，小型（<5 kWe）和大型 （51-500 kWe）系统将分别达到2000-3500欧元/kWe1。

在燃料电池中，燃料的能量通过与氧气发生电化学反应而直接转化为电能。燃料和氧气通过外部电路电连接，以便它们可以交换电子，但它们被一层仅允许离子通过的膜隔开。燃料（例如氢气）被输送到阳极，由于催化剂的存在，它在阳极形成氢离子；在此过程中释放的电子穿过外部电路到达阴极上存在的氧气并与其反应形成氧离子。在 SOFC 中，膜允许形成的氧离子从阴极迁移到阳极，在那里它们与燃料离子相遇并发生反应，产生蒸汽和/或二氧化碳，具体取决于所使用的燃料。电子通过外部电路的通道就是我们可以收获供我们使用的电力。

与其他燃料电池技术相比，SOFC 技术具有一些独特的优势。所有燃料电池系统都对某些化学物质敏感，但与需要非常纯的氢气才能运行的 PEM 燃料电池不同，SOFC 可以利用更广泛的燃料，例如甲烷、沼气或氢气。许多系统被称为“燃料灵活”，这意味着它们可以使用不同的燃料或甲烷和氢气的混合物，这使得它们对于关心未来投资证明的客户非常有吸引力。

SOFC 非常高效，目前 SOFC 系统的效率约为 47-55%，具体取决于所使用的燃料（不论氢气或是甲烷）。这意味着燃料中大约一半的能量被转化为净可用电力，而其余的大部分是副产品热量。然而，SOFC 的高工作温度允许回收这种优质热量，因此总效率（即有用输出能量与输入燃料能量之间的比率）可以达到 85-90%¹。

传统上，SOFC 燃料电池仅考虑用于固定应用，例如分布式电源和微型 CHP（热电联产）系统。这是因为它们的工作温度很高，并且人们认为运动和振动会损害性能。虽然可以公平地说，数据中心、办公室和住宅应用等固定应用是最常见的，但系统制造商还提供用于电池电动汽车增程器 (BEVRE)、航空航天和无人机应用以及背包大小的移动装置的装置用于军事和人道主义援助应用。其他公司正在研究兆瓦 (MW) 范围内的大型系统为大型工厂供电的机会。

燃料电池的基本设计需要三个基本组件——阳极、阴极和电解质。这些部件被组装成一个薄薄的三明治；将 10 或 100 个这些层彼此叠置，其间具有金属互连以形成“堆叠”。由于固体氧化物燃料电池的工作温度很高，金属材料必须能够承受这些极端条件。一些制造商设计了在 650-700°C 左右的更适中温度下运行的电堆，这意味着可以使用更容易获得的金属（例如不锈钢），这有助于降低成本并使大规模制造更容易。

1. 密封固体氧化物燃料电池（或电解槽）并不简单。形成密封的主要方法有两种：一种是使用可以在高温下熔化并将电堆层与层之间熔合在一起的成分。或者，可以使用压缩密封件。玻璃密封件的局限性之一是它们容易破裂，并且在没有仔细的热控制的情况下无法处理热循环情况。如果电池堆的任何部分的密封受到损害，则可能导致气体泄漏，从而降低装置的性能或使用寿命，或者在最坏的情况下导致电池堆发生故障，需要立即关闭。

2. 燃料电池或电解槽内的压缩密封不仅仅是一个垫圈，而是一个在电池堆内执行许多关键功能的工程部件：

在极低负载下提供气密密封
工作温度范围为环境温度至工作温度
可应对多次热循环，使用寿命长达 40,000 小时或更长
电气隔离各层以促进电流收集并避免短路
准确控制互连层之间的间隙厚度，以帮助有效的气流和正确的电接触
热、化学和物理稳定
不会造成电池的化学中毒
与还原性和氧化性气氛兼容
能够加工成复杂的形状
并具有成本效益

由于 SOFC 的设计原因，更换电池堆内的单个密封件通常是不可行的。

固体氧化物燃料电池的优点在于该电池堆是完全可逆的：用于将氢气和氧气转化为电力和水蒸气的同一电池堆也可用于利用电力将水分解为氢气和氧气。在 SOEC 中，水蒸气被输送到阴极侧，由于电力输入（更准确地说，是施加的外部电压），水蒸气被分解成氢离子和氧离子。氧离子可以穿过膜到达阳极，在阳极形成氧气并释放电子，电子可以穿过连接阳极和阴极的外部电工电路。

是的，SOFC 可以使用 100% 的氢气。然而，SOFC 可以使用其他燃料，包括天然气、甲烷、丙烷、沼气、煤气和甲醇。

氢气、天然气、甲烷、丙烷、沼气、煤气和甲醇。系统通常是“燃料灵活”或“燃料不可知”，这意味着可以在单个单元中使用不同的燃料。在某些情况下，制造商建议他们的设备可以采用氢气和甲烷的可变混合物，而不会对性能产生任何影响。

见SOFC如何工作。

SOFC 或 SOE 系统除电堆外还由多个组件组成，例如风扇、预重整器、热交换器和气体处理装置。其中一些组件还在高温下运行，因此与电池组一起封闭在所谓的热箱中。为了连接组件，系统中可以混合使用法兰、螺纹、锥螺纹装配（金属对金属）连接。除了 SOFC 和 SOE 堆密封解决方案之外，福来西还提供用于热箱内外法兰连接的最佳产品。

尽管通常被称为最不成熟的燃料电池和电解槽技术，但已经有基于固体氧化物技术的试点和示范系统在运行。目前，情况多种多样，一些公司已经在市场上拥有系统，另一些公司处于工业化前阶段，还有一些公司正在通过研发项目开发新概念。

燃料电池将燃料（例如氢气）和空气中的氧气转化为电能。燃料被供给到阳极，空气被供给到阴极。在固体氧化物燃料电池中，阴极的催化剂将氧分子分离成氧离子。氧离子穿过分隔阳极和阴极的固体电解质层，并与另一侧的燃料反应形成蒸汽。  在此过程中释放的电子通过电路传输以产生电输出。