固体氧化物燃料电池

随着“双碳”目标的提出，氢能与燃料电池技术迎来了快速发展的契机。固体氧化物燃料电池（SOFC）和电解池（SOEC）真正迎来了发展的春天。科技部在2021、2022年分别部署了多项SOFC、SOEC项目；潮州三环（集团）股份有限公司与广东能源集团联合开发的210kW SOFC热电联供系统顺利通过验收；潍柴动力股份有限公司发布了120kW SOFC热电联供系统；中国科学院上海应用物理研究所承担研发的200kW SOEC系统试车成功；索福人能源技术有限公司也开展了大功率SOFC系统运行的线上直播；一些著名央企开始关注并投入SOFC/SOEC的研发；一批由研发人员创业组建的专业化公司开始运作。以上这些电池事件都标志着SOFC/SOEC技术正在逐步走向成熟，其巨大的市场潜力也吸引着投资者的深切关注。
值此喜悦的时刻，我们也要清醒地认识到前面还有很多困难等着我们。目前国内相关电池系统运行时间尚短，电池寿命的直接证据不足，有关性能衰减的认知还处在理论和预测的层面；在成本方面，由于尚未实现大规模制造，电堆和系统的成本偏高；在配套部件（BOP）方面，由于市场小，开发商的热情不足，影响了系统示范的进度。美国、欧洲、日本等发达国家和地区在SOFC/SOEC技术研发方面起步早，实验数据和技术积累多。例如日本仅电池寿命方面就有多个国家项目的连续支持，这也是Bloom Energy、Kyocera、Sunfire、Topso等公司具有能够大规模推动技术产业化的底气。鉴于过去的经验和当前的形势，我国必须坚持自力更生、艰苦奋斗的优良传统，认真开发自己的核心技术。
SOFC/SOEC的高温提供了快速的反应动力学，对应更高的效率；作为发电装置的SOFC可以“吃粗粮”并浓缩CO 2；作为电解装置的SOEC可以共电解水蒸气和CO 2。这些特点决定了SOFC/SOEC的战略性核心技术的地位，特别是在大规模可再生能源开发利用的新形势下，该技术尤为重要。但是，高温操作、更高温度制备、冷热循环等温度维度的引入决定了SOFC/SOEC技术的复杂性，特别是我国前期对SOFC的投入不足，产学研各团队之间的合作不够深入，客观上也阻碍了该技术的发展。但是我们也应该看到并充分肯定中国人的创造力，Bloom Energy 公司的电解质粉体、电解质片和部分BOP部件都是中国公司提供的，这些充分说明了我国的资源优势、成本优势和局部的技术优势。前述的各项系统开发的实现和示范验证进一步推动了自主技术的成熟，使SOFC/SOEC成为又一个有希望赶超世界同行的新赛道。在“双碳”背景下，只要充分发挥我国巨大的市场优势和原材料优势，借助日渐成熟的国内制造业基础，有效组织多年来培养的年轻人才，通过协同攻关解决长期稳定性、大规模制造、大功率系统的集成与控制等关键问题，我们就有希望早日实现SOFC/SOEC的产业化。
中国特色的SOFC/SOEC发展要求我们应该从市场的需求出发进行攻关。在生物质气发电、煤层气发电、分布式热电联供、充电桩、数据中心电源、SOEC绿氢制造、共电解制合成气和可逆SOFC/SOEC储能等方面，我国有巨大的市场，只要大家一起努力，前途一片光明。
面对新的形势，我们应该团结起来，形成优势互补的团队，进行专业化的分工合作和技术开发。完全没有必要搞小而全什么都做，而应该做自己最擅长的部分，以便在产业链中占据重要地位。潮州三环（集团）股份有限公司仅电解质片这一项，每年就有数亿元的销售额。
为进一步推动SOFC/SOEC的商业化应用，本书重点介绍该技术近年来的新进展，同时加入关于成本和市场应用的内容。本书无意面面俱到，也没有系统性地追溯技术的发展历程和阐述理论体系，而是试图以尽可能浅显的方式，站在应用需求的角度，论述工程化技术开发人员经常遇到的问题，提供较为具体的解决方案，并阐述SOFC/SOEC各方面之间的联系。若本书对初入该行业的研究生、工程技术人员和管理人员能有所帮助，则是笔者内心的慰藉；若有不当之处，敬请读者朋友们批评指正。
希望更多的读者关注SOFC/SOEC，也希望更多的有识之士关心和支持SOFC/SOEC产业，在此谨致衷心的感谢。

王绍荣
于徐州

王绍荣，教授、博士生导师, 全国燃料电池与液流电池标准委员会委员，可再生能源学会氢能专业委员会委员。主要从事固体氧化物燃料电池(SOFC)及电解池(SOEC)研究；承担过国家863项目、国家重点专项课题、国家自然科学基金面上项目、江苏省自然科学基金重点项目等纵向、横向科研项目计13项、申请国家发明专利40件、出版专著2部、发表科研学术论文130多篇、连续4年入选爱思唯尔评选的能源领域高被引作者名单。

《固体氧化物燃料电池》是“先进电化学能源存储与转化技术丛书”分册之一，书中在对固体氧化物燃料电池原理进行简要概述之后，重点介绍了材料制备方法，电池表征手段，电堆、系统及其部件的制造方法和注意事项，并就技术的关键问题和思路进行了较为全面的介绍。此外，结合其逆向运行的高温电解水蒸气技术及能源互联网的发展需求，对固体氧化物燃料电池的进一步应用进行了展望。本书将有助于读者深入了解固体氧化物燃料电池相关技术的概况，快速熟悉该领域。
本书可供固体氧化物燃料电池领域科研人员、技术人员及高校相关专业师生参考，也可供相关领域管理人员参阅。

第1章绪论1
1.1固体氧化物燃料电池（SOFC）在燃料电池家族中的地位2
1.2SOFC的工作原理3
1.3SOFC关键部件的材料构成5
1.3.1固体电解质材料5
1.3.2阴极材料11
1.3.3阳极材料15
1.3.4连接体材料17
1.3.5密封材料20
1.4SOFC的产业化概况22
1.5SOFC商业化的挑战24
1.6总结25
参考文献26

第2章关键材料的制备工艺及其表征30
2.1引言31
2.2粉体的烧结活性与可加工性31
2.3粉体制备方法的选择33
2.3.1共沉淀法34
2.3.2溶胶凝胶法35
2.3.3燃烧合成法35
2.3.4喷雾热分解法35
2.3.5冷冻干燥热分解法36
2.4粉体的表征36
2.4.1化学成分37
2.4.2结晶相37
2.4.3粒径38
2.4.4比表面积39
2.4.5烧结曲线39
2.5材料的表征40
2.5.1力学性能40
2.5.2电性能42
2.5.3热膨胀系数43
参考文献43

第3章SOFC单电池构型及制备工艺47
3.1引言48
3.2管式电池与平板式电池48
3.2.1管式电池48
3.2.2平板式电池50
3.3不同结构支撑型电池51
3.3.1电解质支撑型电池51
3.3.2阳极支撑型电池52
3.3.3阴极支撑型电池53
3.3.4金属支撑型电池54
3.4膜材料的成型工艺54
3.4.1干法成型55
3.4.2气相化学法成型56
3.4.3高分子化学辅助成型56
3.5致密电解质膜的制备方法57
参考文献59

第4章电池堆关键技术62
4.1连接板的流场与保护涂层63
4.2密封材料与密封技术67
4.3电流收集材料69
参考文献70

第5章SOFC测试技术要点72
5.1纽扣电池的测试73
5.2单电池的测试74
5.2.1全陶瓷带铂金集流体的夹具75
5.2.2具有自制流场的夹具75
5.2.3特殊夹具76
5.3电堆的测试77
5.3.1定电流测试78
5.3.2定电压测试79
5.3.3定燃料利用率测试79
5.3.4多通道监控80
5.4从系统角度对电堆的要求80
5.4.1电堆的工作电压81
5.4.2电堆的燃料利用率81
5.4.3内重整比例81
5.4.4空气过量比82
5.4.5压阻与寄生功率消耗82
参考文献82

第6章SOFC发电系统简介84
6.1SOFC发电系统分类85
6.2便携式电源86
6.3家用热电联供系统87
6.4车用辅助电源与增程器89
6.5分布式发电与固定电站91
参考文献94

第7章发电系统的核心部件与集成简介96
7.1燃烧器98
7.1.1燃烧器概述98
7.1.2燃烧器结构与参数98
7.1.3SOFC系统中的燃烧器设计要点99
7.2重整器99
7.2.1重整器类型与反应99
7.2.2重整器结构与催化剂100
7.2.3重整器参数与指标101
7.3换热器102
7.3.1换热器概述与分类102
7.3.2板翅式换热器102
7.4脱硫器103
7.5泵与风机104
7.6SOFC发电系统控制子系统105
7.7SOFC发电系统设计与集成的一般步骤107
参考文献108

第8章固体氧化物燃料电池数值模拟111
8.1引言112
8.2固体氧化物燃料电池数值建模基础112
8.2.1物理问题的分析和几何模型的选择113
8.2.2常用的控制方程115
8.2.3常用的边界条件117
8.2.4数值模型的求解与验证118
8.3氧化铈基电解质SOFC漏电规律的数值模拟研究119
8.3.1氧化铈基电解质SOFC内部漏电机理119
8.3.2氧化铈基电解质SOFC一维极化模型120
8.3.3氧化铈基电解质SOFC二维数值模型125
8.4电极微观尺寸建模研究127
8.4.1多孔电极微结构构建128
8.4.2多孔电极有效性质参数计算129
参考文献130

第9章燃料电池的逆运行——电解池133
9.1引言134
9.2水电解制氢134
9.3二氧化碳/水共电解136
9.4电解与甲烷化的耦合137
9.5电解模式下的材料问题139
参考文献140

第10章能源互联网概念下的固体氧化物电池144
10.1引言145
10.2分布式供能145
10.3多能互补146
10.4SOFC的作用及其发展方向147
参考文献147

第11章挑战和展望149

索引152