asc系列單電池

作為一種高溫燃料電池——固體氧化物燃料電池(sofc)通過對(duì)化石燃料的簡(jiǎn)單重整后，便可以獲得電能，一直備受業(yè)界與學(xué)界的關(guān)注。

特別是采用天然氣，完全可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有的能源基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行高效發(fā)電，其純電效率可以達(dá)到60%，熱電聯(lián)供效率可以達(dá)到90%以上，幾乎是所有發(fā)電設(shè)備中效率最高的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，因此被認(rèn)為是21世紀(jì)最有潛力的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

sofc的工作原理是在陽極側(cè)持續(xù)地通入燃料氣(如氫氣)，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面。而在陰極側(cè)持續(xù)地通入氧氣或空氣，由于陰極本身的催化作用，使得o2得到電子變?yōu)閛2-，在化學(xué)勢(shì)的作用下，o2-進(jìn)入固體氧離子導(dǎo)體電解質(zhì)，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。

最經(jīng)濟(jì)可行的選擇

相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在我國能源結(jié)構(gòu)中，天然氣發(fā)電的比例僅為3.3%，而在發(fā)達(dá)國家這一比重則高達(dá)26%，美國甚至高達(dá)30%。

特別是近年來，隨著國內(nèi)煤炭的大量使用，環(huán)境壓力不斷增加，霧霾問題日益突顯，節(jié)能減排的任務(wù)迫使中國的能源結(jié)構(gòu)必須從煤炭逐步轉(zhuǎn)向天然氣和可再生能源。

但遺憾的是，可再生能源在國內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)中所占比例一直較低，再加上風(fēng)能和太陽能的間隙式發(fā)電方式等因素影響。天然氣作為基礎(chǔ)電力的能源將大幅度提高，而sofc被國際公認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)和最可行的選擇。

放眼全球，目前開展sofc研發(fā)的商業(yè)公司主要集中在美國、歐洲、日本等國，其研發(fā)中心已經(jīng)從原料與單電池轉(zhuǎn)移到了電池堆和系統(tǒng)集成。

2010年，美國的bloom energy(be)宣布推出商業(yè)化產(chǎn)品100kw系統(tǒng);2013年，日本京瓷以陽極支撐扁管式電池及電池堆為核心技術(shù)，聯(lián)合開發(fā)的700w家用系統(tǒng)推向市場(chǎng)。

而反觀國內(nèi)，sofc產(chǎn)業(yè)還處于比較滯后的階段，只能提供一些初級(jí)產(chǎn)品或測(cè)試設(shè)備，電池堆和系統(tǒng)尚未形成產(chǎn)業(yè)。

單電池是基礎(chǔ)核心

近日，從中科院寧波材料研究所sofc項(xiàng)目傳來好消息，其產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)已從最基本發(fā)電單元電池，發(fā)展到發(fā)電心臟電堆，最終涵蓋到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)。而單電池作為sofc系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、最核心的元部件，其性能、穩(wěn)定性、產(chǎn)能將直接影響電堆、系統(tǒng)的研發(fā)與集成。

值得欣慰的是，目前寧波材料所已擁有一條年產(chǎn)5萬片的單電池生產(chǎn)線，通過了質(zhì)量管理體系gb/t19001-2008/iso9001:2008標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)掌握了月產(chǎn)9萬～20萬片的產(chǎn)能提升的整套技術(shù)。

近年來，該所特別注重對(duì)電池配方和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，開發(fā)了asc系列高強(qiáng)度超薄型sofc單電池制備技術(shù)。單電池厚度僅為450μm左右，抗彎強(qiáng)度達(dá)到250mpa，單電池合格率達(dá)到了90%以上。并且，單電池成本大幅度降低。同時(shí)還開發(fā)了esc系列單電池的整套制備技術(shù)，單電池厚度200～250μm，性能在830℃，高于0.5w/cm2。

中低溫成關(guān)鍵技術(shù)

長久以來，sofc操作溫度相對(duì)較高。如果將其溫度降低至中溫，關(guān)鍵材料抗老化性能的要求將大大降低，導(dǎo)致電池堆失效的密封問題也相對(duì)簡(jiǎn)單，而且可以拓展燃料的選擇范圍。

由此可見，發(fā)展高性能、低成本、高可靠性的中低溫sofc單電池成為該領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)和主要研究目標(biāo)。

特別是隨著溫度的降低，可以實(shí)現(xiàn)由中溫性能更高的lscf取代lsm陰極，進(jìn)一步降低單電池的工作溫度約50℃～100℃，即asc-lscf單電池。

據(jù)悉，寧波材料所批量制備的asc-lscf系列單電池性能也取得顯著提高，達(dá)到國際先進(jìn)水平。通過生產(chǎn)工藝的優(yōu)化以及測(cè)試方式的改進(jìn)，標(biāo)準(zhǔn)10cm×10cm單電池，有效面積64cm2，在800℃時(shí)，0.8v下的單片電池放電電流可達(dá)72a，單片功率超過57w，功率密度達(dá)到0.88w/cm2，燃料利用率(fu)大于62%;在750℃時(shí)，0.75v下的單片電池放電電流可達(dá)到70a，單片電池功率超過50w，功率密度達(dá)到0.8w/cm2，fu大于50%。

產(chǎn)品熱銷性價(jià)比高

此外，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還面向全球市場(chǎng)生產(chǎn)和銷售sofc用粉體、單電池、電池堆和小型分立式發(fā)電和測(cè)試系統(tǒng)，產(chǎn)品銷售4年來已經(jīng)遍布美國、加拿大、德國、丹麥、英國、瑞士、日本、韓國等國。

sofc產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提升的同時(shí)，價(jià)格卻未“高攀”。比如，陽極支撐標(biāo)準(zhǔn)單電池價(jià)格從200元/片降到60元/片，是目前全球公認(rèn)的性價(jià)比最高的產(chǎn)品;700w~1kw電池堆模塊銷售價(jià)格從29000元/堆降低到6000元/堆，是全球唯一明碼標(biāo)價(jià)的電池堆供應(yīng)商。

除了可以建成大規(guī)模的固定電站，sofc還可以建成小型的家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，同樣具有很好的商業(yè)化前景。

最近，寧波材料所sofc團(tuán)隊(duì)研發(fā)的1kw自熱式獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)成功運(yùn)行，這也成為國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)真正意義上的產(chǎn)電、產(chǎn)能，邁出了從實(shí)驗(yàn)室走向家庭、市場(chǎng)的關(guān)鍵一步。