SOFC组成、技术优势与供应商有哪些？

固体氧化物电解质是核心部件，主要供应来自中国。

SOFC（固体氧化物燃料电池，Solid Oxide Fuel Cell）是一种通过电化学反应将燃料（如氢气、天然气、沼 气等）的化学能直接转化为电能的装置。在天然气（主要成分为 CH₄）驱动的固体氧化物燃料电池（SOF C）中， 燃料（CH₄）在阳极发生氧化反应，氧气（O₂）在阴极发生还原反应，整体反应通过电解质传递的氧离子（O² ⁻） 完成并对外输出电能。

SOFC 结构主要由阳极、阴极和电解质组成。 1）阳极：通常采用多孔性的金属陶瓷材料，燃料（如氢气、一氧化碳、天然气等）在阳极发生氧化反应， 失去电子，生成阳离子和电子，并通过阳极良好的电子导电性和气体渗透性，使产生的电子顺利通过外电路流 向阴极。 2）阴极：一般使用具有良好氧还原催化活性的材料，氧气在阴极得到电子，生成阳离子，阴极同时也需要 具备良好的电子导电性和气体扩散性能。 3）电解质：是固体氧化物燃料电池的核心部件。电解质需要在高温下具有较高的氧离子电导率，同时要具 备良好的化学稳定性和机械强度，以隔绝燃料和氧化剂，防止它们直接接触而发生短路。

SOFC 存在以下技术优势，核心竞争力为转化效率高，热电联产情境下燃料到电能的转化效率高达 90%以 上。 1）发电效率高：在高温下运行时能够实现较高的发电效率，一般可达 55% - 70%，如果与其他能量回收系 统结合，热电联产效率可高达 80% 以上。公司当前产品发电效率可达 60%，热电联产效率可达 90%。2）燃料适应性强：可以使用多种燃料，包括氢气、天然气、生物气、煤气等，甚至可以直接使用碳氢化合 物燃料，无需复杂的重整装置，在运行过程中几乎不产生氮氧化物、硫氧化物等污染物，二氧化碳排放也相对 较低，对环境友好。公司当前可使用燃料类型包括天然气、沼气、氢气等。 3）可靠性高：SOFC 结构简单，没有液体电解质，不存在电解质泄漏等问题，且固体材料稳定性更强，在 长期运行过程中具有较高的可靠性和耐久性。 4）模块化设计：易于实现模块化组装，可以根据不同的应用需求，灵活组合成不同规模的发电系统，从小 型的便携式电源到大型的分布式发电站都能适用。当前公司产品可实现 200kW、4750kW、20MW 等不同规格， 实现不同行业的应用。 5）环保性：排放极低（主要为水蒸气和少量 CO₂，若使用纯氢则零碳排放）。 6）无贵金属依赖：电极材料常用镍、陶瓷等，无需铂等贵金属，降低材料成本。 7）长寿命设计：部分商用系统寿命可达 4–8 万小时（约 5–10 年）。

基于其上述技术技术优势，SOFC 主要用于以下领域： 1）高效发电：通过电化学反应发电，效率可达 50–60%（传统火力发电为 30–40%），若结合热电联产（CHP）， 总效率可超过 85%。 2）分布式能源系统：适用于家庭、商业建筑或偏远地区的独立供电。 3）工业应用：为工厂提供稳定电力，同时回收余热。 4）可再生能源整合：可与风能、太阳能互补，利用富余电力制氢作为燃料储备。5）交通领域：作为船舶、重卡等大型交通工具的辅助电源。SOFC 的成本主要由材料、制造工艺和系统集 成决定，当前商业化 SOFC 系统成本约为 3000–5000 美元/千瓦，高于传统燃气轮机（~1000 美元/千瓦），但随 规模化生产有望降至 1500 美元/千瓦以下。降本路径包括：1）材料创新（如开发低成本电解质和抗积碳阳极）； 2）制造工艺简化（卷对卷生产、3D 打印技术）；3）提高耐久性（减少热应力导致的性能衰减）。

除 Bloom Energy 以外，全球主要的 SOFC 供应商包括康明斯、三菱重工、京瓷、博世、潍柴动力等。

SOEC（固体氧化物电解池，Solid Oxide Electrolysis Cell）是 SOFC（固体氧化物燃料电池）的逆过程装置， 利用电能将水蒸气（H₂O）或二氧化碳（CO₂）转化为氢气（H₂）、一氧化碳（CO）或合成气（H₂+CO）。

相较于其他电解技术（如碱性电解槽、质子交换膜电解槽 PEMEC），SOEC 的优势包括： 1）超高效率：高温（800°C 以上）运行降低电能需求，热力学效率显著提升。电解水蒸气所需电压（~1. 3V） 低于低温电解（~1.8–2.0V）。 2）燃料灵活性：可同时电解 H₂O 和 CO₂，灵活调节产物（纯 H₂、CO 或合成气）。 3）低电能依赖：高温环境可利用工业废热或核能余热，减少电能消耗。 4）无贵金属依赖：电极材料为镍基陶瓷（如 Ni-YSZ），无需贵金属催化剂（如 PEMEC 的铂）。 5）与 SOFC 兼容：可与 SOFC 组成可逆系统（rSOC），实现“发电-储能”双向转换。

SOEC 在能源转换与存储领域具有重要应用： 1）高效制氢：电解水蒸气（H₂O）生成氢气，效率可达 80–90%（远高于传统碱性电解槽的 60–70%）。 2）碳捕获与利用（CCUS）：电解 CO₂生成 CO，进一步合成燃料（如甲醇、航空燃油）。 3）合成气生产：同时电解 H₂O 和 CO₂，生成 H₂/CO 混合气（合成气），用于化工或燃料合成。 4）可再生能源储能：将风能、太阳能等间歇性电能转化为化学能储存（如绿氢）。 5）工业减排：直接利用工业废热和剩余电力降低电解能耗。 SOEC 成本主要由高温材料、制造工艺和系统集成驱动，目前成本较高，但长期降本潜力显著：商业化 SOEC 系统成本约为 2000–4000 美元/千瓦（电解功率），显著高于碱性电解槽（~800–1500 美元/千瓦），但效率优势 可降低长期运营成本。降本路径主要依赖 1）材料创新（如抗高温腐蚀的钙钛矿阳极、低成本电解质）；2）规 模化生产（卷对卷制造、标准化模块设计），3）提升耐久性（解决高温下电极衰减、密封失效问题）。

2023 年，公司位于 NASA 艾姆斯研究中心的世上最大 SOEC 电解槽正式投产，该装置功率达 4MW，日产 氢可达 2.4 公吨，每 MW 产氢量较其他商业低温电解槽（PEM 或碱性电解槽）多出 20%-25%，展现其高温下的 高效性能，同时该电解槽仅耗时 2 个月建成并投产，体现其部署的高速和便捷性。