工程科学学报.第42卷.第3期：278-288.2020年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.3:278-288,March 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.10.001;http://cje.ustb.edu.cn 欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状 刘少名2)区，邓占锋，徐桂芝”，李宝让)，宋鹏翔)，王绍荣 1)全球能源互联网研究院有限公司先进输电技术国家重点实验室，北京1022092)华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206 3)全球能源互联网欧洲研究院，柏林106234)中国矿业大学（徐州）化工学院.徐州221116 ☒通信作者，E-mail:549094864@iqq.com 摘要固体氧化物燃料电池(SOFC)具有燃料适用范围广、能量转换效率高（发电效率40%~60%.综合能效≥80%）、全固 态结构、模块化组装、零污染等优点，作为固定式或分布式发电可增强电网清洁供电的能力、安全性、可靠性和稳定性 SOFC具有多种不同的结构，其发电规模覆盖几十瓦至百兆瓦，可根据不同的应用场景选择不同的结构，应用场景主要包括 固定式发电、分布式供电、热（冷）电联供、交通车辆辅助动力电源等领域.国内的SOC技术发展较晚，目前已取得一定的 研究进展，并且能够自主研发出十几千瓦的SOFC发电系统，但与国际领先水平还有很大的差距，主要体现在输出功率、生产 成本及使用寿命等方面.欧洲的$OFC技术处于国际领先水平，具有一批成功实现产品化的公司，通过对其技术和产品的调 研，可深入的了解欧洲SOFC技术现状和发展趋势.为国内SOFC技术的发展提供借鉴作用. 关键词燃料电池：设计：制造：发电技术：分布式供电：热（冷）电联供 分类号TK91 Commercialization and future development of the solid oxide fuel cell (SOFC)in Europe LIU Shao-ming2,DENG Zhan-feng,XU Gui-zhi,LI Bao-rang.SONG Peng-xiang WANG Shao-rong 1)State Key Laboratory of Advanced Transmission Technology,Global Energy Interconnection Research Institute Limited Company,Beijing 102209, China 2)School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China 3)Global Energy Interconnection Research Institute Europe GmbH,Berlin 10623,Germany 4)School of Chemical Engineering Technology,China University of Mining and Technology (Xuzhou),Xuzhou 221116,China Corresponding author,E-mail:549094864@qq.com ABSTRACT With the continuous consumption of fossil fuels,the increasingly serious problem of environmental pollution and increasing demand for electricity in China have forced the need to gradually increase the capacity of renewable energy technologies such as wind and photovoltaic power.The randomness and intermittence associated with in the generation of wind and photovoltaic power bring new challenges to the safety and stability of power-grid operations.With respect to the generation of either stationary or distributed power,the solid oxide fuel cell (SOFC)power-generation system can be designed according to the actual demands of specific users and effectively supplement shortages in the generation of centralized power,and thereby significantly improve the efficiency,reliability,and stability of the power supply.SOFCs have many advantages,including fuel flexibility,high energy-conversion efficiency (power- generation efficiency ranging of 40%60%,comprehensive energy efficiency 80%),a whole solid structure,modular assembly,and near-zero pollution.SOFCs have a variety of different structures,and their power-generation scales range from tens of watts to hundreds 收稿日期：2019-10-10 基金项目：国家电网公司科技资助项目一固体氧化物燃料电池发电系统关键技术研究(2017-2019-SGRIDLKJ[2017]720)
欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状 刘少名1,2) 苣，邓占锋1)，徐桂芝1)，李宝让2)，宋鹏翔1,3)，王绍荣4) 1) 全球能源互联网研究院有限公司先进输电技术国家重点实验室，北京 102209 2) 华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206 3) 全球能源互联网欧洲研究院，柏林 10623 4) 中国矿业大学（徐州）化工学院，徐州 221116 苣通信作者，E-mail：549094864@qq.com 摘 要 固体氧化物燃料电池（SOFC）具有燃料适用范围广、能量转换效率高（发电效率 40%～60%，综合能效≥80%）、全固 态结构、模块化组装、零污染等优点，作为固定式或分布式发电可增强电网清洁供电的能力、安全性、可靠性和稳定性. SOFC 具有多种不同的结构，其发电规模覆盖几十瓦至百兆瓦，可根据不同的应用场景选择不同的结构，应用场景主要包括 固定式发电、分布式供电、热（冷）电联供、交通车辆辅助动力电源等领域. 国内的 SOFC 技术发展较晚，目前已取得一定的 研究进展，并且能够自主研发出十几千瓦的 SOFC 发电系统，但与国际领先水平还有很大的差距，主要体现在输出功率、生产 成本及使用寿命等方面. 欧洲的 SOFC 技术处于国际领先水平，具有一批成功实现产品化的公司，通过对其技术和产品的调 研，可深入的了解欧洲 SOFC 技术现状和发展趋势，为国内 SOFC 技术的发展提供借鉴作用. 关键词 燃料电池；设计；制造；发电技术；分布式供电；热（冷）电联供 分类号 TK91 Commercialization and future development of the solid oxide fuel cell (SOFC) in Europe LIU Shao-ming1,2) 苣 ，DENG Zhan-feng1) ，XU Gui-zhi1) ，LI Bao-rang2) ，SONG Peng-xiang1,3) ，WANG Shao-rong4) 1) State Key Laboratory of Advanced Transmission Technology, Global Energy Interconnection Research Institute Limited Company, Beijing 102209, China 2) School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China 3) Global Energy Interconnection Research Institute Europe GmbH, Berlin 10623, Germany 4) School of Chemical Engineering & Technology, China University of Mining and Technology (Xuzhou), Xuzhou 221116, China 苣 Corresponding author, E-mail: 549094864@qq.com ABSTRACT With the continuous consumption of fossil fuels, the increasingly serious problem of environmental pollution and increasing demand for electricity in China have forced the need to gradually increase the capacity of renewable energy technologies such as wind and photovoltaic power. The randomness and intermittence associated with in the generation of wind and photovoltaic power bring new challenges to the safety and stability of power-grid operations. With respect to the generation of either stationary or distributed power, the solid oxide fuel cell (SOFC) power-generation system can be designed according to the actual demands of specific users and effectively supplement shortages in the generation of centralized power, and thereby significantly improve the efficiency, reliability, and stability of the power supply. SOFCs have many advantages, including fuel flexibility, high energy-conversion efficiency (powergeneration efficiency ranging of 40%–60%, comprehensive energy efficiency ≥80%), a whole solid structure, modular assembly, and near-zero pollution. SOFCs have a variety of different structures, and their power-generation scales range from tens of watts to hundreds 收稿日期: 2019−10−10 基金项目: 国家电网公司科技资助项目—固体氧化物燃料电池发电系统关键技术研究（2017-2019-SGRIDLKJ[2017]720） 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期：278−288，2020 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 3: 278−288, March 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.10.001; http://cje.ustb.edu.cn
刘少名等：欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状 ,279· of megawatts,with different structures selected for different application scenarios.These application scenarios mainly include fixed power generation,distributed power supply,combined heat(cold)and power supply,and auxiliary power units for traffic vehicles. SOFC technology in China has developed more recently than that in foreign countries and has made some progress.Manufacturers in China can independently develop SOFC power generation systems that produce more than 10 kW of power,but there remains a big gap between the systems developed in China and those developed by SOFC technology leaders elsewhere in the world,which is mainly reflected in the output power,production cost,and durability.Europe's SOFC technology is at the forefront,with a number of successful companies having realized effective products.Through the investigation of their technology and products,we can gain an in-depth understanding of the current situation and development trends of SOFC technology as a reference for improving China's SOFC technology. KEY WORDS fuel cell;design;manufacture;power generation technology;distributed power supply;combined heat(cold)and power supply 燃料电池是一种清洁、高效的能量转换装置， 积小 它可以等温地将燃料和氧化剂中的化学能转化为 正是由于SOFC具有以上突出的优点，使得其 电能.其基本结构单元包括：附着催化剂的阴极和 在固定式发电、分布式发电、家庭用热电联供系 阳极，以及离子导通的电解质.燃料电池在工作 统、交通车辆辅助动力电源及军用电源方面有广 时，还原剂或燃料在阳极处失去电子发生氧化反 阔的应用前景 应，氧气在阴极处得到电子发生还原反应，离子通 1SOFC的种类及特点 过电解质进行迁移，电子通过外电路由阳极返回 阴极以构成电子回路.由于反应不断消耗的燃料 目前，广泛使用的SOFC单元的组件设计形式 须由外部提供，所以燃料电池的工作方式类似于 大体分为两类，即管式设计和平板式设计.管式设 柴油或汽油发电机四 计由于其良好的密封性能而具有良好的长期稳定 燃料电池按电解质的不同可划分为碱性燃料 性，而平板式设计由于短的电流路径而具有高的 电池(Alkaline fuel cell,.AFC)、磷酸燃料电池 功率密度，这两种设计方式各有优缺点，因此可根 (Phosphoric acid fuel cell,PAFC)、熔融碳酸盐燃料 据不同的应用场景选择SOFC的设计类型 电池(Molten carbonate fuel cell,.MCFC)、质子交换 1.1管式S0FC 膜然料电池(Polymer electrolyte membrane fuel cell. 管式SOFC最早是在20世纪70年代由美国 PEMFC)及固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel 西屋电气公司(Westinghouse Electric Corporation) cell,SOFC).其中SOFC作为新一代的燃料电池， 开发和商业应用的，其制备工艺为：通过挤压成型 是一种在高温(500~1000℃)下可以将存储在燃 方法制备多孔的氧化钙稳定的氧化锆支撑管，在 料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态能量 支撑管上制备阳极、电解质薄膜和阴极，并高温烧 转换装置，被誉为21世纪最具前景的绿色发电系 结成型.但是由于支撑体支撑管式SOFC内阻大， 统，其主要优点如下： 输出功率偏低，而在80年代之后管状SOFC的主 (1)燃料种类选择范围宽.天然气、氢气、醇 要研究方向转变为阴极支撑或阳极支撑，其中大 类、烃类等均可作为燃料 直径管状SOFC(>l5mm)多采用阴极支撑结构，该 (2)环境污染程度低.SOFC是全固态的结构， 结构的SOFC与支撑体支撑的SOFC结构相比更 不存在电解质流失问题；发电过程只产生水和二 为简单，制备工艺更易批量化生产，不仅降低了内 氧化碳，氨氧化物、硫化物及颗粒物排放接近 阻和成本，还明显的提高了单管的输出功率；与阳 于零. 极支撑结构相比可采用廉价的镍作为连接体材 (3)能量转换效率高.其发电效率可达45%~ 料.小功率微管SOFC(<5mm)技术多采用阳极支 60%,远高于传统的热机发电技术：若高温尾气与 撑结构，其与电解质支撑结构相比降低了工作温 燃气轮机、蒸汽轮机等进行联合发电，发电效率可 度及内阻，并且可以采用低成本、批量化的制备工 高达80%以上) 艺：其与阴极支撑结构相比具有更低的极化阻抗， (4)成本较低.不需要使用贵金属催化剂 但其缺点是阳极和电解质共烧易造成阳极孔隙率 (5)模块化结构.设计和安装灵活，占地面 的降低
of megawatts, with different structures selected for different application scenarios. These application scenarios mainly include fixed power generation, distributed power supply, combined heat (cold) and power supply, and auxiliary power units for traffic vehicles. SOFC technology in China has developed more recently than that in foreign countries and has made some progress. Manufacturers in China can independently develop SOFC power generation systems that produce more than 10 kW of power, but there remains a big gap between the systems developed in China and those developed by SOFC technology leaders elsewhere in the world, which is mainly reflected in the output power, production cost, and durability. Europe's SOFC technology is at the forefront, with a number of successful companies having realized effective products. Through the investigation of their technology and products, we can gain an in-depth understanding of the current situation and development trends of SOFC technology as a reference for improving China ’s SOFC technology. KEY WORDS fuel cell； design； manufacture； power generation technology； distributed power supply； combined heat (cold) and power supply 燃料电池是一种清洁、高效的能量转换装置， 它可以等温地将燃料和氧化剂中的化学能转化为 电能. 其基本结构单元包括：附着催化剂的阴极和 阳极，以及离子导通的电解质. 燃料电池在工作 时，还原剂或燃料在阳极处失去电子发生氧化反 应，氧气在阴极处得到电子发生还原反应，离子通 过电解质进行迁移，电子通过外电路由阳极返回 阴极以构成电子回路. 由于反应不断消耗的燃料 须由外部提供，所以燃料电池的工作方式类似于 柴油或汽油发电机[1] . 燃料电池按电解质的不同可划分为碱性燃料 电 池 （ Alkaline fuel cell, AFC） 、 磷 酸 燃 料 电 池 （Phosphoric acid fuel cell, PAFC）、熔融碳酸盐燃料 电池（Molten carbonate fuel cell, MCFC）、质子交换 膜燃料电池（Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC）及固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell, SOFC）. 其中 SOFC 作为新一代的燃料电池， 是一种在高温（500～1000 ℃）下可以将存储在燃 料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态能量 转换装置，被誉为 21 世纪最具前景的绿色发电系 统[2] ，其主要优点如下： （1）燃料种类选择范围宽. 天然气、氢气、醇 类、烃类等均可作为燃料. （2）环境污染程度低. SOFC 是全固态的结构， 不存在电解质流失问题；发电过程只产生水和二 氧化碳 ，氮氧化物、硫化物及颗粒物排放接近 于零. （3）能量转换效率高. 其发电效率可达 45%～ 60%，远高于传统的热机发电技术；若高温尾气与 燃气轮机、蒸汽轮机等进行联合发电，发电效率可 高达 80% 以上[3] . （4）成本较低. 不需要使用贵金属催化剂. （ 5）模块化结构. 设计和安装灵活，占地面 积小. 正是由于 SOFC 具有以上突出的优点，使得其 在固定式发电、分布式发电、家庭用热电联供系 统、交通车辆辅助动力电源及军用电源方面有广 阔的应用前景. 1 SOFC 的种类及特点 目前，广泛使用的 SOFC 单元的组件设计形式 大体分为两类，即管式设计和平板式设计. 管式设 计由于其良好的密封性能而具有良好的长期稳定 性，而平板式设计由于短的电流路径而具有高的 功率密度，这两种设计方式各有优缺点，因此可根 据不同的应用场景选择 SOFC 的设计类型. 1.1 管式 SOFC 管式 SOFC 最早是在 20 世纪 70 年代由美国 西屋电气公司（ Westinghouse Electric Corporation） 开发和商业应用的，其制备工艺为：通过挤压成型 方法制备多孔的氧化钙稳定的氧化锆支撑管，在 支撑管上制备阳极、电解质薄膜和阴极，并高温烧 结成型. 但是由于支撑体支撑管式 SOFC 内阻大， 输出功率偏低，而在 80 年代之后管状 SOFC 的主 要研究方向转变为阴极支撑或阳极支撑，其中大 直径管状 SOFC（>15 mm）多采用阴极支撑结构，该 结构的 SOFC 与支撑体支撑的 SOFC 结构相比更 为简单，制备工艺更易批量化生产，不仅降低了内 阻和成本，还明显的提高了单管的输出功率；与阳 极支撑结构相比可采用廉价的镍作为连接体材 料. 小功率微管 SOFC（<5 mm）技术多采用阳极支 撑结构，其与电解质支撑结构相比降低了工作温 度及内阻，并且可以采用低成本、批量化的制备工 艺；其与阴极支撑结构相比具有更低的极化阻抗， 但其缺点是阳极和电解质共烧易造成阳极孔隙率 的降低. 刘少名等： 欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状 · 279 ·
280 工程科学学报，第42卷，第3期 由于传统管式SOFC不存在高温密封难题，且 电池阴阳极接触面积的增大也增大了集流面积； 具有良好的长期稳定性而一直受到研究人员的青 阳极气体通道间的脊缩短了电流传输路径：降低 睐，但是其结构原因导致长的电流路径而使输出 了空气电极厚度以降低阴极极化阻抗，这种结构 功率偏低，因此在管式SOFC基础上进行几何形状 使得扁管式SOFC具有比管式更高的功率密度 设计以提高输出功率密度成为主要的研究方向， 但是目前扁管式制备工艺复杂、成品率低，连接体 在传统管式SOFC基础上发展的主要形状包括：扁 材料的选择仍是需要解决的关键问题， 管式、瓦楞式、锥管式、蜂巢式和微管式等 (2)瓦楞式SOFC.为了进一步降低电堆成本， (I)扁管式SOFC.扁管式SOFC是由美国西 美国西门子-西屋电气公司在扁管式SOFC的基础 门子-西屋电气公司在其管式SOFC的基础上开发 上开发新一代的高功率密度(HPD)电池，其形状 的新一代的电池结构，其目的是提高其输出的功 为瓦楞形设计，在相同长度上活性面积增加 率密度.扁管式设计吸收了板式和管式设计的优 40%以上.此外，这种波浪形的结构设计使得电堆 点，如图1所示，致密的连接体薄膜用来分隔燃 的结构更紧凑阿但是也正是由于结构的复杂性导 料气和空气，并起到电池间串联的作用；连接体和 致制备工艺困难、成本较高 (a) Interconnection (b) Ni contact Interconnection Air electrode Air electrode Ni contact Electrolyte Electrolyte Fuel electrod Fuel electrode 图1SOFC电流传输路径).(a)传统管式结构：(b)扁管式结构 Fig.I Schematic of SOFC current transmission paths:(a)traditional tubular construction;(b)flat-tubular construction (3)锥管式SOFC.为了使SOFC能够应用于 便携式设备，减小电池半径可以增加体积功率密 度锥管式SOFC采用了英国劳斯莱斯(Rolls-- The first The second Royce)公司分段串联结构(Segmented-in-series)的 section section The third section 设计理念，通过将一个锥体与另一个锥体相结合 Fuel gas Fuel gas Fuel gas 形成管状自支撑结构（如图2所示），同时连接体 起密封和集电的作用.这样的设计可以提供一个 灵活的电堆结构，在较小的尺寸下可以获得更高 1-Anode support;2-Electrolyte membrane;3-Cathode layer; 4-Interconnect,5-Edge of the bigger open end of anode support; 的功率，同时具有高的抗热震性能，但其结构设计 6-Edge of the smaller open end of anode support 复杂和连接体加工困难是需要解决的问题.目前， 图2锥管式SOFC结构示意图 应用于锥管式SOFC的制备工艺有注浆成型、浸 Fig.2 Schematic of cone-shaped SOFCH 渍涂敷、注射成型及凝胶注模等方式 (4)蜂巢式SOFC,除了扁管和锥管式SOFC之 中存在漏气现象使得电池性能较差.随后的研究 外，蜂巢式SOFC是另一种既具有管式又具有板式 重点改为电极支撑机构，图39为蜂巢式电堆示意 优点的SOFC设计方式，这种设计方式具有很好 图及实物图，该结构为阳极支撑结构，燃料由内部 的模块式结构和机械强度，所以在体积功率密度 通道流入，单通道的功率密度在700℃时可达到 和耐久性上具有优势，但其连接体和电引线是设 0.5W-cm2 计中需解决的主要问题.蜂巢式SOFC首先是在 (5)微管式SOFC,微管式SOFC是在管式SOFC 1992年由ABB公司的Wetzko等发明的圆，由于其 的基础上发展起来的，由于其管径较小（小于2mm) 结构为电解质支撑具有高的欧姆阻抗，且电解质 所以称为微管式SOFC,如图4(a)和(b)所示正
由于传统管式 SOFC 不存在高温密封难题，且 具有良好的长期稳定性而一直受到研究人员的青 睐，但是其结构原因导致长的电流路径而使输出 功率偏低，因此在管式 SOFC 基础上进行几何形状 设计以提高输出功率密度成为主要的研究方向， 在传统管式 SOFC 基础上发展的主要形状包括：扁 管式、瓦楞式、锥管式、蜂巢式和微管式等. （1）扁管式 SOFC. 扁管式 SOFC 是由美国西 门子‒西屋电气公司在其管式 SOFC 的基础上开发 的新一代的电池结构，其目的是提高其输出的功 率密度[4] . 扁管式设计吸收了板式和管式设计的优 点，如图 1 所示[5] ，致密的连接体薄膜用来分隔燃 料气和空气，并起到电池间串联的作用；连接体和 电池阴阳极接触面积的增大也增大了集流面积； 阳极气体通道间的脊缩短了电流传输路径；降低 了空气电极厚度以降低阴极极化阻抗，这种结构 使得扁管式 SOFC 具有比管式更高的功率密度. 但是目前扁管式制备工艺复杂、成品率低，连接体 材料的选择仍是需要解决的关键问题. （2）瓦楞式 SOFC. 为了进一步降低电堆成本， 美国西门子‒西屋电气公司在扁管式 SOFC 的基础 上开发新一代的高功率密度（HPD）电池，其形状 为 瓦 楞 形 设 计 ， 在 相 同 长 度 上 活 性 面 积 增 加 40% 以上. 此外，这种波浪形的结构设计使得电堆 的结构更紧凑[5] . 但是也正是由于结构的复杂性导 致制备工艺困难、成本较高. （3）锥管式 SOFC. 为了使 SOFC 能够应用于 便携式设备，减小电池半径可以增加体积功率密 度[6] . 锥管式 SOFC 采用了英国劳斯莱斯（Rolls– Royce）公司分段串联结构（Segmented-in-series）的 设计理念，通过将一个锥体与另一个锥体相结合 形成管状自支撑结构（如图 2 所示[7] ），同时连接体 起密封和集电的作用. 这样的设计可以提供一个 灵活的电堆结构，在较小的尺寸下可以获得更高 的功率，同时具有高的抗热震性能，但其结构设计 复杂和连接体加工困难是需要解决的问题. 目前， 应用于锥管式 SOFC 的制备工艺有注浆成型、浸 渍涂敷、注射成型及凝胶注模等方式. （4）蜂巢式 SOFC，除了扁管和锥管式 SOFC 之 外，蜂巢式 SOFC 是另一种既具有管式又具有板式 优点的 SOFC 设计方式. 这种设计方式具有很好 的模块式结构和机械强度，所以在体积功率密度 和耐久性上具有优势，但其连接体和电引线是设 计中需解决的主要问题. 蜂巢式 SOFC 首先是在 1992 年由 ABB 公司的 Wetzko 等发明的[8] ，由于其 结构为电解质支撑具有高的欧姆阻抗，且电解质 中存在漏气现象使得电池性能较差. 随后的研究 重点改为电极支撑机构，图 3 [9] 为蜂巢式电堆示意 图及实物图，该结构为阳极支撑结构，燃料由内部 通道流入，单通道的功率密度在 700 ℃ 时可达到 0.5 W·cm−2 . （5）微管式 SOFC，微管式 SOFC 是在管式 SOFC 的基础上发展起来的，由于其管径较小（小于 2 mm） 所以称为微管式 SOFC，如图 4（a）和（b）所示[5] . 正 (a) (b) Air electrode Electrolyte Fuel electrode Interconnection Ni contact Interconnection Air electrode Ni contact Electrolyte Fuel electrode 图 1 SOFC 电流传输路径[5] . （a）传统管式结构；（b）扁管式结构 Fig.1 Schematic of SOFC current transmission path[5] : (a) traditional tubular construction; (b) flat-tubular construction The first section Fuel gas Fuel gas Fuel gas The second section The third section 6 1 2 4 3 5 1―Anode support; 2―Electrolyte membrane; 3―Cathode layer; 4―Interconnect; 5―Edge of the bigger open end of anode support; 6―Edge of the smaller open end of anode support 图 2 锥管式 SOFC 结构示意图[7] Fig.2 Schematic of cone-shaped SOFC[7] · 280 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期
刘少名等：欧洲固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状 281· (a) Honeycomb single cells (b) 10 mm Metallic interconnect SeSZ layer -10 mm Fuel Current collection Glass sealing layer layer for anode 图3蜂巢式SOFC示意图及实物图例(a)阴极支撑蜂巢式电堆SOFC示意图：(b)2节蜂巢式SOFC电堆实物图 Fig.3 Schematic diagram and real honeycomb SOFC product:(a)cathode-supported honeycomb SOFC;(b)a photo of a two-unit honeycomb SOFC stack (a) Outer cathode layer 6 Cathode current Anode supported Thick electrolyte support tube collection wire Electrolyte. supported Inner anode layer 5 mm Anode current collector .Anode current Cathode current Outer cathode layer Electrolyte layer collection wire collection wire Thick anode support tube (c) (d) 16 MD/A 3 0.2Wcm-2 1.4 2 1.0 0.8 1 0.6 a0 0.4 0.2 0 0.1020.30.4 Diameter/cm 050100150200250300350 Time/min 图4微管式SOFC结构图及性能曲线so-四(a)电解质支撑微管式SOFC结构示意图：(b)阳极支撑蜂微管式SOFC结构示意图：(c)管径与输出 功率关系曲线：(d)微管式SOFC热循环性能 Fig.4 Schematic diagrams and performance curve of microtubular SOFC(a)schematic diagram of electrolyte-supported microtubular SOFC;(b) schematic diagram of anode-supported microtubular SOFC;(c)influence of pipe diameter on output power;(d)thermal cycling results for microtubular SOFC 是由于管径尺寸的变化使得微管式SOFC性能有 式和瓦楞式的成品率：解决锥管式、蜂巢式及微管 两方面的提高，一是功率密度，由于功率与管径成 式的集电问题 反比使得微管式SOFC具有相对高的功率密度o: 1.2平板式S0FC 另一方面是抗热震性能，微管式SOFC可以在不 平板式SOFC设计是另一种广泛使用的SOFC 到1min的时间内加热到800℃，并且不发生损坏 设计方式，平板式SOFC电池堆结构与质子交换膜 现象-I四.但是正是由于微管式SOFC的管径尺寸 燃料电池电堆结构类似，这种具有双极的或平板 小使得集电困难，因此微管式SOFC尤其适合于小 的结构可以使电池间形成简单有效的电串联 功率的便携式产品 这种双极的平板式设计与管式SOFC相比具有两 由于管式SOFC具有良好的高温密封性能、 方面的优点，一是平板式设计具有更短的电流路 热循环性能及快速启停性能而一直受到业界的重 径和更低的欧姆极化阻抗，从而具有更高的电性 视.目前做管式SOFC的公司主要集中在美国和 能和输出功率密度；另一方面是平板式设计更容 日本，其他国家包括韩国、英国、西班牙等，表1 易采用低成本、批量化的制备工艺，如丝网印刷和 中列出了管式SOFC的主要制造厂商.总体来说， 流延成型等.平板式SOFC的主要缺点是高温密 目前管状SOFC的研发目标是降低电堆的制造成 封困难、热循环性能及长期可靠性差.总体而言， 本和提升输出功率密度，在现有各种管式SOFC基 由于平板式SOFC具有更低的制造成本和更高的 础上，简化扁管式和瓦楞式的制备工艺，提升扁管 输出功率密度，使得平板式SOFC更容易达到商业
是由于管径尺寸的变化使得微管式 SOFC 性能有 两方面的提高，一是功率密度，由于功率与管径成 反比使得微管式 SOFC 具有相对高的功率密度[10] ； 另一方面是抗热震性能，微管式 SOFC 可以在不 到 1 min 的时间内加热到 800 ℃，并且不发生损坏 现象[11−12] . 但是正是由于微管式 SOFC 的管径尺寸 小使得集电困难，因此微管式 SOFC 尤其适合于小 功率的便携式产品. 由于管式 SOFC 具有良好的高温密封性能、 热循环性能及快速启停性能而一直受到业界的重 视. 目前做管式 SOFC 的公司主要集中在美国和 日本，其他国家包括韩国、英国、西班牙等，表 1 中列出了管式 SOFC 的主要制造厂商. 总体来说， 目前管状 SOFC 的研发目标是降低电堆的制造成 本和提升输出功率密度，在现有各种管式 SOFC 基 础上，简化扁管式和瓦楞式的制备工艺，提升扁管 式和瓦楞式的成品率；解决锥管式、蜂巢式及微管 式的集电问题. 1.2 平板式 SOFC 平板式 SOFC 设计是另一种广泛使用的 SOFC 设计方式，平板式 SOFC 电池堆结构与质子交换膜 燃料电池电堆结构类似，这种具有双极的或平板 的结构可以使电池间形成简单有效的电串联[14] . 这种双极的平板式设计与管式 SOFC 相比具有两 方面的优点，一是平板式设计具有更短的电流路 径和更低的欧姆极化阻抗，从而具有更高的电性 能和输出功率密度；另一方面是平板式设计更容 易采用低成本、批量化的制备工艺，如丝网印刷和 流延成型等. 平板式 SOFC 的主要缺点是高温密 封困难、热循环性能及长期可靠性差. 总体而言， 由于平板式 SOFC 具有更低的制造成本和更高的 输出功率密度，使得平板式 SOFC 更容易达到商业 (a) Air (b) Fuel Fuel Metallic interconnect ScSZ layer Anode layer Honeycomb single cell LSM LSM LSM 5 mm 10 mm 10 mm 10 mm Honeycomb single cells Current collection layer for anode Glass sealing layer Metallic interconnect 图 3 蜂巢式 SOFC 示意图及实物图[9] . （a）阴极支撑蜂巢式电堆 SOFC 示意图；（b）2 节蜂巢式 SOFC 电堆实物图 Fig.3 Schematic diagram and real honeycomb SOFC product[9] : (a) cathode-supported honeycomb SOFC; (b) a photo of a two-unit honeycomb SOFC stack Electrolytesupported Outer cathode layer Thick electrolyte support tube Inner anode layer Cathode current collection wire Anode supported Anode current collector Outer cathode layer Electrolyte layer Thick anode support tube Anode current collection wire Cathode current collection wire 1−5 mm 0.2 W·cm−2 3 2 1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Diameter/cm 0 50 100 150 200 250 300 350 Time/min 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Power density/(kW·L 0 −1 ) Current/A (a) (b) (c) (d) 图 4 微管式 SOFC 结构图及性能曲线[5, 10-12] . （a）电解质支撑微管式 SOFC 结构示意图；（b）阳极支撑蜂微管式 SOFC 结构示意图；（c）管径与输出 功率关系曲线；（d）微管式 SOFC 热循环性能 Fig.4 Schematic diagrams and performance curve of microtubular SOFC[5, 10-12] : (a) schematic diagram of electrolyte-supported microtubular SOFC; (b) schematic diagram of anode-supported microtubular SOFC; (c) influence of pipe diameter on output power; (d) thermal cycling results for microtubular SOFC 刘少名等： 欧洲固体氧化物燃料电池（SOFC）产业化现状 · 281 ·
282 工程科学学报，第42卷，第3期 表1管式SOFC的主要制造厂商) 化需求，因此平板式SOFC成为国际上SOFC研究 Table 1 Major manufacturers of tubular SOFC 的热点和主流.SOFC按支撑结构不同可分为外部 Country Company/Institution Concept Power 支撑和自支撑两种结构.外部支撑一般是将薄电 achieved/kW 池组件制备到提供支撑强度的金属连接体或者多 Tubular 220 孔基板上；自支撑结构一般是采用电解质或电极 Siemens-Westinghouse Flatten-tubular 3.3 作为支撑层.目前，平板式SOFC的主要支撑结构 USA Delta 0.00041 为电解质支撑、阳极支撑及金属连接体支撑（如 Acumentrics Micro-tubular 0.25-10 表2所示s-1),国际具有领先水平的平板式SOFC Ultra Electronics AMI Micro-tubular 0.2-0.3 生产厂家如表3s,17-27所示 Mitsubishi Heavy Tubular 250 (i)电解质支撑结构.早期的平板式SOFC大 Industries,MHI Segmented in series flatten-tubular 2 多数为电解质支撑结构，其所需的电解质层厚度 Segmented in series Kyocera 通常大于100~200um,电极厚度约为50m,为了 Japan flatten-tubular 降低电阻增大电导率，工作温度一般为850~ Osaka Gas Flatten-tubular 0.7 1000℃2其优点是机械性能高、输出性能稳定、 Tokyo Gas Segmented in series flatten-tubular 制备工艺简单且成本低.目前，主要应用电解质支 TOTO Micro-tubular 3.2 撑结构的SOFC公司包括：美国布鲁姆能源公司 UK Adelan Micro-tubular 0.2 (Bloom energy)已推出100、200、250及300kW的 表2平板式SOFC支撑结构、特点及部分厂家1 Table 2 Supported structures,features,and manufacturers of planar SOFCs Supported structures Illustration Features Manufacturers Cathode High operating temperatures required for sufficient oxygen ion conductivity;Relatively strong structural Electrolyte-supported Electrolyte support,Less susceptible to failure due to anode re- HEXIS,Bloom Energy,Sunfire oxidation;Higher resistance due to low electrolyte conductivity Anode Cathode Lower operating temperature (<800 C)via Electrolyte use of thin electrolytes;Highly conductive anode; Fuel Cell Energy (Versa Power),Delphi, Anode-supported Mass transport limitation due to thick anodes, Ceramic Fuel Cells,POSCO Energy Anode Potential anode re-oxidation Cathode Electrolyte Lower operating temperature (<600 C);Stronger Metal interconnect- Anode structures from metallic interconnects;Interconnect Ceres Power,Plansee, supported oxidation;Flowfield design limitation due to cell support Topsoe Fuel Cell Metal requirement 发电系统(htps:www.bloomenergy.com/resources), 是厚的阳极可能会引起传质限制，并且存在氧化 日本关西电力公司(Kansai Electric Power)推出的 还原气氛下易破裂的问题.目前，主要推进阳极支 1~I0kW的发电系统P,德国的Sunfire公司推出 撑SOFC研发公司包括：美国的Delphi公司开发 400 W~20 kW(https://www.sunfire.de/en/products- 3~5kW电池堆以及发电系统，通用GE公司开发 and-technology). 的5.4kW电堆，FuelCell Energy开发的60kW电堆 (ii)阳极支撑结构.阳极支撑平板式SOFC采 模块B0,丹麦的Topsoe Fuel Cell公司开发的1kW 用薄膜电解质，其电阻小输出功率高，工作温度低 电堆模块B,芬兰的Convion(Wartsila)开发的20~ (600~800℃)，可采用廉价的连接体材料，是目前 50kW发电系统四 广泛采用的电池结构.阳极层的厚度通常为 ()金属支撑结构.为了降低工作温度、增大 0.5~1mm,电解质层厚度通常为3~15m29但 输出功率密度、减小传质阻力、提高热循环和抗
化需求，因此平板式 SOFC 成为国际上 SOFC 研究 的热点和主流. SOFC 按支撑结构不同可分为外部 支撑和自支撑两种结构. 外部支撑一般是将薄电 池组件制备到提供支撑强度的金属连接体或者多 孔基板上；自支撑结构一般是采用电解质或电极 作为支撑层. 目前，平板式 SOFC 的主要支撑结构 为电解质支撑、阳极支撑及金属连接体支撑（如 表 2 所示[15−16] ），国际具有领先水平的平板式 SOFC 生产厂家如表 3 [15,17−27] 所示. （i）电解质支撑结构. 早期的平板式 SOFC 大 多数为电解质支撑结构，其所需的电解质层厚度 通常大于 100～200 μm，电极厚度约为 50 μm，为了 降低电阻增大电导率 ，工作温度一般 为 850～ 1000 ℃[28] . 其优点是机械性能高、输出性能稳定、 制备工艺简单且成本低. 目前，主要应用电解质支 撑结构的 SOFC 公司包括：美国布鲁姆能源公司 （Bloom energy）已推出 100、200、250 及 300 kW 的 发电系统（https://www.bloomenergy.com/resources） ， 日本关西电力公司 (Kansai Electric Power) 推出的 1 ～10 kW 的发电系统[26] ，德国的 Sunfire 公司推出 的 400 W～20 kW（https://www.sunfire.de/en/productsand-technology）. （ii）阳极支撑结构. 阳极支撑平板式 SOFC 采 用薄膜电解质，其电阻小输出功率高，工作温度低 （600～800 ℃），可采用廉价的连接体材料，是目前 广泛采用的电池结构 . 阳极层的厚度通常为 0.5～1 mm，电解质层厚度通常为 3～15 μm[29] . 但 是厚的阳极可能会引起传质限制，并且存在氧化 还原气氛下易破裂的问题. 目前，主要推进阳极支 撑 SOFC 研发公司包括：美国的 Delphi 公司开发 3～5 kW 电池堆以及发电系统，通用 GE 公司开发 的 5.4 kW 电堆，FuelCell Energy 开发的 60 kW 电堆 模块[30] ，丹麦的 Topsoe Fuel Cell 公司开发的 1 kW 电堆模块[31] ，芬兰的 Convion（Wärtsilä）开发的 20～ 50 kW 发电系统[32] . （iii）金属支撑结构. 为了降低工作温度、增大 输出功率密度、减小传质阻力、提高热循环和抗 表 1 管式 SOFC 的主要制造厂商[13] Table 1 Major manufacturers of tubular SOFC[13] Country Company/Institution Concept Power achieved/kW USA Siemens-Westinghouse Tubular 220 Flatten-tubular 3.3 Delta 0.00041 Acumentrics Micro-tubular 0.25–10 Ultra Electronics AMI Micro-tubular 0.2–0.3 Japan Mitsubishi Heavy Industries, MHI Tubular 250 Segmented in series flatten-tubular 21 Kyocera Segmented in series flatten-tubular 3 Osaka Gas Flatten-tubular 0.7 Tokyo Gas Segmented in series flatten-tubular 3 TOTO Micro-tubular 3.2 UK Adelan Micro-tubular 0.2 表 2 平板式 SOFC 支撑结构、特点及部分厂家[15-16] Table 2 Supported structures, features, and manufacturers of planar SOFCs[15-16] Supported structures Illustration Features Manufacturers Electrolyte-supported Cathode Electrolyte Anode High operating temperatures required for sufficient oxygen ion conductivity; Relatively strong structural support; Less susceptible to failure due to anode reoxidation; Higher resistance due to low electrolyte conductivity HEXIS, Bloom Energy, Sunfire Anode-supported Cathode Electrolyte Anode Lower operating temperature (<800 ℃) via use of thin electrolytes; Highly conductive anode; Mass transport limitation due to thick anodes; Potential anode re-oxidation Fuel Cell Energy (Versa Power), Delphi, Ceramic Fuel Cells, POSCO Energy Metal interconnectsupported Cathode Electrolyte Anode Metal Lower operating temperature (<600 ℃); Stronger structures from metallic interconnects; Interconnect oxidation; Flowfield design limitation due to cell support requirement Ceres Power, Plansee, Topsoe Fuel Cell · 282 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期