一种可以使用天然气、丙烷或柴油的燃料电池动力装置，可能在几年内为工厂、计算机服务器机房甚至您的家庭提供现场电力。固体氧化物燃料电池（SOFC）也准备走向移动化，新型系统将为长途卡车提供辅助或“客舱”电力。它们还可以让太阳能无人 surveillance 无人机在空中停留数年之久。后者的“双向”燃料电池系统还可以电解水，将备用能源以氢气的形式储存起来，以补充间歇性的太阳能和风能。研究人员表示，随着时间的推移，SOFC可能会作为增程器出现——动力装置可以增强电池的电量，从而延长混合动力汽车的电动行驶里程。
资深燃料电池研究员、马里兰大学能源研究中心主任埃里克·瓦克斯曼说：“与任何其他将化学能转化为电能的装置相比，燃料电池，特别是固体氧化物或陶瓷燃料电池，无疑是最有效的。”他发表了研究报告，指出了低温 SOFC 的发展方向，该研究于 11 月 18 日发表在《科学》杂志上。这就是为什么 SOFC 可以被认为是绿色技术，即使它们使用碳氢燃料会释放二氧化碳。
长期以来，与更广为人知的氢燃料电池相比，SOFC 一直被视为次要选择。这是因为 SOFC 运行温度过高，不适合汽车使用。瓦克斯曼回忆说，在 20 世纪 90 年代中期，美国能源部 (DoE) 在选择未来绿色汽车的技术时，选择了 80 摄氏度的聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池，而不是 1000 摄氏度的 SOFC。但是，持续缺乏氢燃料分配系统意味着，“我们把鸡蛋放在了错误的篮子里，投入数十亿美元用于氢 PEM，而不是用于可以使用我们今天拥有的燃料的燃料电池，”瓦克斯曼说。
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然而，这种灵活燃料的优势使总部位于加利福尼亚州森尼维尔市的 Bloom Energy 公司能够销售约 120 台天然气燃料 SOFC，这是一种独立的供热和发电装置，可为当地的绿色环保的财富 500 强公司工厂和州立大学设施（特别是加利福尼亚州的补贴分布式发电示范项目）生产电力和热力。该公司甚至正在特拉华州建设一家新工厂，并将向当地公用事业公司 Delmarva Power 出售 30 兆瓦的 Bloom Box 燃料电池装置。不幸的是，Bloom Box 使用传统的陶瓷燃料电池设计，这种设计运营成本相对较高，Bloom 希望通过一项新的、低成本的电力租赁计划来解决这一竞争劣势。
高温发电箱
长期从事燃料电池研究的 Versa Power Systems 公司（位于科罗拉多州利特尔顿市）首席执行官鲍勃·斯托克斯说，SOFC 将燃料的化学能转化为电能，该公司是 SOFC 新兴开发商之一。一般来说，该系统由两个电极夹着一个固体氧化物或陶瓷膜（或电解质）组成。这种电化学装置通过氧化（即缓慢燃烧）燃料直接产生电力。
斯托克斯解释说：“与其他燃料电池通过膜传输带正电荷的[氢离子，或 H+]离子不同，固体氧化物型燃料电池使用陶瓷氧化物——负电荷的氧离子通过陶瓷氧化物。”您汽车中的氧传感器就是基于同样的氧化钇稳定氧化锆陶瓷。氧 (O–) 离子与燃料中的氢反应生成水、电和二氧化碳（如果燃料含有碳氢化合物）。
燃料灵活的 SOFC 不必使用氢气作为燃料；它们可以使用碳氢燃料，如天然气、丙烷或柴油，运行良好。系统可以使用预处理蒸汽重整器将含碳燃料分解为氢气和碳，或者使用自身的热量和设计在内部进行分解。
斯托克斯说，尽管 SOFC 的运行温度高于大多数其他常见的燃料电池类型，但它们可以将高达 60% 的燃料转化为可用电能。“这意味着它每产生单位可用能量所释放的二氧化碳量是传统发动机排放量的一半。”这种热量还允许 SOFC 在没有当前聚合物电解质膜系统所需的高成本铂基催化剂的情况下运行。
制造膜
部分由能源部项目资助的设计和制造创新正在降低这项技术的成本。较旧的 SOFC 设计使用电解质层作为结构支撑，但较厚的组件具有较高的电阻，这意味着需要更高的工作温度才能避免功率损耗，瓦克斯曼解释说。
工程师们通过使用电极支撑设计和薄而导电性更强的电解质，降低了工作温度，但制造致密、不透气电解质层的新技术可能会出现问题。“膜越薄，就越不稳定，”他说。开发人员通常通过用钪（一种过渡金属稀土，可以提高电导率，但成本很高）来补充陶瓷，从而在厚度和电导率之间进行权衡。
许多制造商采用了（或改进了）管状结构，这种结构使得组装相对容易，因此成本较低。此外，降低温度意味着可以在其他地方使用更便宜的钢材。
下一代产品
总部位于波士顿的 Lux Research 公司分析师布赖恩·沃谢表示，由于设计改进，这项技术的前景正在上升，他跟踪与电网相关的技术。“我们看到 SOFC 的主要应用是在天然气燃料固定式电源中，用于工业用户和那些需要连续的现场分布式电源的用户，如网络服务器机房——100 千瓦或更大的高可靠性基本负载电力系统，”他说。
家用供热和发电装置也可能变得更加普遍，这种 SOFC 的效率可以达到 85%。燃料电池不仅供电，还为房屋供暖和热水。沃谢指出，这些装置在美国以外特别受欢迎，“那里的能源消耗明显低于美国”，因为美国用户过大的电力需求通常会使亚洲和欧洲销售的第一批家用供热和发电模型的容量过载。
斯托克斯和其他行业观察家还预计，由模块化的 250 千瓦堆栈组成、规模更大的兆瓦级分布式发电装置将在两到三年内上市，他们最近看到通用电气和罗尔斯·罗伊斯等大型跨国公司与 SOFC 电池和堆栈制造商签署了供应协议。
还有卡车。德尔福工程师使用较新的电极支撑设计，开发了一种用于长途柴油卡车的 5 千瓦（最大）SOFC 辅助动力装置 (APU)。APU 可能会在明年问世，它将为停放的卡车提供“客舱负载电力”。
双向燃料电池
与此同时，固体氧化物燃料电池堆栈供应商 Versa 公司正在与波音公司和“一家大型欧洲公司”合作开发一种创新的可逆 SOFC，这种 SOFC 可以在供电和将水电解成氢气和氧气之间循环切换，斯托克斯说。这种双向系统可以将能量以氢气的形式储存起来，以支持间歇性的太阳能或风能装置，甚至支持 Solar Eagle，这是一种蜻蜓状的无人机，将执行多年的任务。
瓦克斯曼和他的研究同事还在《科学》杂志上发表了关于工作温度低至 350 摄氏度的 SOFC 的潜在发展路径的详细信息，这种新设计采用了高电导率电解质和特殊的纳米结构电极。
在 600 至 800 摄氏度的较低“中间”温度下工作的 SOFC 技术，是阿贡国家实验室和伊利诺伊大学芝加哥分校最近一个 50 万美元国家科学基金会项目的目标。Christos G. Takoudis 的跨学科团队计划使用独特的原子层沉积/化学气相沉积 (ALD/CVD) 混合反应器，该反应器可以铺设新型薄膜电池材料和结构，从而在设计上实现更低的运行温度。
但在该研究小组在三年后提交最终项目报告之前，第二代改进型陶瓷 SOFC 应该已经开始扩大Bloom Box 最初的成功，并在能源市场中占据和发展了一个小而关键的利基市场。