1995-2019年DOE固体氧化物燃料电池计划进展报告

氢能首席观察按：自1995年以来，DOE已累计资助7.5亿美元开展SOFC研发计划。从所有关键技术领域的46个项目来看，实现可持续的SOFC目标已取得积极进展，但研发和示范项目尚未达到可以激励业界在没有联邦政府支持情况下自主发展的临界点，需要继续予以支持。

自1995年SOFC计划开展以来，DOE已累计资助7.5亿美元，设定目标的每个技术领域都取得了进展，并最终形成了两个商业规模的系统。在该计划的指导和资助下，国家实验室已经建立了一个技术基础平台，将各种SOFC组件和工艺的技术成熟度推进到TRL6级高度。DOE认为有必要继续提供联邦资金以鼓励私营部门推动SOFC的发展，尽快提升商业化及业界的竞争力。

截至2018年，全球已安装超过800MW（额定功率超过200KW）的大型固定式燃料电池系统用于分布式发电和热电联产应用。目前，大型燃料电池全球部署装机总量的95%分布在美国和韩国。在美国，主要集中在加利福尼亚州和康涅狄格州。

SOFC的继续发展面临两大挑战：一方面，现有的规模化发电技术及其相对成本的下降，使得SOFC技术进步在商业上的吸引力似乎没有预期的那么大。另一方面是来自国会和不同主管部门对于不同燃料来源存在分歧，这可能产生与长期研究投资相关的风险。

1.目标

固体氧化物燃料电池（SOFC）计划是初衷是为第二代天然气燃料SOFC分布式发电（DG）系统、模块化燃煤系统以及具有CCS的煤或天然气系统开发高效、低成本电力。

具体研发和示范目标：

Efficiency≥60％

Proven lifetime≥40,000小时

Degradation rate

Stack cost≤225美元/千瓦

System cost≤900美元/千瓦

2.关键技术领域

电池开发：SOFC的组件—阳极，阴极和电解质是该关键技术的研究重点。固体氧化物燃料电池的电化学性能，耐久性和可靠性是确定SOFC电力系统技术和经济可行性的关键决定因素。

核心技术：核心技术项目侧重于互连和密封，识别和减轻与电堆相关的老化，开发计算工具和模型，以及进行实验室规模的测试，以提高可靠性，稳定性，耐用性和成本可及性。

系统开发：项目参与者独立开发独特的SOGC技术，适用于合成气或天然气燃料应用，并负责燃料电池的设计和制造，电池硬件开发的集成，制造工艺开发，技术的商业化和市场推进。

3.研究进展

SOFC计划在从早期研发和项目示范并行推进：1）早期研究和开发（R＆D），其中包括核心技术和部分电池开发；2）研发和示范（RD＆D），包括平衡电池和系统开发。许多SOFC项目都涉及不止一个关键技术领域。大学内部或国家实验室系统内的实验室通常执行单独的研发项目，商业实体仅执行RD＆D项目。由于研发和示范项目需要购买昂贵的设备和材料，通常比单纯研发更昂贵。

降低老化率是延长使用寿命的必然结果，尽管目标3已在部分项目上获得证实。所有项目均未同时满足第2点与第3点，但部分组件已通过测试。所有参与者均认为，这是使SOFC商业化并确保其与其他发电技术竞争的关键目标，同时认可这一目标是可以实现的。未来需要进行更多的研究和测试，以充分了解实现这一目标的技术障碍。

该计划中含有LG250KW系统和FuelCell Energy200KW系统两个商业示范。前者位于俄亥俄州，系统运行大约1,800小时，其中连续运行超过1,200小时，但因LG公司战略决策而终止。后者位于宾夕法尼亚州，通过了所有运行前测试，目前仍处于正常运行模式，该系统将持续运行以测试其SOFC系统的长期可操作性。

4.后续工作方向

需要找到合适的替代材料用于高温操作和延长使用寿命。应继续通过SOFC计划支持小规模设备的商业化，同时支持开发1兆瓦或更高级别的系统。该计划正处于早期阶段，使用SOFC通过与气化器耦合来捕获煤中可获得的丰富能量。北达科他州立大学能源与环境研究中心进行了广泛的煤气化研究，并与DOE达成协议，扩大测试中心，以研究合成气在其测试气化作用下的SOFC性能。这项工作于2019年1月开始。

5.项目教训

公共和私营部门都可以在SOFC开发方面共同努力。公共部门获得了一种经济有效的方法来履行其使命，帮助国家发展清洁和负担得起的能源。私营部门获得资助和学术研究，以激励市场进入。但随着技术逐步成熟并朝商业化方向发展，参与者变得不太愿意共享系统开发和运营信息，而这正是市场快速发展所需要的。

（备注：文中信息及图片来自DOE EXEC-2019-002655_Signed Report 1）

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