風(fēng)力發(fā)電沒有條件，太陽能電池效率太低，燃油發(fā)電機(jī)太不環(huán)保……如果這些能源都無法滿足你的需求，固體氧化物燃料電池(SOFC)或許是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室日前開發(fā)出一種高效率的小規(guī)模固體氧化物燃料電池，能源轉(zhuǎn)化效率可達(dá)57%，其試驗(yàn)系統(tǒng)可產(chǎn)生2千瓦的電力，非常適合家庭使用。加之其高效環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，有望讓每家都擁有一個(gè)“發(fā)電站”成為現(xiàn)實(shí)。
什么是SOFC
在了解固體氧化物燃料電池之前，我們需要先知道什么是燃料電池。從外觀上看起來，燃料電池就像是一個(gè)蓄電池，有陰極、陽極也有電解質(zhì)。但它們最大的不同之處在于，蓄電池是一個(gè)儲(chǔ)電裝置，燃料電池是一個(gè)發(fā)電裝置，它能夠讓具有可燃性的燃料與氧反應(yīng)產(chǎn)生電。因此只要有持續(xù)的燃料供應(yīng)，燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電力。
燃料電池最大的優(yōu)勢(shì)是高效和環(huán)境友好。目前普通燃油發(fā)電機(jī)只能把18%的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，如果是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，其最終轉(zhuǎn)化率還不足15%。相比之下，不少燃料電池都可以實(shí)現(xiàn)30%到50%的轉(zhuǎn)化率。高效率意味著燃料電池能夠在消耗更少燃料、產(chǎn)生更少污染的情況下，產(chǎn)生與傳統(tǒng)發(fā)電廠相同的電量。
固體氧化物燃料電池是新一代燃料電池，能夠在高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。無論是氧氣、沼氣、氫氣還是柴油、汽油，都可以作為其發(fā)電的燃料。與其他燃料電池相比，固體氧化物燃料電池還具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點(diǎn)。
著眼于小放眼于大
固體氧化物燃料電池是一種很有前途的技術(shù)，能夠提供清潔高效的能源。到目前為止，大多數(shù)人都將注意力集中在能產(chǎn)生1兆瓦或更多電力的、可取代傳統(tǒng)發(fā)電站的較大系統(tǒng)的研究上，以期產(chǎn)生突破性的成果。為何西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家非要?jiǎng)ψ咂h，將注意力集中在小系統(tǒng)的研發(fā)上呢？
該實(shí)驗(yàn)室固體氧化物燃料電池項(xiàng)目首席工程師文森特·斯普瑞克解釋說：“因?yàn)樾∠到y(tǒng)也有優(yōu)勢(shì)，有時(shí)候甚至還能勝過大系統(tǒng)。”家庭和社區(qū)用戶就是這樣一個(gè)實(shí)例：如果安置大型系統(tǒng)，其產(chǎn)生的電力將超過附近地區(qū)的耗電量，如此一來就必須通過輸電線路將其輸送到其他地方。而這一過程必然會(huì)造成一些電力的損耗。另一方面，小系統(tǒng)更加輕便靈活，安裝位置可以更靠近用戶，輸送成本和損耗會(huì)更低，如果需要的話還能將其集成起來形成更大的系統(tǒng)。
為此，科學(xué)家們提出了一個(gè)設(shè)想，這個(gè)小型發(fā)電系統(tǒng)既要在效率上超過50%，又要在需要時(shí)能夠輕松擴(kuò)展進(jìn)行分布式發(fā)電。
兩項(xiàng)創(chuàng)新解難題
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，讓小型系統(tǒng)產(chǎn)生接近甚至高于大型系統(tǒng)的效率，研究人員采用了兩項(xiàng)名為微通道和燃料循環(huán)的工藝。
固體氧化物燃料電池由陶瓷材料制成，分為正極、負(fù)極和電解液三個(gè)層次。工作時(shí)，經(jīng)過壓縮的空氣預(yù)熱后首先被泵入作為負(fù)極的外層，空氣中的氧氣會(huì)變成帶負(fù)電荷的超氧陰離子。而后負(fù)極和內(nèi)部的電解質(zhì)層相接，氧離子穿過電解液達(dá)到正極層，在那里氧離子與燃料發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電及副產(chǎn)品蒸汽和二氧化碳。
但此前的方法是讓蒸汽直接暴露于燃料電池之中，這會(huì)導(dǎo)致燃料電池中的陶瓷層受熱不均甚至損壞。新研究中，科學(xué)家們采用了一種微通道技術(shù)，讓蒸汽從外部完成和燃料電池的初步反應(yīng)，不但減少了電池的損壞，還增加了反應(yīng)的表面積，提高了反應(yīng)效率。通過該技術(shù)，反應(yīng)過程中的余熱和廢氣也能重新得到利用，又進(jìn)一步減少了燃料的消耗。
實(shí)驗(yàn)顯示，經(jīng)過優(yōu)化后的系統(tǒng)在2.2千瓦時(shí)、1.7千瓦時(shí)的效率分別可以達(dá)到48.2%和56.6%。研究小組預(yù)計(jì)，只需再進(jìn)行幾個(gè)小的調(diào)整，他們還能將系統(tǒng)效能提高到60%。這不但高于內(nèi)燃機(jī)15%的效率，也遠(yuǎn)高于同等體積的其他燃料電池30%到50%的效率。他們制造的單個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)已能產(chǎn)生2千瓦的電力，這與一個(gè)典型的美國(guó)家庭的耗電量大體相當(dāng)。經(jīng)過擴(kuò)展后，該系統(tǒng)還能升級(jí)到100千瓦至250千瓦之間，能夠滿足50個(gè)至100個(gè)美國(guó)家庭的用電需求。
斯普瑞克對(duì)這一結(jié)果十分滿意。他說：“雖然這種小型固體氧化物燃料電池成本較高，目前還無法大規(guī)模推廣，但這項(xiàng)工作向人們證實(shí)了這種技術(shù)的可行性，說明在增加發(fā)電量的同時(shí)減少二氧化碳排放并不是癡心妄想。”他希望這項(xiàng)技術(shù)能盡快在單個(gè)家庭或公司獲得應(yīng)用。
相關(guān)論文發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《電源》上。
