固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell ，SOFC）是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，以其能量转换率高、排放低、噪声低和燃料灵活性等优点，在军事装备以及大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，具有广阔的应用前景。

      “能源与化工装备制造与安全保障”创新团队长期从事 SOFC 先进制造、设计理论与寿命预测研究工作，在碳氢燃料重整制氢、SOFC 电极材料开发、单电池制备及性能评价、电堆及系统集成等方面开展了系统性研究。建立了温度-电化学-流动耦合应力计算模型，开展了SOFC电堆及关键装备多场耦合作用下的蠕变疲劳强度计算及寿命预测方法研究，为高可靠性长寿命电堆研发及系统集成提供了理论基础；在 SOFC 系统核心装备制造技术方面，研发了高效抗积碳纳米纤维催化剂，优化了阳极支撑型电池制备技术；设计方法已应用于 SOFC电堆的设计与制造，拥有完全 自主知识产权的第一代中高温 SOFC电堆，最大发电功率可达 2.5kW，并成功进行中试量产，先后研制 SOFC 燃料电池系统样机数十台套，涵盖超级充电站、移动式电源等应用背景。

       技术特点及技术指标：

       建立了 SOFC 多场耦合蠕变疲劳寿命预测模型，实现了对多层平板式 SOFC电堆温度-应力-损伤数值预测，澄清了影响 SOFC电堆蠕变疲劳寿命的关键结构及工艺参数，建立电堆完整性优化设计方法，当前预期寿命达 60000h，预期冷热循环启动次数≥50 次。

       阐明电化学和循环稳定性能与电极结构的构效关系，开发了新型高性能阴极材料 LSTF，利用改进的相转化及流延法制备了阳极支撑体单电池，单体电池面积比电阻达 0.3 Ω·cm2@750℃,最大功率密度达到 0.82W/cm2，单电池冷热循环衰减率为 0.84%/次@20 次。达到国内技术的领先水平。

       优化了双极板和单电池生产工艺，设计了电堆柔性化、自动化的智能制造设备生产线，60 片电堆发电功率≥2kW@0.85V，电堆发电效率≥49%，完成10次冷热循环测试，功率衰减提升约10%，片均电压一致性达到±30mV@0.3A/cm2。

       在系统能流管控方面，遴选出了较优的系统流程结构，完成了系统气热电平衡管控技术方案优化，优化了系统布局及换热和重整模块，完成了 2kW 系统的设计、制造及装配，即将进行示范应用。进一步强化能量的梯级利用及提高系统效率，形成基于 SOFC 的小功率分布式热电联供系统的优化控制技术。系统发电效率≥55%，热电联供效率≥90%，具有较强的先进性。

       应用领域：

       在天然气重整、柴油重整制氢与 SOFC热电联供技术方面取得了系列成果，设计了电堆柔性化、自动化的智能制造设备生产线，形成了 SOFC 热电联供系统高可靠性制造、长寿命运行设计理论与关键技术，设计方法已应用于千瓦级 SOFC电堆制造与热电联供系统示范应用，并成功进行中试量产，已在无锡市锡山区建成天然气 SOFC超级充电示范站，产生了重大的经济和社会效益。

       社会与经济效益：SOFC的副产品是高质量的热和水蒸汽，综合能量利用效率可以达到 80%以上。SOFC可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气及生物质气等多种碳氢燃料，可推动可再生能源利用，优化能源结构和供给。SOFC与太阳能制氢相结合的能源生产方式，可有效替代石油资源，推动可持续发展。SOFC作为一个独立的发电系统，可以实现分布式供电，保障电网安全、作为建设坚强电网的重要补充。项目成果形成批量生产后可显著降低电堆生产和系统运行成本，经济效益良好。

       团队建立了 10kW的 SOFC热电联供系统是燃料电池分布式供能的典型应用规模，形成大批量生产后单台成本可降至 10-20 万元，可年发电 8 万 kWh，提供 20万 MJ的热能。据行业估算，燃料电池在分布式应用场景每年需求量约为 20-30 万台，可形成 100-600 亿元的产业规模，提供16亿 kWh的绿色电能和 40万 MJ热能。

       投入需求：

       一、产业化需要投入的资金

       需投入资金 2000万，用于建设单电池、双极板制造生产线。

       二、场地需求

       需要 SOFC 产业化生产线场地 1000m2 左右。

图 1 电堆寿命预测方法及结构优化

图 2 电堆长期稳定性及冷热循环测试

图 3 2KW热电联供系统样机：(a)正面,(b)侧面,(c)内部

       专利授权及申请情况：

        1、国家发明专利：电池堆综合性能评价多准则决策方法（授权）

        2、国家发明专利：一种多物理场耦合作用下 SOFC 数值模拟方法（授权）

        3、国家发明专利：一种 SOFC 阳极-电解质-阴极构件机械性能测试方法（公开）

        4、国家发明专利：可靠性和耐久性同步提升的 SOFC 热电联供系统（公开）

        5、国家发明专利：固体氧化物燃料电池电堆电化学性能的寿命预测方法（实 审）

        6、国家发明专利：SOFC 电堆结构损伤及电化学性能衰减的寿命预测方法（实 审）

        7、国家发明专利：SOFC 电堆运行寿命的冷热循环加速测试方法（实审）

        8、国家发明专利：固体氧化物燃料电池电堆耐久性的加速测试方法（实审）

        9、国家发明专利：固体氧化物燃料电池电堆蠕变寿命的预测方法（实审）

       10、软件著作权：固体氧化物燃料电池电堆综合性能评价系统（登记）

       成果受资助及获奖情况：

       国家重点研发计划项目，2021YFB4001500，千瓦级固体氧化物燃料电池发 电系统及高可靠性电堆关键技术，2022-2025

       技术成熟程度：☑形成样机、样品或软件  

       拟合作方式： ☑合作开发