電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）隨著AI技術(shù)的發(fā)展，可預(yù)見的未來，包括新能源汽車、智能家居、機(jī)器人等產(chǎn)品，都會(huì)引入AI的參與，這刺激了AI數(shù)據(jù)中心需求的爆炸式增長(zhǎng)。但也帶來了一個(gè)巨大的問題，傳統(tǒng)電網(wǎng)的供電效率低，而AI數(shù)據(jù)中心耗電率高，導(dǎo)致能源供給反而成為產(chǎn)業(yè)躍遷的掣肘。

既然傳統(tǒng)的供電方案無法匹配AI算力高密度、高穩(wěn)定性的需求，自然要尋找市場(chǎng)中的新技術(shù)來滿足這個(gè)新需求。SOFC（固體氧化物燃料電池）技術(shù)特性不僅契合數(shù)據(jù)中心的能源剛需，發(fā)電效率與熱電聯(lián)供效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)技術(shù)，并且還沒有燃燒的電化學(xué)反應(yīng)模式，解決了污染排放問題，匹配數(shù)據(jù)中心綠色高效的發(fā)展方向。

歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)，SOFC即將商業(yè)化

SOFC是可以在極高溫度下工作的聚合物燃料電池，效率可以達(dá)到65%-80%，工作溫度可達(dá)650-1000℃左右，因此反應(yīng)活性極高。簡(jiǎn)單說SOFC是一種在中高溫下將各種燃料氣體的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)燃料電池。

而在整個(gè)轉(zhuǎn)化過程中，沒有燃燒，也沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的零件，安靜又干凈，發(fā)電效率還比很多傳統(tǒng)發(fā)電（40%左右）方式高。因?yàn)橛玫氖枪腆w材料（比如陶瓷）做電解質(zhì)和電極，所以叫固體氧化物燃料電池。

SOFC技術(shù)的發(fā)明比很多人想的都要早，1899年，來自德國(guó)的化學(xué)家Nernst發(fā)現(xiàn)由85%氧化鋯和15%氧化釔構(gòu)成的固態(tài)氧離子導(dǎo)體，開啟了SOFC研究的先河，驗(yàn)證了固體電解質(zhì)傳導(dǎo)氧離子的可行性。

不過直到1937年，瑞士科學(xué)家Baur與Preis才在Nernst研究基礎(chǔ)上，成功研制出首個(gè)可工作的SOFC，但受限于材料性能，電流密度僅達(dá)到1mA/cm2。

到了上世紀(jì)50年代，美國(guó)西屋電氣公司（Westinghouse）才開始正式展開對(duì)SOFC的商業(yè)化研究。1962年，西屋電氣首次在“套筒接頭”電堆中驗(yàn)證陰極支撐型管式SOFC設(shè)計(jì)，采用鈣摻雜二氧化鋯多孔支撐管，為后續(xù)SOFC的發(fā)展奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著1977年電化學(xué)氣相沉積（EVD）技術(shù)的發(fā)明，西屋公司利用該技術(shù)開發(fā)了0.4-200千瓦的發(fā)電系統(tǒng)，但EVD工藝成本高達(dá)每千瓦3000美元，且需在高溫（1000℃）下操作，商業(yè)化非常困難。并且，這個(gè)時(shí)期的SOFC的電解質(zhì)材料主要采用釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ），電極材料還在不斷探索中。

到20世紀(jì)90年代末和2000年代初，由于納米粉末制備技術(shù)的發(fā)展，電極材料的機(jī)械性能得到顯著提高，使得電極支撐型電池得以實(shí)現(xiàn)。1998年，西門子收購西屋后，開始用大氣等離子噴涂（APS）替代EVD工藝，降低成本。

2000年前后，包括歐洲、日本、澳大利亞齊推平板式，讓SOFC功率密度提升3-5倍，但這一技術(shù)仍然停留在示范階段。

2001年美國(guó)企業(yè)BloomEnergy成立，推出首代EnergyServer系統(tǒng)，效率達(dá)到60%，到了BloomEnergy第五代系統(tǒng)效率可達(dá)65%，結(jié)合余熱回收綜合效率超90%。

近幾年，美國(guó)加州部署500MWSOFC電站，韓國(guó)2021年裝機(jī)量達(dá)605MW。到了今年BloomEnergy宣布與甲骨文開展合作將為其在美國(guó)的部分?jǐn)?shù)據(jù)中心部署現(xiàn)場(chǎng)燃料電池系統(tǒng)，并承諾在90天內(nèi)為甲骨文的第一個(gè)數(shù)據(jù)中心供電。7月30日，BloomEnergy公布25Q2業(yè)績(jī)，二季度公司實(shí)現(xiàn)收入4億美元，同比大漲20%，毛利率達(dá)28.2%。

2024年以來，海外數(shù)據(jù)中心采用SOFC作為電源的案例逐漸增加，受到數(shù)據(jù)中心建設(shè)加速帶動(dòng)，市場(chǎng)預(yù)期SOFC需求也有望出現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)，相關(guān)公司業(yè)績(jī)有望快速釋放。

作為一種高效清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置，SOFC被國(guó)際多個(gè)國(guó)家與地區(qū)視為一種戰(zhàn)略儲(chǔ)備技術(shù)，并且在政策的支持下發(fā)展迅速。SOFC技術(shù)在美、日為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家已日趨成熟，已開始進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用初級(jí)階段。

自主發(fā)展的中國(guó)SOFC

由于國(guó)外的SOFC技術(shù)和產(chǎn)業(yè)一直對(duì)中國(guó)實(shí)施封鎖，因此中國(guó)只能走自主開發(fā)的道路。我國(guó)對(duì)SOFC相關(guān)關(guān)鍵材料和基礎(chǔ)科學(xué)研究起始于2007年，但由于此項(xiàng)研究的難度極高并且投入巨大，因此讓不少國(guó)內(nèi)企業(yè)望而卻步。

好在國(guó)內(nèi)不少機(jī)構(gòu)在今年技術(shù)上有了不小的突破，例如中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開發(fā)了大尺寸陽極支撐管式SOFC，單管功率密度達(dá)0.25瓦/平方厘米（800℃），并通過真空輔助浸涂技術(shù)修復(fù)電解質(zhì)膜缺陷，使單電池壽命超1萬小時(shí)。

SOFC產(chǎn)業(yè)鏈與PEMFC類似，主要包括單電池及上游材料、SOFC電堆及BOP、系統(tǒng)集成和應(yīng)用部分，近十年國(guó)內(nèi)SOFC發(fā)展迅速，尤其在電堆及供應(yīng)鏈部分表現(xiàn)尤為突出。

在電池材料、單電池、電堆方面，中國(guó)已具備世界先進(jìn)水平，包括美國(guó)、日本、德國(guó)等產(chǎn)業(yè)相關(guān)公司的部分原材料采自中國(guó)。例如三環(huán)集團(tuán)已經(jīng)成為BloomEnergy電解質(zhì)隔膜核心供應(yīng)商，占其份額達(dá)80%。

不過在輔助系統(tǒng)BOP上，包括預(yù)重整器、加熱器、壓縮機(jī)、電壓調(diào)節(jié)器、逆變器、換熱器等，國(guó)內(nèi)還沒有專業(yè)生產(chǎn)公司，導(dǎo)致部分SOFC用戶需要向外定制，也導(dǎo)致SOFC的成本居高不下。但對(duì)于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)而言，這一塊是還沒有被探索的藍(lán)海，市場(chǎng)巨大。

在企業(yè)方面，三環(huán)集團(tuán)是國(guó)內(nèi)最早研發(fā)SOFC的公司，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了210kW示范級(jí)項(xiàng)目驗(yàn)收，出貨量最大的是電解質(zhì)隔膜、單電池，同時(shí)具備電堆量產(chǎn)能力。

此外濰柴動(dòng)力在2018年5月戰(zhàn)略投資全球領(lǐng)先的SOFC技術(shù)公司英國(guó)CeresPower，成為其最大股東，并與其攜手在中國(guó)濰坊成立合資公司，在固態(tài)氧化物燃料電池領(lǐng)域展開全面合作。

還有如中弗新能源在2018年于無錫建立了一條電池片的連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)線，年產(chǎn)能力在3MW。2020年，實(shí)現(xiàn)了電池和電堆的工業(yè)化量產(chǎn)，同年在無錫建成了一個(gè)SOFC超級(jí)充電站，目前已經(jīng)對(duì)外試運(yùn)營(yíng)，自主化超過90%。該公司的系統(tǒng)發(fā)電效率在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，實(shí)驗(yàn)室最長(zhǎng)運(yùn)行接近3000小時(shí)，理論壽命超過4萬小時(shí)。

華清京昆則是在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了SOFC關(guān)鍵材料、電池核心元件、電堆模塊集成及獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)貫通，完成了國(guó)內(nèi)首個(gè)15kWSOFC示范項(xiàng)目，建成國(guó)內(nèi)首條SOFC自動(dòng)化生產(chǎn)線，是我國(guó)第一家SOFC走向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)。目前，年產(chǎn)電池片100萬片、電堆4萬套、重整設(shè)備1500套，總年產(chǎn)能25MW。

浙江氫邦則是由中科院寧波材料在2019年所孵化的一家企業(yè)，專注于電堆的開發(fā)與制造，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了kW級(jí)電堆的研制和小批量的制造。近期，氫邦科技朱雀系列SOFC電堆正式投產(chǎn)，成為國(guó)內(nèi)僅有的三五家掌握固體氧化物燃料電池電堆核心技術(shù)的企業(yè)之一。

順絡(luò)電子則通過控股子公司信柏陶瓷與臻泰能源合作成立柏泰公司，專注于新型高溫燃料電池核心技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)品（氧化鋯復(fù)合功能陶瓷片）的生產(chǎn)和銷售。

寫在最后

當(dāng)前固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化仍需一定時(shí)間，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)基本在2030年實(shí)現(xiàn)。而SOFC的國(guó)際技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并且國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)與企業(yè)推進(jìn)迅速。有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，目前SOFC的發(fā)展現(xiàn)狀類似2008年至2009年的國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池所處的發(fā)展階段。

或許在全球能源轉(zhuǎn)型與科技變革的浪潮中，SOFC并不是唯一解決方案，但絕對(duì)是極具潛力的方向之一。伴隨著AI數(shù)據(jù)中心需求的不斷上升，兼具高效、低碳優(yōu)勢(shì)的SOFC有望成為未來國(guó)內(nèi)替代傳統(tǒng)供電方案的關(guān)鍵技術(shù)之一。