太平洋西北国家实验室开发了这种高效的小规模固体氧化物燃料电池系统，他们采用自己开发的微通道技术和两项不寻常的工艺，称为外部蒸汽重整（external steam reforming）和燃料回收。来源：西北太平洋国家实验室
这种较小的系统，开发者是能源部的太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory），他们使用沼气作为燃料，沼气是天然气的主要成分。整个系统都被简化，更有效率，也具有可扩展性，他们采用了太平洋西北国家实验室开发的微通道技术，结合使用的工艺称为外部蒸汽重整（external steam reforming）和燃料循环（fuel recycling）。太平洋西北国家实验室的这一系统包含燃料电池栈，是早些时候开发的，曾获得能源部固态能量转换联盟（Solid State Energy Conversion Alliance）的支持。
“固体氧化物燃料电池是一种很有前途的技术，可提供清洁，高效的能源。但是，到现在为止，大多数人都集中研究较大的系统，可生产1兆瓦或更多的电力，取代传统的发电厂，”文森特•斯普楞科尔（Vincent Sprenkle）说，他是论文的共同作者，也是太平洋西北国家实验室固体氧化物燃料电池开发项目的首席工程师。“然而，这项研究表明，较小的固体氧化物燃料电池，发电量介于1千瓦到100千瓦之间，这是可行的选择，可进行高效的区域性发电。”
斯普楞科尔和他的合著者考虑的是社区规模的发电，当时，他们开始研究固体氧化物燃料电池，也称为SOFC（solid oxide fuel cell）。他们建立的试验系统可产生约2千瓦的电力，这也是一个典型的美国家庭的耗电量。太平洋西北国家实验室研究小组设计了这一系统，可以升级到100千瓦至250千瓦之间，供电给大约50至100个美国家庭。
什么是固体氧化物燃料电池？
燃料电池很像电池，它们也使用阳极，阴极和电解质来发电。但不同于大多数电池，电池耗尽反应材料，就会失效，而燃料电池可持续产生电力，只需要有持续的燃料供应。
固体氧化物燃料电池是燃料电池的一种类型，在较高温度下运行，大约是1100至1800华氏度，可以采用多种燃料，包括天然气，沼气，氢气以及液体燃料，如加工清洁过的柴油和汽油。每块固体氧化物燃料电池都是用陶瓷材料制成，形成三个层次：就是阳极，阴极和电解液。空气被泵入外层，就是阴极层。空气中产生的氧气，会成为带负电荷的离子，就是超氧阴离子（O2-），在这里，阴极和内部的电解质层会相接。离子移动，穿过电解液，到达最后一层，就是阳极层。在那里，氧离子与燃料发生反应。这种反应会产生电力，也会产生副产品蒸汽和二氧化碳。这种电力可供电给家庭，社区，城市以及更大的范围。
燃料电池的一大优势是，它们比传统发电更高效。例如，便携式发电机的内燃机只能把18％的燃料化学能转化为电能。相比之下，一些固体氧化物燃料电池可以实现高达60％的效率。效率更高就意味着，固体氧化物燃料电池会消耗较少的燃料，产生较少的污染，就可产生等量的电力，这可以对比传统发电厂，包括燃煤电厂。
斯普楞科尔和他在西北太平洋国家实验室的同事们很有兴趣研究较小的系统，因为小系统有优势，胜过较大的系统。大型系统产生的电力超过它们附近地区的耗电量，所以，大量电力必须输送到其他地方，这要通过输电线路。不幸的是，这个过程中会损耗一些电力。另一方面，较小的系统物理尺寸也较小，所以安装时就可以更接近电力用户。这意味着，它们生产的电力不需要输送那么远。这就使较小的系统成为理想的选择，可用于所说的分布式发电，或生产相对少量的电力，供本地使用，比如用于个别家庭或邻里。
目标：小型和高效
认识到较小的固体氧化物燃料电池系统的优势，太平洋西北国家实验室研究小组就想设计一个小系统，既要超过50％的效率，又要很容易扩展，进行分布式发电。为了做到这一点，研究小组首先使用了一个工艺，称为外部水蒸气重整。在一般情况下，水蒸汽重整就是混合燃料与蒸汽，使两者发生反应，产生中间产品。中间产品就是一氧化碳和氢气，它们随后会在燃料电池阳极与氧气发生反应。正如此前所述，这种反应会产生电力，也会产生副产品蒸汽和二氧化碳。
以前，蒸汽重整一直用于燃料电池中，但是这种方法需要热量，当直接暴露于燃料电池时，会导致陶瓷层温度不均匀，这可能削弱和破坏燃料电池。因此，西北太平洋国家实验室的研究小组选择了外部水蒸汽重整，从而完成了蒸汽和燃料电池之间的初步反应，是在燃料电池之外发生的。
外部蒸汽重整工艺需要的设备称为热交换器，其中，导电材料比如金属制成的壁会隔开两种气体。处在壁的一侧的是热废气，被排出来，属于燃料电池内部反应的副产品。在另一侧是凉爽的气体，会向燃料电池移动。热量离开热气体，穿过壁，进入凉爽的引入气体，使它升高到所需的温度，使燃料电池内部发生反应。
效率与微技术
这种小型固体氧化物燃料电池系统的效率，关键在于使用了太平洋西北国家实验室开发的微通道技术，用于系统的多个热交换器。不是只有一个壁隔开两种气体，太平洋西北国家实验室的微通道热交换器有多面壁，产生于一系列微小的循环通道，这些通道比回形针还窄。这就增加了表面积，使更多的热量可以被转移，也使系统效率更高。太平洋西北国家实验室微通道换热器的设计，很少需要额外的压力，就可以移动气体，穿过循环通道的转折和弯曲处。
系统的第二个独特之处是可以循环利用。具体而言，这种系统可采用废气，这些废气产生于蒸汽和热量副产品，源自阳极，可以维持蒸汽重整过程。这种回收利用意味着，这一系统不需要电动装置，用以加热水，以产生蒸汽。重复使用这些蒸汽，混合燃料，也意味着这种系统可以用尽一些剩余燃料，这些是燃料首次穿过燃料电池时无法消耗的。
结合外部蒸汽重整和蒸汽回收，以及西北太平洋国家实验室开发的微通道换热器，就使研究小组的这种小型固体氧化物燃料电池系统具有非常高的效率。总之，这些特性有助于系统使用尽可能少的能源，最终产生更多的净电力。实验室测试表明，系统净效率范围在2.2千瓦时是48.2％，到1.7千瓦时为56.6％。研究小组计算，他们可以把系统的效率提高到60％，只需要再做几个调整。
太平洋西北国家实验室研究小组希望看到，他们自己的研究可转换成固体氧化物燃料电池发电系统，用于单个家庭或公用事业公司。
“仍需要做出重大努力，把整体成本降低到某一点，以便经济地进行分布式发电，”斯普楞科尔解释说。“但是，这个示范确实提供了出色的蓝图，说明制成这样的系统，可以增加发电量，同时减少二氧化碳排放量。”
更多信息：《演示高效固体氧化物燃料电池发电系统采用绝热蒸汽重整和阳极气体再利用》（Demonstration of a highly efficient solid oxide fuel cell power system using adiabatic steam reforming and anode gas recirculation），2012年5月1日发表于《电源杂志》。
