个别住宅和整个社区可以使用新的小型固体氧化物燃料电池系统供电，效率高达57%，远高于之前报告的其他固体氧化物燃料电池系统的30%至50%的效率，根据本月发行的“电源杂志”上发表的一项研究。

在能源部太平洋西北国家实验室开发的较小系统使用甲烷(天然气的主要成分)作为燃料。通过使用PNNL开发的微通道技术结合称为外部蒸汽重整和燃料回收的工艺，整个系统得到了简化，使其更加高效和可扩展。PNNL的系统包括早先在DOE的固态能量转换联盟的支持下开发的燃料电池堆。

“固体氧化物燃料电池是一种提供清洁，高效能源的有前景的技术。但是，直到现在，大多数人都专注于能够产生1兆瓦或更多功率的大型系统，并且可以取代传统发电厂，”Vincent Sprenkle说。 - 该论文的作者和PNNL固体氧化物燃料电池开发计划的总工程师。“然而，这项研究表明，产生1至100千瓦功率的较小固体氧化物燃料电池是高效，局部发电的可行选择。”

Sprenkle和他的合着者在开始研究固体氧化物燃料电池(也称为SOFC)时，考虑到了社区规模的发电。他们建造的试验系统可产生约2千瓦的电力，或典型的家庭消耗的电量。PNNL团队设计了它的系统，因此它可以按比例扩大到100到250千瓦，可以为大约50到100个家庭提供电力。

目标：小而有效

了解更小SOFC系统的优势(参见下面的“什么是SOFC?”侧栏以获取更多信息)，PNNL团队希望设计一个效率超过50%且可轻松扩展用于分布式发电的小型系统。为此，该团队首先使用了一种称为外部蒸汽重整的过程。通常，蒸汽重整将蒸汽与燃料混合，使两者反应并产生中间产物。然后，中间体，一氧化碳和氢气与燃料电池阳极处的氧气反应。正如下面的侧栏所述，这种反应会产生电，以及副产物蒸汽和二氧化碳。

蒸汽重整之前已经与燃料电池一起使用，但该方法需要热量，当直接暴露于燃料电池时，会导致陶瓷层上的温度不均匀，这可能会削弱和破坏燃料电池。因此，PNNL团队选择了外部蒸汽重整，这完成了蒸汽与燃料电池外燃料之间的初始反应。

外部蒸汽重整过程需要一种称为热交换器的装置，其中由诸如金属的导电材料制成的壁分离两种气体。在壁的一侧是热废气，其作为燃料电池内部反应的副产物排出。另一方面是朝向燃料电池的较冷的气体。热量从热气体通过壁移动到冷却的进入气体中，将其加热到燃料电池内发生反应所需的温度。

微技术的效率

这种小型SOFC系统效率的关键是在系统的多个热交换器中使用PNNL开发的微通道技术。PNNL的微通道热交换器不是只有一个隔离两种气体的壁，而是由一系列比纸夹窄的微小环形通道产生的多个壁。这增加了表面积，允许更多的热量传递并使系统更有效。PNNL的微通道换热器的设计使得需要非常小的额外压力来使气体通过环形通道的转弯和弯曲。

该系统的第二个独特之处在于它可以循环使用。具体地，该系统使用来自阳极的由蒸汽和热副产物组成的排气来维持蒸汽重整过程。这种回收意味着该系统不需要加热水以产生蒸汽的电子设备。重新使用与燃料混合的蒸汽也意味着当燃料首先通过燃料电池时，系统能够消耗掉一些它无法消耗的剩余燃料。

外部蒸汽重整和蒸汽回收与PNNL开发的微通道换热器相结合，使该团队的小型SOFC系统极为高效。总之，这些特性有助于系统尽可能少地使用能量，最终可以产生更多的净电力。实验室测试表明，该系统的净效率范围为2.2千瓦时的48.2%，高达1.7千瓦时的56.6%。该团队计算出他们可以通过更多调整将系统效率提高到60%。

PNNL团队希望将他们的研究转化为SOFC电力系统，供个别房主或公用事业公司使用。

“还需要做出巨大努力才能将整体成本降低到分布式发电应用的经济性，”Sprenkle解释道。“但是，这次演示确实提供了一个很好的蓝图，说明如何建立一个可以增加发电量同时减少碳排放的系统。”

该研究得到能源部化石能源办公室的支持。

什么是SOFC?

燃料电池很像电池，因为它们使用阳极，阴极和电解质来发电。但不像大多数电池在耗尽其反应性材料时停止工作，燃料电池如果有恒定的燃料供应则可以持续发电。

SOFC是一种在较高温度下运行的燃料电池 - 大约在1100到1800华氏度之间 - 可以使用各种燃料，包括天然气，沼气，氢气和液体燃料，如柴油和汽油，经过改革和清理。每个SOFC由陶瓷材料制成，形成三层：阳极，阴极和电解质。空气被泵送到外层，即阴极。来自空气的氧气变成带负电的离子，O 2-其中阴极和内电解质层相遇。离子通过电解质移动到达最后一层，即阳极。在那里，氧离子与燃料反应。该反应产生电，以及副产物蒸汽和二氧化碳。这些电可以用来为家庭，社区，城市等提供电力。

燃料电池的最大优势在于它们比传统发电更有效。例如，便携式发电机的内燃机仅将燃料中约18%的化学能转化为电能。相比之下，一些SOFC可以实现高达60%的效率。提高效率意味着SOFC比传统发电(包括燃煤发电厂)消耗更少的燃料并减少对发电量的污染。