一種可以使用天然氣、丙烷或柴油的燃料電池動力裝置，可能在幾年內為工廠、計算機伺服器機房甚至您的家庭提供現場電力。固體氧化物燃料電池（SOFC）也準備走向移動化，新型系統將為長途卡車提供輔助或“客艙”電力。它們還可以讓太陽能無人 surveillance 無人機在空中停留數年之久。後者的“雙向”燃料電池系統還可以電解水，將備用能源以氫氣的形式儲存起來，以補充間歇性的太陽能和風能。研究人員表示，隨著時間的推移，SOFC可能會作為增程器出現——動力裝置可以增強電池的電量，從而延長混合動力汽車的電動行駛里程。
資深燃料電池研究員、馬里蘭大學能源研究中心主任埃裡克·瓦克斯曼說：“與任何其他將化學能轉化為電能的裝置相比，燃料電池，特別是固體氧化物或陶瓷燃料電池，無疑是最有效的。”他發表了研究報告，指出了低溫 SOFC 的發展方向，該研究於 11 月 18 日發表在《科學》雜誌上。這就是為什麼 SOFC 可以被認為是綠色技術，即使它們使用碳氫燃料會釋放二氧化碳。
長期以來，與更廣為人知的氫燃料電池相比，SOFC 一直被視為次要選擇。這是因為 SOFC 執行溫度過高，不適合汽車使用。瓦克斯曼回憶說，在 20 世紀 90 年代中期，美國能源部 (DoE) 在選擇未來綠色汽車的技術時，選擇了 80 攝氏度的聚合物電解質膜 (PEM) 燃料電池，而不是 1000 攝氏度的 SOFC。但是，持續缺乏氫燃料分配系統意味著，“我們把雞蛋放在了錯誤的籃子裡，投入數十億美元用於氫 PEM，而不是用於可以使用我們今天擁有的燃料的燃料電池，”瓦克斯曼說。
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然而，這種靈活燃料的優勢使總部位於加利福尼亞州森尼維爾市的 Bloom Energy 公司能夠銷售約 120 臺天然氣燃料 SOFC，這是一種獨立的供熱和發電裝置，可為當地的綠色環保的財富 500 強公司工廠和州立大學設施（特別是加利福尼亞州的補貼分散式發電示範專案）生產電力和熱力。該公司甚至正在特拉華州建設一家新工廠，並將向當地公用事業公司 Delmarva Power 出售 30 兆瓦的 Bloom Box 燃料電池裝置。不幸的是，Bloom Box 使用傳統的陶瓷燃料電池設計，這種設計運營成本相對較高，Bloom 希望透過一項新的、低成本的電力租賃計劃來解決這一競爭劣勢。
高溫發電箱
長期從事燃料電池研究的 Versa Power Systems 公司（位於科羅拉多州利特爾頓市）執行長鮑勃·斯托克斯說，SOFC 將燃料的化學能轉化為電能，該公司是 SOFC 新興開發商之一。一般來說，該系統由兩個電極夾著一個固體氧化物或陶瓷膜（或電解質）組成。這種電化學裝置透過氧化（即緩慢燃燒）燃料直接產生電力。
斯托克斯解釋說：“與其他燃料電池透過膜傳輸帶正電荷的[氫離子，或 H+]離子不同，固體氧化物型燃料電池使用陶瓷氧化物——負電荷的氧離子透過陶瓷氧化物。”您汽車中的氧感測器就是基於同樣的氧化釔穩定氧化鋯陶瓷。氧 (O–) 離子與燃料中的氫反應生成水、電和二氧化碳（如果燃料含有碳氫化合物）。
燃料靈活的 SOFC 不必使用氫氣作為燃料；它們可以使用碳氫燃料，如天然氣、丙烷或柴油，執行良好。系統可以使用預處理蒸汽重整器將含碳燃料分解為氫氣和碳，或者使用自身的熱量和設計在內部進行分解。
斯托克斯說，儘管 SOFC 的執行溫度高於大多數其他常見的燃料電池型別，但它們可以將高達 60% 的燃料轉化為可用電能。“這意味著它每產生單位可用能量所釋放的二氧化碳量是傳統發動機排放量的一半。”這種熱量還允許 SOFC 在沒有當前聚合物電解質膜系統所需的高成本鉑基催化劑的情況下執行。
製造膜
部分由能源部專案資助的設計和製造創新正在降低這項技術的成本。較舊的 SOFC 設計使用電解質層作為結構支撐，但較厚的元件具有較高的電阻，這意味著需要更高的工作溫度才能避免功率損耗，瓦克斯曼解釋說。
工程師們透過使用電極支撐設計和薄而導電性更強的電解質，降低了工作溫度，但製造緻密、不透氣電解質層的新技術可能會出現問題。“膜越薄，就越不穩定，”他說。開發人員通常透過用鈧（一種過渡金屬稀土，可以提高電導率，但成本很高）來補充陶瓷，從而在厚度和電導率之間進行權衡。
許多製造商採用了（或改進了）管狀結構，這種結構使得組裝相對容易，因此成本較低。此外，降低溫度意味著可以在其他地方使用更便宜的鋼材。
下一代產品
總部位於波士頓的 Lux Research 公司分析師布賴恩·沃謝表示，由於設計改進，這項技術的前景正在上升，他跟蹤與電網相關的技術。“我們看到 SOFC 的主要應用是在天然氣燃料固定式電源中，用於工業使用者和那些需要連續的現場分散式電源的使用者，如網路伺服器機房——100 千瓦或更大的高可靠性基本負載電力系統，”他說。
家用供熱和發電裝置也可能變得更加普遍，這種 SOFC 的效率可以達到 85%。燃料電池不僅供電，還為房屋供暖和熱水。沃謝指出，這些裝置在美國以外特別受歡迎，“那裡的能源消耗明顯低於美國”，因為美國使用者過大的電力需求通常會使亞洲和歐洲銷售的第一批家用供熱和發電模型的容量過載。
斯托克斯和其他行業觀察家還預計，由模組化的 250 千瓦堆疊組成、規模更大的兆瓦級分散式發電裝置將在兩到三年內上市，他們最近看到通用電氣和羅爾斯·羅伊斯等大型跨國公司與 SOFC 電池和堆疊製造商簽署了供應協議。
還有卡車。德爾福工程師使用較新的電極支撐設計，開發了一種用於長途柴油卡車的 5 千瓦（最大）SOFC 輔助動力裝置 (APU)。APU 可能會在明年問世，它將為停放的卡車提供“客艙負載電力”。
雙向燃料電池
與此同時，固體氧化物燃料電池堆疊供應商 Versa 公司正在與波音公司和“一家大型歐洲公司”合作開發一種創新的可逆 SOFC，這種 SOFC 可以在供電和將水電解成氫氣和氧氣之間迴圈切換，斯托克斯說。這種雙向系統可以將能量以氫氣的形式儲存起來，以支援間歇性的太陽能或風能裝置，甚至支援 Solar Eagle，這是一種蜻蜓狀的無人機，將執行多年的任務。
瓦克斯曼和他的研究同事還在《科學》雜誌上發表了關於工作溫度低至 350 攝氏度的 SOFC 的潛在發展路徑的詳細資訊，這種新設計採用了高電導率電解質和特殊的奈米結構電極。
在 600 至 800 攝氏度的較低“中間”溫度下工作的 SOFC 技術，是阿貢國家實驗室和伊利諾伊大學芝加哥分校最近一個 50 萬美元國家科學基金會專案的目標。Christos G. Takoudis 的跨學科團隊計劃使用獨特的原子層沉積/化學氣相沉積 (ALD/CVD) 混合反應器，該反應器可以鋪設新型薄膜電池材料和結構，從而在設計上實現更低的執行溫度。
但在該研究小組在三年後提交最終專案報告之前，第二代改進型陶瓷 SOFC 應該已經開始擴大Bloom Box 最初的成功，並在能源市場中佔據和發展了一個小而關鍵的利基市場。