SOFC(工作温度600~1000℃)是以复合氧化物为电解质,不需要其他贵金属催化剂,可以直接使用现有的各种含碳燃料,例如煤气、合成气、天然气、液化石油气等。与其他燃料电池比较,SOFC发电效率最高(综合发电效率约80%)并可以和现有能源供应系统兼容,被认为是本世纪最有应用前景的绿色高效发电系统之一。
欧洲和北美已有多个供给碳氢燃料的SOFC示范项目。日本尼桑公司在2016年试运行了一款以乙醇为燃料的SOFC汽车。此外SOFC工作温度较高,相较于PEMFC可允许电极温升大,其水、热管理也相对简单。
1980年代后期SOFC研究得到蓬勃发展,以美国西屋电气公司为首的欧洲、日韩等企业开始了SOFC的商业化探索。我国从2007年开始开展SOFC相关关键材料和基础科学研究,基本实现了诸多核心关键技术突破,目前拥有自主知识产权,基本实现了SOFC关键材料、电池核心元件、电堆模块集成和独立发电系统四部分技术全线贯通,但由于起步晚,仍处于初步探索阶段。
在“双碳”目标背景下,SOFC技术将有利助推我国能源结构绿色低碳转型和煤炭清洁利用。
在此背景下,本文采用《固体氧化物燃料电池专利情况简要分析》和《航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述》两篇文献内容,根据1991年1月1日—2020年12月31日已经公开的相关专利数据,重点从专利角度解读中国固体氧化物燃料电池(SOFC)发展阶段。结论为:中国目前对固体氧化物燃料电池的研究开发业已取得了很大的进展,但离商业化还有一定距离。SOFC的发展离不开政府的引导和大力支持,大学、政府和企业的“政产学研用”合作机制也是SOFC发展的重要推动力。
有质量的专利是指具有新颖性、创造性、实用性以及法律效力稳定的专利,其中创造性对专利的技术质量起直接决定作用。分析SOFC相关专利的法律状态构成可见,相关授权专利共5602项(含授权后放弃、失效的专利),占总申请量的68.4%.失效专利3317项,占总申请量的37.6%;有效专利3686项,占总申请量的45.0%,占总授权量的65.8%.未缴年费专利1843项,占总授权量的33.0%,占失效专利的55.6%。
从数据上看,SOFC专利授权率较高,反映出目前SOFC专利质量相对较高,创新性较强。专利的实用性意味着其经济价值或市场前景,而主动放弃和未缴年费的情况也多是由专利实用性低造成的,反映出相关专利未能实现技术转移。SOFC专利未缴年费比例相对较高,说明部分专利的实用性不够。
SOFC相关专利以公司和高校院所为主,公司申请最多占申请总数的58.2%。其次为高校院所占比41.1%,但有效专利占比均不到一半。公司和高校院所作为主要的申请单位,在撤回驳回的无效专利中,占比分别为32.2%和23.6%;在未缴年费的无效专利中,占比分别为38.0%和44.8%.表明虽专利申请量高但有效率低,高校院所专利质量相对较高,撤回驳回率低;未缴年费占比均较高,说明专利实用性欠缺,转化效果较差。
目前,世界范围内,SOFC已进入商业示范应用阶段。由风险投资基金支持的美国BloomEnergy公司已在加州为Google、eBay、WalMart等公司提供了数百套燃料电池分布式发电系统。截至2020年,该公司已累计投放350MW的SOFC产品,其中近半数投放于加利福尼亚州。公司主要产品为BloomEnergyServer,现已更新至第五代,完成了对200kW的SOFC系统测试,据称发电效率可以达到65%,处于世界领先水平。但在MW级SOFC的开发集成上还远远未能达到低于900美元/kW的目标。
日本的SOFC发展主要由NEDO(日本新能源产业技术综合开发机构NewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganizationJapan)推动,目标为到2024年,SOFC发电效率超过65%(低热),寿命达130000h等。主要项目为SOFC系统重点技术的开发和工业验证,主要研发机构包括爱信精机、大阪燃气、京瓷和丰田汽车等企业。2017年工业用的SOFC燃料电池已开始进入商用化阶段。欧洲的SOFC技术同样已基本成熟,主要SOFCMicro-CHP(热电联产CombinedHeatandPower)的代表公司包括瑞士的SulzerHexis,英国CeresPower,意大利的Solidpower,丹麦TopsoeFuelCell,德国BoschTher-motechmology、Solid等。其中CeresPower技术较为先进。
整体而言,国内SOFC企业大多在研发、做示范工程,真正具备量产能力的只有潮州三环,华清在试产中,临近规模化量产。
最后,综合来看,中国目前对固体氧化物燃料电池的研究开发业已取得了很大的进展,但离商业化还有一定距离。SOFC的发展离不开政府的引导和大力支持,大学、政府和企业的“政产学研用”合作机制也是SOFC发展的重要推动力。