清華大學(xué)韓敏芳：產(chǎn)業(yè)化是中國固體電池發(fā)展必經(jīng)之路
2016-11-29 09:59:07
摘要：清華大學(xué)熱工程系、熱能動力仿真與控制研究所博士、教授、博導(dǎo)韓敏芳表示，協(xié)同合作走產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展模式是中國固體氧化物燃料電池的必經(jīng)之路。
以下為韓敏芳教授演講文字實錄：
韓敏芳：各位早上好，非常感謝組委會有這樣的機(jī)會，共同探討固體氧化物燃料電池研究進(jìn)展情況。今天我匯報的題目是“固體氧化物燃料電池的技術(shù)進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)前景”。做科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展要面對國家重大需求，在中國很長一段時間內(nèi)還會依賴于煤炭為主要的能源資源，但是這樣的能源結(jié)構(gòu)使得污染問題、效率問題等等問題產(chǎn)生。迫切需要解決新的發(fā)電技術(shù)的方案，這時候固體氧化物燃料電池應(yīng)運而生，它可以直接氧化任何一種含碳的燃料，具有很高的轉(zhuǎn)化效率和很低的成本。
今年“十三五”規(guī)劃頭一年大家會看到，未來國家對整個規(guī)劃中，燃料電池都占有很重要的一席之地，主要是兩個文件，2016年剛剛出臺能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃和中國制造2025。
能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃中，第九項是燃料電池，燃料電池主要關(guān)注的給的目標(biāo)分布式發(fā)電，固體氧化物也在一起，還給出了新的要求，希望固體氧化物燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)壽命做到四萬小時，這是很有挑戰(zhàn)性的指標(biāo)。
中國制造2025是個巧合，也是第九項，明確提出，能源裝備中要做到百千萬和兆瓦級固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，不但給了壽命還給了量級。面對國家大的規(guī)劃目標(biāo)，我們是有責(zé)任來探討如何來實現(xiàn)這樣的情況，國家給出來的路線圖，希望2016年到2020、2025、2030年做到兆瓦級固體氧化物燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)。
我們目前的狀況，我們所這個月26號剛剛成立了中國能源研究會燃料電池專委會，一百多人來參加，人員上在中國是非常有保證的，我們863和973中也列了計劃。從技術(shù)到產(chǎn)業(yè)上的過渡，今天談產(chǎn)業(yè)前景的發(fā)展，這個過程中需要進(jìn)一步的出臺相關(guān)政策的支持。
固體氧化物燃料電池怎樣的定位呢？如圖，固體氧化物燃料電池領(lǐng)域中，我們認(rèn)為是從小型的便攜式到分布式熱電聯(lián)供、高性能的動力電源和大性能動力裝置都可以做到。世界范圍內(nèi)也有產(chǎn)品，美國便攜式用在軍隊上，日本重點推2011年10月份商業(yè)化700瓦熱電聯(lián)動系統(tǒng)，大型的發(fā)電，美國的BE公司主要是做大樓的分布式供電，另外是三菱重工牽頭的200多千瓦的發(fā)電系統(tǒng)，電動車行業(yè)永遠(yuǎn)是非常熱的。
高性能電動車領(lǐng)域固體氧化物燃料電池怎么做？最好的特斯拉巡航里程400公里、豐田的未來這款車也是商業(yè)化，122升油箱。如果可以實現(xiàn)的話，以后也可以設(shè)想，現(xiàn)在用酒精下一步可以直接用汽車，包括得到混合體、一氧化碳和甲烷類的混合氣直接供應(yīng)固體氧化物燃料電池發(fā)電，汽車整個運行過程中適應(yīng)路況這么復(fù)雜體系時候，固體氧化物燃料電池然后進(jìn)行給電池充電，這樣可以形成新的概念。日本的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，2011年10月份宣布，現(xiàn)在已經(jīng)裝了上萬套了。美國分布式發(fā)電系統(tǒng)，硅谷很多著名的企業(yè)中心配備有這種產(chǎn)品，做的比較有代表性。三菱重工持續(xù)做發(fā)電系統(tǒng)，2012年日本東京建裝的燃?xì)怆姍C(jī)的發(fā)電系統(tǒng)，改進(jìn)的系統(tǒng)可以在九州大學(xué)可以看到，東京附近正在裝第三套改進(jìn)的系統(tǒng)，號稱是整個性能沒衰減，整個效率達(dá)到90%。
中國的技術(shù)前景，我們怎么做呢？把整個發(fā)展分為四個產(chǎn)業(yè)鏈，從固體氧化物燃料電池主要是陶瓷材料，從材料到單元器件到電堆和模塊以及到整體系統(tǒng)，多學(xué)科交叉發(fā)展的情況和體系。關(guān)鍵材料中，大部分是陶瓷材料，還有一些金屬的連接體和玻璃封接材料等等。
中國非常有優(yōu)勢的，所有的材料中國都是很豐富的，尤其是用到一些輕稀土資源，這是中國希望找到它合理用途的原料，目前有批量供應(yīng)的性能穩(wěn)定的分級材料。元件，固體氧化物燃料電池即可以是板式的，還可以是管式結(jié)構(gòu)的，但是目前大家希望做管式支撐的結(jié)構(gòu)。
板式結(jié)構(gòu)在中國和世界上也比較多，因為比較容易做一些，在中國可以做到電解質(zhì)的支撐電池，也可以實現(xiàn)量產(chǎn)給市場上提供產(chǎn)品，剛剛結(jié)題973項目的結(jié)果，量產(chǎn)的燃料電池去做美國國家實驗室做的測試，幾乎達(dá)到了世界同等的最好水平。
早期的西烏公司做的產(chǎn)品，如圖，還有勞斯萊斯采用的也是板狀結(jié)構(gòu)，他們是做大型發(fā)電的，微管式的結(jié)構(gòu)是為了解決固體氧化物燃料電池快速啟動的問題，平板式集成的更多了，BE是做的電解質(zhì)支撐的結(jié)構(gòu)，目前比較重點的主流是陽極支撐的結(jié)構(gòu)，英國的公司是做的金屬支撐，這是作為第四代固體氧化物燃料電池是被普遍關(guān)注的，也可以解決快速啟動的問題，這是非常有前景的。
電堆模塊結(jié)構(gòu)，有了電池和連接體和封接材料，還有電池堆的設(shè)計，堆積到一塊就知道所有燃料電池中固體氧化物燃料電池工作溫度是最高的，所以技術(shù)集成是最難的，目前是一點一點的探索的方式，中國經(jīng)過20多年的研究也走出了自己的路，也可以獨立運行自己的發(fā)電系統(tǒng)，目前可以做到獨立啟動發(fā)電系統(tǒng)，雖然覺得性能還沒有那么好，但是在中國已經(jīng)解決了有和沒有的問題。
我們要推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家已經(jīng)對這個領(lǐng)域給予高度重視，產(chǎn)業(yè)要發(fā)展怎么來走？中國的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，國際能源組織IEA每兩年編一次固體氧化物燃料電池進(jìn)展的白皮書，2016年初編的一期白皮書第一次收錄了中國的企業(yè)，年初匯總在中國有四家企業(yè)被收錄進(jìn)去，2010年成立的蘇州華京主要是專門做固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)的，第二家是廣州潮州三環(huán)集團(tuán)，是做芯片的系統(tǒng)，是最大的電池片的供應(yīng)商，2013年成立的合肥的一家公司依托中國科技大學(xué)公司的技術(shù)，2014年成立的寧波的一家公司。
固體氧化物燃料電池在走向產(chǎn)業(yè)化過程中是非常難的，大部分企業(yè)是很努力但是也很花錢，唯一在這個過程中賺到錢的是潮州三環(huán)集團(tuán)，它是美國BE公司最大的電解質(zhì)片的供應(yīng)商，在股市上也獲得了良好的收益，因為有三環(huán)在股市上良好的表現(xiàn)，有軟銀孫正義和BE的合作，這兩年市場上在FC的領(lǐng)域炒的非常熱，但是固體氧化物燃料電池的技術(shù)是非常難的，還是要一點一點做積累，比如華清公司是從材料一直做到電池片，在固體氧化物燃料電池目前獲得不了任何國外的支持，潮州三環(huán)作為BE的供應(yīng)商也投入比較大的力量發(fā)展這個產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域，上市公司斥資購買了澳大利亞的這家公司，合肥這家公司有新的結(jié)構(gòu)，希望做到幾千瓦量級的狀態(tài)，寧波的公司也是蜇伏期一旦爆發(fā)會有很好的成績。中國今年年初收集到的可以拿可以和大家說的四家公司，陸續(xù)的會陸續(xù)的建立。
我們要思考中國固體氧化物燃料電池到底怎么走，國家的目標(biāo)要聚集行業(yè)的人財物的力量，如何實現(xiàn)真正的四萬小時兆瓦級的電站，要想進(jìn)行商業(yè)化運行路還很長。國家支持我們做了五年國家973項目的成果，我們做到全產(chǎn)業(yè)鏈貫通，過程中做了幾個示范工程，和山西晉煤集團(tuán)做了煤層氣坑口發(fā)電的技術(shù)，迪士尼上海有一個智慧建筑，希望在這個智慧建筑立示范運行這樣的系統(tǒng)，固體氧化物燃料電池技術(shù)非常有難度，現(xiàn)在解決的是可以做出來，但是運行過程中如何更好的優(yōu)化，包括獲得長期的數(shù)據(jù)需要和用戶一起來做示范工程這樣的運行模式。
已經(jīng)做的工作、和正在開展的工作，如圖。這個過程中非常意識到，產(chǎn)業(yè)要啟動的時候到現(xiàn)在是沒有標(biāo)準(zhǔn)的，有全國燃料電池委員會，燃料電池到現(xiàn)在還沒有一項標(biāo)準(zhǔn)通過實施，整個過程中10月份獲準(zhǔn)，中國能源研究會燃料電池專委會的二級學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，要推動啟動的是固體氧化物燃料電池標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)工作，主要做兩個方面標(biāo)準(zhǔn)工作，第一是社團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，另外是尋著國標(biāo)的體系在走，全面啟動固體氧化物燃料電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)工作。有了標(biāo)準(zhǔn)工作開始了，同時需要建設(shè)的是整個測試中心，要做行業(yè)建設(shè)的工作在，體系過程中“十三五”開局也在陸續(xù)的部署開始做了。
國家規(guī)劃的目標(biāo)，下一年要繼續(xù)開始工作，探討燃料電池在中國發(fā)展產(chǎn)業(yè)路線圖，之前沒有能夠把大家團(tuán)結(jié)在一起來做，現(xiàn)在業(yè)界的認(rèn)識認(rèn)識到需要開展這個工作，2016年11月份剛剛舉行的第十八屆固態(tài)離子學(xué)會大會上已經(jīng)有了固體氧化物燃料電池專題的論壇，在26、25號中國能源研究會年會上，在燃料電池專委會成立大會也做了動員，在2017年會繼續(xù)開展工作，我們也會推動多方面的發(fā)展。
感謝大家！(能源新聞網(wǎng))
