清華大學韓敏芳：產業化是中國固體電池發展必經之路
2016-11-29 09:59:07
摘要：清華大學熱工程系、熱能動力仿真與控制研究所博士、教授、博導韓敏芳表示，協同合作走產業化的發展模式是中國固體氧化物燃料電池的必經之路。
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會，共同探討固體氧化物燃料電池研究進展情況。今天我匯報的題目是“固體氧化物燃料電池的技術進展和產業前景”。做科研和產業發展要面對國家重大需求，在中國很長一段時間內還會依賴于煤炭為主要的能源資源，但是這樣的能源結構使得污染問題、效率問題等等問題產生。迫切需要解決新的發電技術的方案，這時候固體氧化物燃料電池應運而生，它可以直接氧化任何一種含碳的燃料，具有很高的轉化效率和很低的成本。
今年“十三五”規劃頭一年大家會看到，未來國家對整個規劃中，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革命創新行動計劃和中國制造2025。
能源技術革命創新行動計劃中，第九項是燃料電池，燃料電池主要關注的給的目標分布式發電，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電系統壽命做到四萬小時，這是很有挑戰性的指標。
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電系統，不但給了壽命還給了量級。面對國家大的規劃目標，我們是有責任來探討如何來實現這樣的情況，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電系統。
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。從技術到產業上的過渡，今天談產業前景的發展，這個過程中需要進一步的出臺相關政策的支持。
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域中，我們認為是從小型的便攜式到分布式熱電聯供、高性能的動力電源和大性能動力裝置都可以做到。世界范圍內也有產品，美國便攜式用在軍隊上，日本重點推2011年10月份商業化700瓦熱電聯動系統，大型的發電，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多千瓦的發電系統，電動車行業永遠是非常熱的。
高性能電動車領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化，122升油箱。如果可以實現的話，以后也可以設想，現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固體氧化物燃料電池發電，汽車整個運行過程中適應路況這么復雜體系時候，固體氧化物燃料電池然后進行給電池充電，這樣可以形成新的概念。日本的熱電聯供系統，2011年10月份宣布，現在已經裝了上萬套了。美國分布式發電系統，硅谷很多著名的企業中心配備有這種產品，做的比較有代表性。三菱重工持續做發電系統，2012年日本東京建裝的燃氣電機的發電系統，改進的系統可以在九州大學可以看到，東京附近正在裝第三套改進的系統，號稱是整個性能沒衰減，整個效率達到90%。
中國的技術前景，我們怎么做呢？把整個發展分為四個產業鏈，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，多學科交叉發展的情況和體系。關鍵材料中，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，目前有批量供應的性能穩定的分級材料。元件，固體氧化物燃料電池即可以是板式的，還可以是管式結構的，但是目前大家希望做管式支撐的結構。
板式結構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的支撐電池，也可以實現量產給市場上提供產品，剛剛結題973項目的結果，量產的燃料電池去做美國國家實驗室做的測試，幾乎達到了世界同等的最好水平。
早期的西烏公司做的產品，如圖，還有勞斯萊斯采用的也是板狀結構，他們是做大型發電的，微管式的結構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是做的電解質支撐的結構，目前比較重點的主流是陽極支撐的結構，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。
電堆模塊結構，有了電池和連接體和封接材料，還有電池堆的設計，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，所以技術集成是最難的，目前是一點一點的探索的方式，中國經過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電系統，目前可以做到獨立啟動發電系統，雖然覺得性能還沒有那么好，但是在中國已經解決了有和沒有的問題。
我們要推動產業的發展，國家已經對這個領域給予高度重視，產業要發展怎么來走？中國的產業基礎，國際能源組織IEA每兩年編一次固體氧化物燃料電池進展的白皮書，2016年初編的一期白皮書第一次收錄了中國的企業，年初匯總在中國有四家企業被收錄進去，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業的，第二家是廣州潮州三環集團，是做芯片的系統，是最大的電池片的供應商，2013年成立的合肥的一家公司依托中國科技大學公司的技術，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業化過程中是非常難的，大部分企業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集團，它是美國BE公司最大的電解質片的供應商，在股市上也獲得了良好的收益，因為有三環在股市上良好的表現，有軟銀孫正義和BE的合作，這兩年市場上在FC的領域炒的非常熱，但是固體氧化物燃料電池的技術是非常難的，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，潮州三環作為BE的供應商也投入比較大的力量發展這個產業和領域，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構，希望做到幾千瓦量級的狀態，寧波的公司也是蜇伏期一旦爆發會有很好的成績。中國今年年初收集到的可以拿可以和大家說的四家公司，陸續的會陸續的建立。
我們要思考中國固體氧化物燃料電池到底怎么走，國家的目標要聚集行業的人財物的力量，如何實現真正的四萬小時兆瓦級的電站，要想進行商業化運行路還很長。國家支持我們做了五年國家973項目的成果，我們做到全產業鏈貫通，過程中做了幾個示范工程，和山西晉煤集團做了煤層氣坑口發電的技術，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，固體氧化物燃料電池技術非常有難度，現在解決的是可以做出來，但是運行過程中如何更好的優化，包括獲得長期的數據需要和用戶一起來做示范工程這樣的運行模式。
已經做的工作、和正在開展的工作，如圖。這個過程中非常意識到，產業要啟動的時候到現在是沒有標準的，有全國燃料電池委員會，燃料電池到現在還沒有一項標準通過實施，整個過程中10月份獲準，中國能源研究會燃料電池專委會的二級學術機構，要推動啟動的是固體氧化物燃料電池標準的建設工作，主要做兩個方面標準工作，第一是社團標準、團體標準，另外是尋著國標的體系在走，全面啟動固體氧化物燃料電池相關標準的建設工作。有了標準工作開始了，同時需要建設的是整個測試中心，要做行業建設的工作在，體系過程中“十三五”開局也在陸續的部署開始做了。
國家規劃的目標，下一年要繼續開始工作，探討燃料電池在中國發展產業路線圖，之前沒有能夠把大家團結在一起來做，現在業界的認識認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離子學會大會上已經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年會繼續開展工作，我們也會推動多方面的發展。
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