清华大学韩敏芳：产业化是中国固体电池发展必经之路
2016-11-29 09:59:07
摘要：清华大学热工程系、热能动力仿真与控制研究所博士、教授、博导韩敏芳表示，协同合作走产业化的发展模式是中国固体氧化物燃料电池的必经之路。
以下为韩敏芳教授演讲文字实录：
韩敏芳：各位早上好，非常感谢组委会有这样的机会，共同探讨固体氧化物燃料电池研究进展情况。今天我汇报的题目是“固体氧化物燃料电池的技术进展和产业前景”。做科研和产业发展要面对国家重大需求，在中国很长一段时间内还会依赖于煤炭为主要的能源资源，但是这样的能源结构使得污染问题、效率问题等等问题产生。迫切需要解决新的发电技术的方案，这时候固体氧化物燃料电池应运而生，它可以直接氧化任何一种含碳的燃料，具有很高的转化效率和很低的成本。
今年“十三五”规划头一年大家会看到，未来国家对整个规划中，燃料电池都占有很重要的一席之地，主要是两个文件，2016年刚刚出台能源技术革命创新行动计划和中国制造2025。
能源技术革命创新行动计划中，第九项是燃料电池，燃料电池主要关注的给的目标分布式发电，固体氧化物也在一起，还给出了新的要求，希望固体氧化物燃料电池分布式发电系统寿命做到四万小时，这是很有挑战性的指标。
中国制造2025是个巧合，也是第九项，明确提出，能源装备中要做到百千万和兆瓦级固体氧化物燃料电池发电系统，不但给了寿命还给了量级。面对国家大的规划目标，我们是有责任来探讨如何来实现这样的情况，国家给出来的路线图，希望2016年到2020、2025、2030年做到兆瓦级固体氧化物燃料电池分布式发电系统。
我们目前的状况，我们所这个月26号刚刚成立了中国能源研究会燃料电池专委会，一百多人来参加，人员上在中国是非常有保证的，我们863和973中也列了计划。从技术到产业上的过渡，今天谈产业前景的发展，这个过程中需要进一步的出台相关政策的支持。
固体氧化物燃料电池怎样的定位呢？如图，固体氧化物燃料电池领域中，我们认为是从小型的便携式到分布式热电联供、高性能的动力电源和大性能动力装置都可以做到。世界范围内也有产品，美国便携式用在军队上，日本重点推2011年10月份商业化700瓦热电联动系统，大型的发电，美国的BE公司主要是做大楼的分布式供电，另外是三菱重工牵头的200多千瓦的发电系统，电动车行业永远是非常热的。
高性能电动车领域固体氧化物燃料电池怎么做？最好的特斯拉巡航里程400公里、丰田的未来这款车也是商业化，122升油箱。如果可以实现的话，以后也可以设想，现在用酒精下一步可以直接用汽车，包括得到混合体、一氧化碳和甲烷类的混合气直接供应固体氧化物燃料电池发电，汽车整个运行过程中适应路况这么复杂体系时候，固体氧化物燃料电池然后进行给电池充电，这样可以形成新的概念。日本的热电联供系统，2011年10月份宣布，现在已经装了上万套了。美国分布式发电系统，硅谷很多著名的企业中心配备有这种产品，做的比较有代表性。三菱重工持续做发电系统，2012年日本东京建装的燃气电机的发电系统，改进的系统可以在九州大学可以看到，东京附近正在装第三套改进的系统，号称是整个性能没衰减，整个效率达到90%。
中国的技术前景，我们怎么做呢？把整个发展分为四个产业链，从固体氧化物燃料电池主要是陶瓷材料，从材料到单元器件到电堆和模块以及到整体系统，多学科交叉发展的情况和体系。关键材料中，大部分是陶瓷材料，还有一些金属的连接体和玻璃封接材料等等。
中国非常有优势的，所有的材料中国都是很丰富的，尤其是用到一些轻稀土资源，这是中国希望找到它合理用途的原料，目前有批量供应的性能稳定的分级材料。元件，固体氧化物燃料电池即可以是板式的，还可以是管式结构的，但是目前大家希望做管式支撑的结构。
板式结构在中国和世界上也比较多，因为比较容易做一些，在中国可以做到电解质的支撑电池，也可以实现量产给市场上提供产品，刚刚结题973项目的结果，量产的燃料电池去做美国国家实验室做的测试，几乎达到了世界同等的最好水平。
早期的西乌公司做的产品，如图，还有劳斯莱斯采用的也是板状结构，他们是做大型发电的，微管式的结构是为了解决固体氧化物燃料电池快速启动的问题，平板式集成的更多了，BE是做的电解质支撑的结构，目前比较重点的主流是阳极支撑的结构，英国的公司是做的金属支撑，这是作为第四代固体氧化物燃料电池是被普遍关注的，也可以解决快速启动的问题，这是非常有前景的。
电堆模块结构，有了电池和连接体和封接材料，还有电池堆的设计，堆积到一块就知道所有燃料电池中固体氧化物燃料电池工作温度是最高的，所以技术集成是最难的，目前是一点一点的探索的方式，中国经过20多年的研究也走出了自己的路，也可以独立运行自己的发电系统，目前可以做到独立启动发电系统，虽然觉得性能还没有那么好，但是在中国已经解决了有和没有的问题。
我们要推动产业的发展，国家已经对这个领域给予高度重视，产业要发展怎么来走？中国的产业基础，国际能源组织IEA每两年编一次固体氧化物燃料电池进展的白皮书，2016年初编的一期白皮书第一次收录了中国的企业，年初汇总在中国有四家企业被收录进去，2010年成立的苏州华京主要是专门做固体氧化物燃料电池产业的，第二家是广州潮州三环集团，是做芯片的系统，是最大的电池片的供应商，2013年成立的合肥的一家公司依托中国科技大学公司的技术，2014年成立的宁波的一家公司。
固体氧化物燃料电池在走向产业化过程中是非常难的，大部分企业是很努力但是也很花钱，唯一在这个过程中赚到钱的是潮州三环集团，它是美国BE公司最大的电解质片的供应商，在股市上也获得了良好的收益，因为有三环在股市上良好的表现，有软银孙正义和BE的合作，这两年市场上在FC的领域炒的非常热，但是固体氧化物燃料电池的技术是非常难的，还是要一点一点做积累，比如华清公司是从材料一直做到电池片，在固体氧化物燃料电池目前获得不了任何国外的支持，潮州三环作为BE的供应商也投入比较大的力量发展这个产业和领域，上市公司斥资购买了澳大利亚的这家公司，合肥这家公司有新的结构，希望做到几千瓦量级的状态，宁波的公司也是蜇伏期一旦爆发会有很好的成绩。中国今年年初收集到的可以拿可以和大家说的四家公司，陆续的会陆续的建立。
我们要思考中国固体氧化物燃料电池到底怎么走，国家的目标要聚集行业的人财物的力量，如何实现真正的四万小时兆瓦级的电站，要想进行商业化运行路还很长。国家支持我们做了五年国家973项目的成果，我们做到全产业链贯通，过程中做了几个示范工程，和山西晋煤集团做了煤层气坑口发电的技术，迪士尼上海有一个智慧建筑，希望在这个智慧建筑立示范运行这样的系统，固体氧化物燃料电池技术非常有难度，现在解决的是可以做出来，但是运行过程中如何更好的优化，包括获得长期的数据需要和用户一起来做示范工程这样的运行模式。
已经做的工作、和正在开展的工作，如图。这个过程中非常意识到，产业要启动的时候到现在是没有标准的，有全国燃料电池委员会，燃料电池到现在还没有一项标准通过实施，整个过程中10月份获准，中国能源研究会燃料电池专委会的二级学术机构，要推动启动的是固体氧化物燃料电池标准的建设工作，主要做两个方面标准工作，第一是社团标准、团体标准，另外是寻着国标的体系在走，全面启动固体氧化物燃料电池相关标准的建设工作。有了标准工作开始了，同时需要建设的是整个测试中心，要做行业建设的工作在，体系过程中“十三五”开局也在陆续的部署开始做了。
国家规划的目标，下一年要继续开始工作，探讨燃料电池在中国发展产业路线图，之前没有能够把大家团结在一起来做，现在业界的认识认识到需要开展这个工作，2016年11月份刚刚举行的第十八届固态离子学会大会上已经有了固体氧化物燃料电池专题的论坛，在26、25号中国能源研究会年会上，在燃料电池专委会成立大会也做了动员，在2017年会继续开展工作，我们也会推动多方面的发展。
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