清華大學(xué)韓敏芳：產(chǎn)業(yè)化是中國(guó)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(dòng)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(guó)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(shí)錄：
韓敏芳：各位早上好，非常感謝組委會(huì)有這樣的機(jī)會(huì)，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(bào)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(duì)國(guó)家重大需求，在中國(guó)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)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(wèn)題、效率問(wèn)題等等問(wèn)題產(chǎn)生。迫切需要解決新的發(fā)電技術(shù)的方案，這時(shí)候固體氧化物燃料電池應(yīng)運(yùn)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(huì)看到，未來(lái)國(guó)家對(duì)整個(gè)規(guī)劃中，燃料電池都占有很重要的一席之地，主要是兩個(gè)文件，2016年剛剛出臺(tái)能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃和中國(guó)制造2025。
能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃中，第九項(xiàng)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(wàn)小時(shí)，這是很有挑戰(zhàn)性的指標(biāo)。
中國(guó)制造2025是個(gè)巧合，也是第九項(xiàng)，明確提出，能源裝備中要做到百千萬(wàn)和兆瓦級(jí)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(jí)。面對(duì)國(guó)家大的規(guī)劃目標(biāo)，我們是有責(zé)任來(lái)探討如何來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的情況，國(guó)家給出來(lái)的路線圖，希望2016年到2020、2025、2030年做到兆瓦級(jí)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(gè)月26號(hào)剛剛成立了中國(guó)能源研究會(huì)燃料電池專委會(huì)，一百多人來(lái)參加，人員上在中國(guó)是非常有保證的，我們863和973中也列了計(jì)劃。從技術(shù)到產(chǎn)業(yè)上的過(guò)渡，今天談產(chǎn)業(yè)前景的發(fā)展，這個(gè)過(guò)程中需要進(jìn)一步的出臺(tái)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(dòng)力電源和大性能動(dòng)力裝置都可以做到。世界范圍內(nèi)也有產(chǎn)品，美國(guó)便攜式用在軍隊(duì)上，日本重點(diǎn)推2011年10月份商業(yè)化700瓦熱電聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，大型的發(fā)電，美國(guó)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(dòng)車行業(yè)永遠(yuǎn)是非常熱的。
高性能電動(dòng)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(lái)這款車也是商業(yè)化，122升油箱。如果可以實(shí)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(gè)運(yùn)行過(guò)程中適應(yīng)路況這么復(fù)雜體系時(shí)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(wàn)套了。美國(guó)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(hào)稱是整個(gè)性能沒(méi)衰減，整個(gè)效率達(dá)到90%。
中國(guó)的技術(shù)前景，我們?cè)趺醋瞿?？把整個(gè)發(fā)展分為四個(gè)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(guó)非常有優(yōu)勢(shì)的，所有的材料中國(guó)都是很豐富的，尤其是用到一些輕稀土資源，這是中國(guó)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(jí)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(guó)和世界上也比較多，因?yàn)楸容^容易做一些，在中國(guó)可以做到電解質(zhì)的支撐電池，也可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)給市場(chǎng)上提供產(chǎn)品，剛剛結(jié)題973項(xiàng)目的結(jié)果，量產(chǎn)的燃料電池去做美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室做的測(cè)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(dòng)的問(wèn)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(diǎn)的主流是陽(yáng)極支撐的結(jié)構(gòu)，英國(guó)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(dòng)的問(wèn)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(jì)，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(diǎn)一點(diǎn)的探索的方式，中國(guó)經(jīng)過(guò)20多年的研究也走出了自己的路，也可以獨(dú)立運(yùn)行自己的發(fā)電系統(tǒng)，目前可以做到獨(dú)立啟動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，雖然覺(jué)得性能還沒(méi)有那么好，但是在中國(guó)已經(jīng)解決了有和沒(méi)有的問(wèn)題。
我們要推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家已經(jīng)對(duì)這個(gè)領(lǐng)域給予高度重視，產(chǎn)業(yè)要發(fā)展怎么來(lái)走？中國(guó)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)際能源組織IEA每?jī)赡昃幰淮喂腆w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(guó)的企業(yè)，年初匯總在中國(guó)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(guó)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(guò)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(gè)過(guò)程中賺到錢的是潮州三環(huán)集團(tuán)，它是美國(guó)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?yàn)橛腥h(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(chǎng)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(diǎn)一點(diǎn)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(guó)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(gè)產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域，上市公司斥資購(gòu)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(jí)的狀態(tài)，寧波的公司也是蜇伏期一旦爆發(fā)會(huì)有很好的成績(jī)。中國(guó)今年年初收集到的可以拿可以和大家說(shuō)的四家公司，陸續(xù)的會(huì)陸續(xù)的建立。
我們要思考中國(guó)固體氧化物燃料電池到底怎么走，國(guó)家的目標(biāo)要聚集行業(yè)的人財(cái)物的力量，如何實(shí)現(xiàn)真正的四萬(wàn)小時(shí)兆瓦級(jí)的電站，要想進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)行路還很長(zhǎng)。國(guó)家支持我們做了五年國(guó)家973項(xiàng)目的成果，我們做到全產(chǎn)業(yè)鏈貫通，過(guò)程中做了幾個(gè)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(gè)智慧建筑，希望在這個(gè)智慧建筑立示范運(yùn)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(lái)，但是運(yùn)行過(guò)程中如何更好的優(yōu)化，包括獲得長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)需要和用戶一起來(lái)做示范工程這樣的運(yùn)行模式。
已經(jīng)做的工作、和正在開展的工作，如圖。這個(gè)過(guò)程中非常意識(shí)到，產(chǎn)業(yè)要啟動(dòng)的時(shí)候到現(xiàn)在是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的，有全國(guó)燃料電池委員會(huì)，燃料電池到現(xiàn)在還沒(méi)有一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)實(shí)施，整個(gè)過(guò)程中10月份獲準(zhǔn)，中國(guó)能源研究會(huì)燃料電池專委會(huì)的二級(jí)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，要推動(dòng)啟動(dòng)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(gè)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(guó)標(biāo)的體系在走，全面啟動(dòng)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(shí)需要建設(shè)的是整個(gè)測(cè)試中心，要做行業(yè)建設(shè)的工作在，體系過(guò)程中“十三五”開局也在陸續(xù)的部署開始做了。
國(guó)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(guó)發(fā)展產(chǎn)業(yè)路線圖，之前沒(méi)有能夠把大家團(tuán)結(jié)在一起來(lái)做，現(xiàn)在業(yè)界的認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)到需要開展這個(gè)工作，2016年11月份剛剛舉行的第十八屆固態(tài)離子學(xué)會(huì)大會(huì)上已經(jīng)有了固體氧化物燃料電池專題的論壇，在26、25號(hào)中國(guó)能源研究會(huì)年會(huì)上，在燃料電池專委會(huì)成立大會(huì)也做了動(dòng)員，在2017年會(huì)繼續(xù)開展工作，我們也會(huì)推動(dòng)多方面的發(fā)展。
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