燃料电池技术进展、应用及挑战

为助力中国储能企业与国际接轨，同时致力于推动中国储能产业机制的建立，实现储能技术商业化，中关村储能产业技术联盟举办的“储能国际峰会暨展览会2018(ESIE2018)”于2018年4月2-4日在北京国家会议中心举行。清华大学教授973项目首席科学家韩敏芳发表题为《固定氧化物燃料电池技术进展及应用》的演讲，文字实录如下：

氢能与燃料电池作为一个新兴的产业，这两年发展的非常快，受到了广泛的关注，应该说每个月，或者说差不多每个月好几次相关的活动，实际上真正行业的发展应该算是2018年正是在中国比较升温。

今天我主要汇报的是固体氧化物燃料电池相关的技术和应用的情况，在所有的燃料电池当中会有多种多样发展形势。

国家整个能源行业发展背景下，需要发展新的能源技术，我们面临着能源效率的问题，污染的问题，二氧化碳的问题，迫切需要发展新能源技术，这个时候氢能以及燃料电池作为一个新的能源领域冉冉升起。在看整个发展过程当中，在能源体系当中我们产生的发电技术更多是热机的形式，通过燃料的燃烧转化为热能，整个燃料电池的发展通过电化解基础使的热能直接转化为电能，这样它的效率比较高，还有一系列环境保护的优势。

到底燃料电池怎么实现更好效率发展的？传统来说包括氢燃料和其他的化学燃料，是空气中的燃起直接发生燃烧反映产生热，现在燃料电池可以用空气中的氧离子反应过程，空气中有很多氧气，通过燃料电池的过程，这是通过氧离子的传导使得它从空气一侧传到燃料这一侧，可以氧化所有种类的燃料，可以是纯氢气可以是碳氢燃料，非常具有优势，可以更好的效率，更高的环境保护性。但是，也会有更高的技术难度。

在所有种类的燃料电池当中，现在谈的比较多的是氢燃料电池，它纯氢气做燃料，现在也是上汽车或者刚刚讲的加氢站，除了氢燃料电池还有氧燃料电池，燃料电池作为电化学学科类重要的分支，所有都是已于它传导离子不同来分类，比如说用磷酸盐做电解质，还有二氧化碳碳酸根的，目前主要由五大类燃料电池。看整个表的情况，横坐标是发电的规模，纵坐标是效率，底本上来说燃料电池可以使用的效率比内燃机要高，一定是可以实现的效率。多种燃料电池当中今天要讲的固体氧化物燃料电池可以实现最高的能源效率，它的原理一定也是最具有挑战性，最具有难度的过程。

从燃料到燃料电池左侧和右侧可以看到，左侧是燃料的来源，希望做成氢能的战略体系，氢可以由更多的来源，更多的化石来源的时候可以是固体液体。经过中间一系列技工处理的步骤最后供给燃料电池应用，如果走了6步得到纯氢气就可以提供氢燃料电池来工作。一氧化碳含量更高一点的时候，做到百分量级的时候可以供磷酸盐来工作，总之，它是平衡的。

当这边做的工作多的时候，这边的燃料电池的技术可以相对简单一点，工作的温度也低一点，当这边做的少一些的时候，这边就要在高温下来工作，有碳氢燃料来工作的时候，这边的技术要求更高的。所有的燃料电池都具有很好的环保优势，不但是其他的氮氧化物的排放问题，它的成本优势，一个新行业往往不太具有行业优势，假设我们以后做成了固体氧化物燃料电池发电，就是国家能源级产业讲到的煤气电有两套系统，一个是常压的，一个是加压的，这是美国人做的数据，美国能源部提供的数据，投资成本和发电成本都会低，一心代发展的能源技术当中，能够比火力成本发电率低的就是固体燃料电池，现在所有的应用都在世界内被推动，我们分为便携式、分布式热点联供、高性能动力电源和大型发电站，世界上所有的应用都在应用。

日本热电联供技术，日本有一个CHP公司，最新的数据当时推的时候电效率是46.5%，2016年最新效率嗲效率达到52%，这是它发展成本下降数量增加情况非常有前景。出奔除了做小型家用700瓦的，这个规模范围20千瓦、50千瓦到几百千瓦都是有的，可以是一个小区，可以是一个商场。当然这个尤其适合中国发展的分布式热点联供要解决天气问题，大家很荣幸的在这个这起来源到北京，感触了气侯变化跳跃性，一周换了四季，在北京也不容易。

大型化的全世界字的最好的是三菱重工，2009年推出的SOFC—MGT系统，2012年推行。在固体氧化物燃料电池行业当中最有代表性的就是Bloom这家企业，尤其是苹果的系统，整个独立电网用电，这是一个非常有代表性的。这家公司已经做了非常多的客户，2001年成立的，2009年第二间公司在纽约，第三家和软银合作在日本动静来建的，很有可能很多同仁都希望他到重要来，这家网站大家可以去看，做的非常好。尤其在规模一些大的企业都是用了它的系统。

再讲讲车，特斯拉的电动车最好大家是知道的400公里的续航里程，2014年丰田未来这款车也是大家追逐的，2016年日产推了一款车500瓦的固体燃料电池加了24瓦的储能电池，续航里程是600公里，去年七八月份这款车在巴西完成了一年的路面测试，日产现在预计是2020年商业化这款车。这是国际上发展的情况，刚才说因为2016年氢能燃料电池行业在中国开始了比较快速升温的发展，前面同志也列出了发展的状况，2016年国家电网公司未来科技城几大公司组织召开的是APEC氢能燃料电池研讨会，2016年就陆续出台了一系列政策，在国家战略政策上整个行业被列为引领行业变革的肩负性技术。2016年出台了中国制造2025和国家能源行动计划，要想做一个事情市场推动是一方面，国家政策的引领，所有企业都跟着国家指挥棒来走的。氢能燃料电池作为一个单独的项目，包括氢的制备存储加氢站整个发展情况，燃料电池的情况，氢燃料电池和固定氧化物燃料电池，在燃料电池当中一个做车，一个做电站都给出了具体的。氢燃料电池已经做了很多，固体氧化物要求做到4万小时的寿命，要做相关的产业技术都有具体的一些规划，包括一些路线图，其实这个路线图在中国还有点欠缺，还要大家共同努力，我们政策来了，从人才、技术、产业和真正落地的政策需要大家共同来推动。

新能源汽车显然现在是最热的领域，很多做氢能或者做燃料电池都是盯着这个来的，这个2017年初工部出了燃料电池车补贴一系列相关的工作，包括加氢站都有明确的政策可以继续来做。国内外发展的情况，它的发展情况和发展目标，这些都是属于自己关心的，自己会做的更详细。

固体氧化物燃料电池还是属于所有燃料电池当中最难的一个技术，我们从2012年到2017年刚刚完成国家973项目这样一个成果，氢燃料电池这几个领域陆陆续续有国家氢能源燃料项目，固定氧化电池涉及到方面，从材料到电池的过程，到整个电池的设计，整个集成过程当中科学规律和最后的系统集成。成果也是多方面的，因为国家973项目要顶天立地，顶天到有前沿成果，立地要有技术和系统，从理论体系上构建一套体系，在电极反映过程中做的是直接使用碳氢燃料，还要有技术的发展，做出真正实实在在用的电池，最后总结规律融合所有的做成一个示范系统的过程，这个行业相当于需要走的路还有更长。

我是把整个行业发展的技术分成了四段，产权产业链，首先是材料体系，我们的电解质材料、阴极材料、阳极材料都要做，如果未来燃料电池成为一个大的行业，你可能会做一个阳极或者阴极来供应这个事情。有了这些材料以后做成一起烧成一个电池，所有的材料都是氧化物，更通俗一点就是陶瓷。阴极阳极装在一起通常是说三重结构，有了这个电池以后就叫元件，通常可以发出1伏左右的电，但是要想实现这个功能需要集成到一起，这个时候有缝接材料，因为要在七八百度下来工作，直接工作于甲烷剂，对所有材料要求也是高的，管理过程要求也是高的，热平衡系统要求也是高的，做成了这样一个模块再集成发电系统，他是模块化的结构还是整体这样一个设计的状态。目前在中国能做到的就是几千瓦的设计系统，未来可以做更多的工作。

大家都觉得这东西很神秘，就是一些复杂材料，搞这个领域的可以继续去做。以后行业发展来说，所有这些都是商业机会，需要全产业链进行布局，不同优势和技术的行业进入这个行业共同推动这个行业发展。

做成电池看到的，这是刚才说的是做到单电池的情况，目前能做到的就是标准一样的尺寸就是10厘米乘10厘米的情况，所有大电池测试都是在单板做的测试，到现在行业没有标准。973项目过程当中人家不能说都是自己说的，要到第三方测试，这是丹麦做的一系列的测试，这是它的密封件等一系列工作，评价还是非常高的。有了这个之后开始做集成，做了小的堆以后也没有人做测试，我们当时973一部分工作在德国做的测试，给的一系列评价。下面就要做出一个示范系统，就是要把所有的科学规律的一些认识做成一个示范系统。它会直接来的是碳氢燃料，可以用甲烷，它的热平衡活动管理系统更复杂一点。过去几年当中做了一系列的示范和一系列单位合作，一起在全国推了几个示范，也是完成973项目推动全产业链技术的发展，希望在工作中以这个为基础具体推动产业的发展。中国也有一些公司开始在做，早期2018年全国第一家专门从事这个行业的公司，从材料到集成都给出来了，我叫它完成全产业链的工作，但还有很长的路要走。

最后，我们要有一个自己的学术领域，2016年我们推动成立了燃料电池专业委员会，2016年刚刚成立的，当时有不到100个委员，能源局觉得我们有点多，行业发展非常快，或需要继续来做。2017年推动成立了能源行业高温燃料电池标准委员会，接下来我们要推动标准的建设工作和检测中心，也欢迎大家方方面面一起来推动整个行业的发展。