清華大學教授973項目首席科學家韓敏芳
4月2-4日, '儲能國際峰會暨展覽會2018(ESIE 2018)' 在北京國家會議中心舉行. 清華大學教授973項目首席科學家韓敏芳在主題論壇上做演講. 以下是演講詳情:
清華大學教授973項目首席科學家韓敏芳:
氫能與燃料電池作為一個新興的產業, 這兩年發展的非常快, 受到了廣泛的關注, 應該說每個月, 或者說差不多每個月好幾次相關的活動, 實際上真正行業的發展應該算是2018年正是在中國比較升溫.
今天我主要彙報的是固體氧化物燃料電池相關的技術和應用的情況, 在所有的燃料電池當中會有多種多樣發展形勢.
國家整個能源行業發展背景下, 需要發展新的能源技術, 我們面臨著能源效率的問題, 汙染的問題, 二氧化碳的問題, 迫切需要發展新能源技術, 這個時候氫能以及燃料電池作為一個新的能源領域冉冉升起. 在看整個發展過程當中, 在能源體系當中我們產生的發電技術更多是熱機的形式, 通過燃料的燃燒轉化為熱能, 整個燃料電池的發展通過電化解基礎使的熱能直接轉化為電能, 這樣它的效率比較高, 還有一系列環境保護的優勢.
到底燃料電池怎麼實現更好效率發展的?傳統來說包括氫燃料和其他的化學燃料, 是空氣中的燃起直接發生燃燒反映產生熱, 現在燃料電池可以用空氣中的氧離子反應過程, 空氣中有很多氧氣, 通過燃料電池的過程, 這是通過氧離子的傳導使得它從空氣一側傳到燃料這一側, 可以氧化所有種類的燃料, 可以是純氫氣可以是碳氫燃料, 非常具有優勢, 可以更好的效率, 更高的環境保護性. 但是, 也會有更高的技術難度.
在所有種類的燃料電池當中, 現在談的比較多的是氫燃料電池, 它純氫氣做燃料, 現在也是上汽車或者剛剛講的加氫站, 除了氫燃料電池還有氧燃料電池, 燃料電池作為電化學學科類重要的分支, 所有都是已於它傳導離子不同來分類, 比如說用磷酸鹽做電解質, 還有二氧化碳碳酸根的, 目前主要由五大類燃料電池. 看整個表的情況, 橫坐標是發電的規模, 縱坐標是效率, 底本上來說燃料電池可以使用的效率比內燃機要高, 一定是可以實現的效率. 多種燃料電池當中今天要講的固體氧化物燃料電池可以實現最高的能源效率, 它的原理一定也是最具有挑戰性, 最具有難度的過程.
從燃料到燃料電池左側和右側可以看到, 左側是燃料的來源, 希望做成氫能的戰略體系, 氫可以由更多的來源, 更多的化石來源的時候可以是固體液體. 經過中間一系列技工處理的步驟最後供給燃料電池應用, 如果走了6步得到純氫氣就可以提供氫燃料電池來工作. 一氧化碳含量更高一點的時候, 做到百分量級的時候可以供磷酸鹽來工作, 總之, 它是平衡的.
當這邊做的工作多的時候, 這邊的燃料電池的技術可以相對簡單一點, 工作的溫度也低一點, 當這邊做的少一些的時候, 這邊就要在高溫下來工作, 有碳氫燃料來工作的時候, 這邊的技術要求更高的. 所有的燃料電池都具有很好的環保優勢, 不但是其他的氮氧化物的排放問題, 它的成本優勢, 一個新行業往往不太具有行業優勢, 假設我們以後做成了固體氧化物燃料電池發電, 就是國家能源級產業講到的煤氣電有兩套系統, 一個是常壓的, 一個是加壓的, 這是美國人做的數據, 美國能源部提供的數據, 投資成本和發電成本都會低, 一心代發展的能源技術當中, 能夠比火力成本發電率低的就是固體燃料電池, 現在所有的應用都在世界內被推動, 我們分為攜帶型, 分布式熱點聯供, 高性能動力電源和大型發電站, 世界上所有的應用都在應用.
日本熱電聯供技術, 日本有一個CHP公司, 最新的數據當時推的時候電效率是46.5%, 2016年最新效率嗲效率達到52%, 這是它發展成本下降數量增加情況非常有前景. 出奔除了做小型家用700瓦的, 這個規模範圍20千瓦, 50千瓦到幾百千瓦都是有的, 可以是一個小區, 可以是一個商場. 當然這個尤其適合中國發展的分布式熱點聯供要解決天氣問題, 大家很榮幸的在這個這起來源到北京, 感觸了氣侯變化跳躍性, 一周換了四季, 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系統, 2012年推行. 在固體氧化物燃料電池行業當中最有代表性的就是Bloom這家企業, 尤其是蘋果的系統, 整個獨立電網用電, 這是一個非常有代表性的. 這家公司已經做了非常多的客戶, 2001年成立的, 2009年第二間公司在紐約, 第三家和軟銀合作在日本動靜來建的, 很有可能很多同仁都希望他到重要來, 這家網站大家可以去看, 做的非常好. 尤其在規模一些大的企業都是用了它的系統.
再講講車, 特斯拉的電動車最好大家是知道的400公裡的續航裡程, 2014年豐田未來這款車也是大家追逐的, 2016年日產推了一款車500瓦的固體燃料電池加了24瓦的儲能電池, 續航裡程是600公裡, 去年七八月份這款車在巴西完成了一年的路面測試, 日產現在預計是2020年商業化這款車. 這是國際上發展的情況, 剛才說因為2016年氫能燃料電池行業在中國開始了比較快速升溫的發展, 前面同志也列出了發展的狀況, 2016年國家電網公司未來科技城幾大公司組織召開的是APEC氫能燃料電池研討會, 2016年就陸續出台了一系列政策, 在國家戰略政策上整個行業被列為引領行業變革的肩負性技術. 2016年出台了中國製造2025和國家能源行動計劃, 要想做一個事情市場推動是一方面, 國家政策的引領, 所有企業都跟著國家指揮棒來走的. 氫能燃料電池作為一個單獨的項目, 包括氫的製備存儲加氫站整個發展情況, 燃料電池的情況, 氫燃料電池和固定氧化物燃料電池, 在燃料電池當中一個做車, 一個做電站都給出了具體的. 氫燃料電池已經做了很多, 固體氧化物要求做到4萬小時的壽命, 要做相關的產業技術都有具體的一些規劃, 包括一些路線圖, 其實這個路線圖在中國還有點欠缺, 還要大家共同努力, 我們政策來了, 從人才, 技術, 產業和真正落地的政策需要大家共同來推動.
新能源汽車顯然現在是最熱的領域, 很多做氫能或者做燃料電池都是盯著這個來的, 這個2017年初工部出了燃料電池車補貼一系列相關的工作, 包括加氫站都有明確的政策可以繼續來做. 國內外發展的情況, 它的發展情況和發展目標, 這些都是屬於自己關心的, 自己會做的更詳細.
固體氧化物燃料電池還是屬於所有燃料電池當中最難的一個技術, 我們從2012年到2017年剛剛完成國家973項目這樣一個成果, 氫燃料電池這幾個領域陸陸續續有國家氫能源燃料項目, 固定氧化電池涉及到方面, 從材料到電池的過程, 到整個電池的設計, 整個整合過程當中科學規律和最後的系統整合. 成果也是多方面的, 因為國家973項目要頂天立地, 頂天到有前沿成果, 立地要有技術和系統, 從理論體繫上構建一套體系, 在電極反映過程中做的是直接使用碳氫燃料, 還要有技術的發展, 做出真正實實在在用的電池, 最後總結規律融合所有的做成一個示範系統的過程, 這個行業相當於需要走的路還有更長.
我是把整個行業發展的技術分成了四段, 產權產業鏈, 首先是材料體系, 我們的電解質材料, 陰極材料, 陽極材料都要做, 如果未來燃料電池成為一個大的行業, 你可能會做一個陽極或者陰極來供應這個事情. 有了這些材料以後做成一起燒成一個電池, 所有的材料都是氧化物, 更通俗一點就是陶瓷. 陰極陽極裝在一起通常是說三重結構, 有了這個電池以後就叫元件, 通常可以發出1伏左右的電, 但是要想實現這個功能需要整合到一起, 這個時候有縫接材料, 因為要在七八百度下來工作, 直接工作於甲烷劑, 對所有材料要求也是高的, 管理過程要求也是高的, 熱平衡系統要求也是高的, 做成了這樣一個模組再整合發電系統, 他是模組化的結構還是整體這樣一個設計的狀態. 目前在中國能做到的就是幾千瓦的設計系統, 未來可以做更多的工作.
大家都覺得這東西很神秘, 就是一些複雜材料, 搞這個領域的可以繼續去做. 以後行業發展來說, 所有這些都是商業機會, 需要全產業鏈進行布局, 不同優勢和技術的行業進入這個行業共同推動這個行業發展.
做成電池看到的, 這是剛才說的是做到單電池的情況, 目前能做到的就是標準一樣的尺寸就是10厘米乘10厘米的情況, 所有大電池測試都是在單板做的測試, 到現在行業沒有標準. 973項目過程當中人家不能說都是自己說的, 要到第三方測試, 這是丹麥做的一系列的測試, 這是它的密封件等一系列工作, 評價還是非常高的. 有了這個之後開始做整合, 做了小的堆以後也沒有人做測試, 我們當時973一部分工作在德國做的測試, 給的一系列評價. 下面就要做出一個示範系統, 就是要把所有的科學規律的一些認識做成一個示範系統. 它會直接來的是碳氫燃料, 可以用甲烷, 它的熱平衡活動管理系統更複雜一點. 過去幾年當中做了一系列的示範和一系列單位合作, 一起在全國推了幾個示範, 也是完成973項目推動全產業鏈技術的發展, 希望在工作中以這個為基礎具體推動產業的發展. 中國也有一些公司開始在做, 早期2018年全國第一家專門從事這個行業的公司, 從材料到整合都給出來了, 我叫它完成全產業鏈的工作, 但還有很長的路要走.
最後, 我們要有一個自己的學術領域, 2016年我們推動成立了燃料電池專業委員會, 2016年剛剛成立的, 當時有不到100個委員, 能源局覺得我們有點多, 行業發展非常快, 或需要繼續來做. 2017年推動成立了能源行業高溫燃料電池標準委員會, 接下來我們要推動標準的建設工作和檢測中心, 也歡迎大家方方面面一起來推動整個行業的發展.
謝謝大家!