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中科院宁波材料所杨钧:高温燃料电池及其制氢储能应用发展现状

作者:中国国际储能大会 来源:中国国际储能大会 时间:2019-05-24 浏览:

中国国际储能大会:4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月26日上午的“氢能与燃料电池”专场,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员杨钧在会上分享了主题报告《高温燃料电池及其制氢储能应用发展现状》,以下为演讲实录:

杨钧:大家好,我是来中科院的杨钧。这是基于我们去年完成的给宁波市做的软课题。下面我们跟大家分享一下我们在这方面做的一些调研工作。主要分为这几个部分。

刚才几位嘉宾都提到了巴黎协定和节能减排的事情。中国做的承诺主要也是二氧化碳的节能减排要下降60%-65%。在非化石能源就是新能源要提升到20%左右。在今后相当长的时间内,中国的能源结构还是以化石能源为主,尽管新能源比例要提升,但是提升不会那么快。还有一个是二氧化碳排放的峰值和森林的蓄积量增加的承诺。总的来说要节能减排,要达到这个目标,一个很重要的技术路线或者发展方向就是要发展氢能与燃料电池技术。

这在我们过去10年当中,从国家到地方,从产业到学术科研圈,其实都有共识,就是要发展氢能和燃料电池技术。这是国家层面的一些政策或者是战略的文件。其中,提到了氢能和燃料电池技术。高温燃料电池技术SOFC实际上在几个国家层面的战略发展的文件里面也得到了体现。目前,社会上或者投资圈、产业界比较关注的还是低温的燃料电池。实际从文件上来看,高温燃料电池在国家层面上也是得到了一个比较大的重视。燃料电池刚才几位老师介绍了背景,相信大家对高温燃料电池也有一个比较感性的认识。实际上是按照电解质的种类来分类的,首先最早商业化的是磷酸燃料电池,接下来是熔融碳酸盐燃料电池,然后是质子交换膜燃料电池,固体氧化物燃料电池是金属氧化物,是最新一代的燃料电池。它的发电效率也是所有燃料电池里面最高的,因为它的工作温度比较高,所有的电池本身的关键部件全部都是用陶瓷材料,这是比较廉价的陶瓷材料。还有一个比较重要的特性就是SOFC可以使用碳氢燃料还可以使用氨。还有刚才方博士提到了SOFC的重要特点,反应物和生成物全部都是气相。一套设备可以实现发电和电解两个模式。这是SOFC区别于其他燃料电池的特点。

从应用场景来说,SOFC主要的应有场景总结下来就是发电、供热、制氢,还可以电解二氧化碳。从功率上来讲,从20瓦到100千瓦都有。根据不同应用场景做了一个分类。目前在不同的应用场景下面,国内外都有企业做产业化的工作。企业在这几年迅速地增加。目前有十余家企业。这是正在做SOFC产业化的企业。

目前中国SOFC发展现状,用一句话来总结,就是说目前已经建立从原材料粉末到发电系统的完整技术链条。在每个关键的技术环节,国内目前的现状是都能做。但是和国外先进水平相比,跟他们的性能、耐久性方面,我们还是有比较大的差距。接下来也是一个整个SOFC行业需要攻关的一个阶段。从技术路线来讲,SOFC有很多技术路线。我们SOFC的技术路线主要受电池的结构,电池的几何结构来决定。左上角是是电解质的支撑结构。SOFC可以分三层,阴级、阳级,中间用隔膜隔开。做科研用,做小型的钮扣电池研究电极材料或者研究电解质材料,同样使用电解质支撑性。美国BE公司把电解质支撑型做大,现在的24千瓦25千瓦模块也是用了这种结构。

第二种是平板式结构,它的特点是很薄。工作层里面是阳极的支撑层是最厚的。这是目前全世界范围内最流行的电极结构。我们国内做产业化做工程化的研究,过去也是以超薄平板式技术路线为主,平板式的电池性能比较高但是结构强度比较低。左下角是管式电池,特点是比较容易做到大功率,但是缺点就是电流密度比较小。还有扁管式结构,吸收了平板式和管式的优点。

从产业发展来讲,目前中国SOFC的产业化实际上有两个来源。一个是从科研院所的成果转移转化来做产业化的公司。一会儿会讲一些代表的企业。还有一个是中国企业引进国外的先进技术。这也是一个有代表性的企业。还有初创企业做的自主研发的产业化的工作。    

一个例子来自武汉华中科技大学的,一会儿也有他们课题组的李老师来做这个报告。他们从粉末到发电系统做到了五千瓦的发电系统。最近取得了比较稳定的发电性能,对这个公司也比较期待。还有一个是潮州三环,它在电子陶瓷方面有数十年开发经验的陶瓷公司。他们经过了这些年的发展,在电堆工程化领域做到了国内领先水平。去年年初中央二台报道了他们作为一个独角兽企业,报道了他们最新的成果和产业发展现状。还有,苏州华清京昆公司,也经过了将近十年的发展。在2019年也就是今年他们在徐州共同跟徐州当地政府合作,开展了一个固体氧化物燃料电池的产业化项目。预计2019年6月份可以部分试产。

下面跟大家汇报一下基于氢气的储能应用。上面这张图方博士讲得比较明确。我们把弃风弃光等用不到的电来电解水制氢,氢可以储存起来。必要的时候再重新转化为电力或者化工原料。在这样一个循环的过程当中,基本上没有碳的参与也没有碳排放。这是一个比较理想的能源循环体系。这里面,很明显两个关键技术,一个制氢一个发电。制氢方面,提出要大规模制氢技术和分布式制氢技术。大部分90%以上都是来自化工的制氢。在电解水制氢过程当中可以实现无碳排放的制氢。电解水制氢技术里面高温固体氧化物电池,电解水制氢也有它的特殊优势。首先能量转化效率是最高的。可以直接电解高温水蒸气,因为本身工作温度就高。

最后提一个发展建议。调研下来发现,SOFC燃料电池的产业链是非常长的。它有粉体燃料、单电池包括分装再做成电堆、系统,系统后面还有各种各样的终端应用。产业链非常长,靠一家单位很难把整条产业链做下来。我们的建议,希望各个环节上的或者有志于参与燃料电池产业的单位,我们作为产业链上下游,要形成一个合力来协同创新。这是做完调研之后得到的发展建议也是一个心得体会。我的汇报就到这里,谢谢大家!


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