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韩敏芳:清洁高效能源技术助力供给侧结构性改革——固体氧化物燃料电池(SOFC)技术产业发展规划

来源: | 发布时间:2017-05-15

一、项目背景和中国发展的迫切需求

燃料电池(Fuel Cell)是一种将燃料的化学能直接转换为电能的高效、清洁发电技术,是人类能源利用领域又一次变革性技术,正在全世界范围大力推广应用。在多种燃料电池技术中,固体氧化物燃料电池(SOFC)既可以使用氢气为燃料,也可以直接使用工业副产品废氢为燃料,还可以直接使用煤气、天然气、生物质气等含碳燃料,是典型的的“吃粗粮”的燃料电池发电系统,如图1所示。相比其他种类燃料电池(例如PAFCPEMFC),SOFC还具有最高的发电效率(一次发电效率45%-60%,热电联供后总效率90%);模块化设计,全固态结构,运行寿命长(~ 8万小时);不需要贵金属催化剂,设备成本和发电成本都低等特点,在分布式电站、动力电源和大型发电站领域均有广阔的应用前景。

 

                                             

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1采用SOFC发电技术,可以实现能源资源的清洁高效利用

 

世界发达国家都在大力发展和推广SOFC发电技术。目前,全球五百强公司中有三分之一的公司都在近几年陆续使用SOFC分布式发电系统,作为其总部或下属核心机构的供电设施,诸如苹果总部基地、google全球总部基地、微软总部基地等等。以20175月刚刚完工的苹果公司总部大楼Apple Park为例,其总体建筑面积97万平方米,配备了独立的微电网系统,由17MW太阳能和4MW SOFC发电系统组成,如图2所示(苹果公司在美国已经装配了10MW SOFC发电系统)。这个标志性建筑又一次向全人类展示了新一轮能源技术革命——在用户侧配备的高效、洁净、无噪音的分布式发电系统,完全独立于电网运行。这种新型发电方式为中国正在大力推进的供给测能源改革提供了可借鉴的途径。

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2 苹果公司总部大楼Apple Park及独立的供电系统

17MW太阳能和4MW SOFC发电系统)

我国长期以煤炭为主要能源来源,近30年来的快速发展主要依赖的电和热等能源动力基本来源于火力发电和内燃机等燃料(煤、石油、天然气等)的直接燃烧,效率低、污染重,对生态环境造成了破坏,形成全国大面积区域和长期的雾霾天气,为此国家和社会也背负了巨大压力。现阶段国家大力提倡和推行煤改气/电、分布式发电、微电网等,希望通过发展新型能源技术助力国家供给侧能源结构性改革。20138月,国家发布《分布式发电管理暂行办法》和《关于印发大力发展分布式发电若干意见》),力推从供给侧角度改革实现能源结构调整。为满足这一重大需求必须有适合的新一代能源技术,燃料电池发电技术正好可以满足这一重大需求。在新形势下,国家十三五规划也做了相应部署,20164月国家发布的《能源技术革命创新行动计划 (2016-2030)》其中第9项就是“氢能与燃料电池技术创新”;20166月,《中国制造2025—能源装备实施方案》中第九仍然是“燃料电池”。

目前,世界范围内SOFC发电技术正在从示范工程走向广泛的商业应用,以日本和美国等为代表的发达国家,已经在分布式电站、动力电源和大型发电站领域进行了多级别商业化产品应用:在日本、德国、英国等均运行了数百~千瓦级家用热电联供(CHP)系统,实际运行寿命超过5年,用户数量过万;日本日产汽车公司等运行了5千瓦级车用SOFC发电系统;美国Bloom Energy、日本三菱日立电力等运行了数百千瓦~兆瓦级分布式发电系统等等。在国际上SOFC如火如荼快速发展的同时,中国SOFC领域也迎来了前所未有的发展机遇。

二、中国SOFC技术进展

2007年国家自然基金委员会就意识到SOFC相关技术发展的前沿性和重要性,率先部署重点专项支持SOFC相关关键材料和基础科学研究,以此为基础开创了中国SOFC在中国的发展;从2011年开始国家科技部又通过“973计划”项目,组织全国最强的力量联合攻关,开展“碳基燃料固体氧化物燃料电池体系基础研究”( 2012CB215400),推动SOFC在中国的技术和产业研发。经过多年来的艰苦努力和持续攻关,尤其是2016年底刚刚结题的国家“973计划”“碳基燃料固体氧化物燃料电池体系基础研究”项目成果,长江学者特聘教授韩敏芳领导的技术团队已经突破了SOFC诸多核心关键技术,拥有自主知识产权,实现了SOFC关键材料、电池核心元件、电堆模块集成和独立发电系统四部分技术全线贯通,如图3所示,并在山西晋煤集团、新奥上海泛智公司等开展了示范运行。这期间还进行了产业技术孵化转移,成长了苏州华清京昆新能源科技有限公司,发展了拥有自主知识产权的产业技术,SOFC发电系统在中国的运行明显缩小了我国与日美等发达国家在技术与产品上的差距,突破了国外技术的封锁,为中国SOFC产业发展以及中国国家能源战略在未来十年打下了不可替代的坚实基础。

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3  SOFC From Powder to Power 全产业链技术

 

三、SOFC发电技术产业发展规划

以电化学为基础的SOFC发电技术是一种全新的颠覆性能源技术,这是一个全新的行业,因此,需要在国家层面进行统一规划和顶层设计,建立健全产品和技术标准,形成完善的上下游产业链和相关技术保障体系,尽量避免出现在其他新能源技术产业中普遍存在的过度投资、重复建设等问题,引导SOFC产业快速、健康、有序地发展。

为此,我们已经发起成立了中国能源研究会燃料电池专业委员会(201611月),搭建产学研用的合作发展新平台,持续推动SOFC技术产业的健康发展;推动成立了能源行业高温燃料电池标准化技术委员会(20173月),组织开展SOFC技术和产品标准建设工作,积极推进和国际标准对接。以此为基础继续推动SOFC发电技术产业发展,具体规划的近期目标如下:

 

1.        SOFC关键元件批量生产:

1)        SOFC关键材料量产;

2)        SOFC电池元件批量生产:从目前10万片/年提升至100万片/年;

3)        SOFC电堆中金属连接件和涂层批量生产;

4)        SOFC电池堆密封元件的批量生产;

2.        SOFC示范发电系统:

5)        核心技术发展和提升:从目前1~5kW提升至~100kW发电系统

6)        全产业培养:重整器,燃烧器,热交换器,控制,电子电力管理等

7)        示范工程:扩大示范应用规模,开展1~100kW不同规格的示范发电系统

3.        SOFC技术和产品标准建设,推动成立SOFC标准检测中心:

目前国内针对SOFC相关技术和产品没有标准,要填补空白;

也没有统一的检测检验中心,成立检测中心对于推动产业化非常重要:规范行业健康有序发展;打破国际垄断;在SOFC发电技术市场化之后取得国内议价权和建立针对国外平行产品的检测标准。

4.        建立SOFC产业技术研究院和产业联盟:

搭建SOFC产业技术发展平台,形成SOFC行业制高点,把SOFC行业相关的“软实力”和“硬技术”紧密结合在一起,一方面推动科研成果转化,实现产业技术推广;另一方面开展标准、检测、产业链建设、行业服务等多学科多领域交叉的技术服务,支撑SOFC实现“高校/研究院—企业—行业—产业”的生态链式发展。

5.        成立SOFC相关产业投资基金:

通过政府引导参与,建立SOFC相关产业投资基金,针对国内其他高校/研究院/高新企业等相关SOFC技术成果,提供资金和财务支持,帮助其实现产业化转化,推动形成SOFC产业“百花齐放春满园”。

主要途径为:

1)        根据SOFC产业链长的特点,以SOFC产业技术研究院为核心,推进阶段成果和成熟技术实现产业转化,逐步形成规模化产业园区;

2)        推动相关企业共同发展,在生产链中不同的环节实现效益最大化和产品最优化。

6.        发展和完善SOFC配套产业链,带动区域经济发展形成新的增长点:

SOFC从“Powder”到“Power”的全产业链过程中,需要多个行业的共同配合,发展和完善相应的产品配套供应商,可以实现产品标准化生产,整体成本降低,最终促进SOFC行业全面发展。

 

四、SOFC发电技术产业化核心团队建设及区域布局

在我国,以清华大学、苏州华清京昆新能源科技有限公司、清华东莞创新中心等为主的研发团队已经实现了SOFC发电技术关键材料、电池核心元件、电堆模块集成、发电系统等技术的全线贯通,与山西晋煤集团、新奥集团、上海迪士尼等联合开展了1 kW15 kWSOFC发电系统现场示范运行工作。团队历史20多年研发,先后承担了国家“973”计划、北京市、江苏省、山西省、广东省等SOFC产业化项目,直接推动了燃料电池专委会和标委会的成立,以及国家相关产业政策的制定。目前在全国范围内建成了如下SOFC产业区域布局:

l  北京、石家庄为主的京津冀地区:政策制定、研发主导、单元电池等关键元件的生产;

l  苏州、上海、南京为主的长三角地区:电池堆组装、新产品和关键技术研发、市场运营、国内外合作;

l  东莞、珠海、深圳为主的珠三角地区:发电系统集成、软件开发、产业技术推广。

在未来的发展过程中,将充分依托国家和地方政府的支持,继续吸收高校、科研院所、行业内相关公司加入SOFC产业化核心团队,参与SOFC全产业链的建设,推动SOFC发电技术和相关产品在国内外的实施和推广。

 

附:

团队负责人介绍:

韩敏芳 博士

清华大学热能工程系 长聘教授

教育部长江学者特聘教授

国家“973计划燃料电池项目 首席科学家

中国能源研究会燃料电池专委会 副主任兼秘书长

中国硅酸盐学会固态离子学分会 副理事长

能源行业高温燃料电池标准化技术委员会 主任

国际学术会议(Asian SOFC Symposium 主席

九三学社清华大学委员会 副主委

北京市人大代表