北京氢能产业大会|韩敏芳：燃料电池发电-储能技术进展和应用前景

　　清华大学能源与动力工程系的韩敏芳做了报告，以下是内容摘要：

　　今天汇报主要是三个方面，碳中和背景下我们面临的技术挑战和我们希望的途径。

　　自从2020年中国提出“双碳”目标以来，我们面临巨大的压力，与发达国家相比我们这个减排的压力是非常大的，我们一定要探究二氧化碳的主要来源，探究好来源以后我们才去找对策。世界范围内二氧化碳的主要来源还是来源于化石燃料的使用，到中国就更具体的来源于煤炭，使用煤炭为主的能源，大概在中国总的排放当中80%以上是来源于使用煤炭作为能源、资源。在这个行业来说，又是用煤发电和供热产生的二氧化碳又占据了50%以上，相当于煤发电和供热产生的二氧化碳占据了中国二氧化碳的年排放的一半以上，我们找到根源以后我们就要对症下药，对症下药作为科技领域，科学家这个层面一定要在技术层面上寻找突破，就要改变传统的，通过煤燃烧来实现发电这样的一种方式为燃料电池发电，就是要把燃料电池这种发电方式，直接把燃料的化学一步转化为电能，不要再绕那么多弯了，这样最直接的效果就是发电效率高。

　　怎么样实现更高效率的发电，除了我们大家更熟悉的传导氢离子的氢燃料电池以外，还可以有传导多种离子的燃料电池，今天说的这个就是传导氧离子的燃料电池，它叫固体氧化物燃料电池。氧离子传导它就是从空气一侧，从阴极一侧传导到阳极一层，因为氧离子来了以后它几乎可以氧化几乎所有种类的燃料，那么这样的话它很简单的就是说燃料适应性广，既可以采用我们现在的氢气，副产氢，还可以采用各种燃料，凡是称为燃料都可以用，燃料适应性广，很容易与现有能源系统兼容，那么要想传导氧离子就要在高温下运行，高温下运行技术难度加大，但是它动力学过程加快，所以它可以实现的是高效的发电。那么固体氧化物燃料电池目前可以实现的世界上最高的发电效率。

　　这是发电效率的比较，我们可以看到，有颜色的圈圈就是多种种类的燃料电池可以实现的发电效率，普遍高于传统的热机系统的。

　　那么在所有的燃料电池当中固体氧化物燃料电池独树一帜，它的发电效率最高，尤其是它还可以和燃气联机这个系统联动实现现在目前最高的发电效率。

　　世界范围内已经在2010年前后实现了固体氧化物燃料电池发电的商业化运行，从小到一个千瓦，日本运行的是700瓦的发电系统，大到几百千瓦的单机系统和兆瓦级的电站都已经在运行了，不但实现了高效的发电效率，发电效率从小型的一个千瓦到大型的都可以实现到55%到65%，甚至更高，联动以后是可以达到70几的。

　　同时还有非常好的减碳效果，我们说它可以实现大概差不多是30-50%的二氧化碳减排，这是针对不同的应用场景来实现的。那么世界上已经走出了非常好的一条成功的路径，那么迫切需要在中国的发展，我们看到在世界范围内，第一张图它是作为燃料电池，作为分布式供能发电这个方式，它是作为主要的应用，它大概占到了60%、70%，交通占到25%左右，剩下还有像便携式电源占5%左右，这是全球范围内，我们燃料电池分布式发电是它主要的应用场景。

　　那么尤其是在刚刚结束的日本的东京奥运会和咱们北京的冬奥会上，都做了燃料电池应用最主要的展示。那么在日本的奥运会当中除了做了车载系统，比方说500辆乘用车、100辆客车的展示之外，更主要的是平台奥运岛上做了一个5600户热电联供整体系统的展示，整体在岛上所有用的都是燃料电池的发电车载系统。我们中国是在这一次非常大的成功是做了全球最大数量的展示的氢燃料电池汽车，尤其是在商用车这个领域。所以说对比全球的应用我们中国在过去过程当中是严重忽略了燃料电池在分布式供能方面的应用，也需要作为未来更主要的发展方向予以推广的。

　　那么也在这个过程中我们是对比几个案例。与日本刚才说的小型的热电联供系统放在家里的，700瓦的发电，过去几年当中每年差不多是4-5万套的安装速度来发展。当然这里头对比的是丰田的乘用车和现代的两款乘用车，日本和韩国主要都是做的To C的，包括日本的热电联供都是To C层面的，现代这个车后来居上，发展更快，发展最高的是丰田的。我们希望中国能通过商用车的发展走出一条独特自己的发展道路，这个也是国家和我们技术领域都非常充满了信心，就像刚才心超主任也说到我们国家在锂电池汽车、电动车领域已经取得了非常大的成功，我们也非常希望中国在氢燃料电池汽车领域走出自己独特的一条路线，这是这样的一个情况。

　　当然过去一两年当中，我们这个行业很热，除了车载体系热，减碳的目标也热，经常有热联事件发生，我也是频繁的被邀请做各种观点的评价和探讨，所以说去年还是挺辛苦的，好几篇的约稿文章，包括从绿色奥运中闪亮走出的燃料电池发电技术产业前景可期，这是发在咱们汽车的蓝皮书上。碳中和愿景下采用氨做燃料相关技术的热点分析，这也是包括我们经信局，包括科委很关心的一些事情，我也是因为反反复复被问，所有做的这些都是在中文上被一些热点的关注，这都是约稿文章，包括中科院的院刊，包括清华新创立的能源领域的刊物，大家有兴趣可以具体的去分享，不展开了。

　　另一方面，所有的电化学器件都是可逆运行的，比如说正向可以发电，逆向可以电解，就像我们的锂电池一样，重电和发电，当然燃料电池也不例外，所有的我们给它燃料就可以产生电了，给了电以后可以把它电解，电解水可以得到氢气，如果我们电解二氧化碳就可以得到一氧化碳了，是一个很好的途径。

　　比较下来高温运行的固体氧化物电解池，到它的电解电压，1.2中型电压，1.29是最低的，相当于碱性电解和质子交换膜电解它可以做到更低的成本和更高的效率，最具有未来竞争前景的，这是它的一个优势。

　　另外一方面相比于低温电解池来说，电解二氧化碳，固体氧化物燃料电解池可以直接电解二氧化碳，可以从上面看到当电解水的时候它的中性电压是1.29，到电解二氧化碳的时候1.47，几乎没大的差别，但是要低温做的话，我们要做到三点几，几乎不可能的。

　　这种情况下就给我们提供了很好的途径，我们可以电解水制氢储氢，我们可以供电水和二氧化碳，把二氧化碳转化为合成气，氢气和一氧化碳，合成气以后我们所有的煤化工和石油化工发展的源头了。

　　科学家发现燃料电池可以在一台器件上，一台机器上实现正向和逆向的运行，正向发电，逆向电解，就在不同的时间段，重要的发现在于在这种运行过程中稳定性更好，相比于单独一项工作它长期的稳定性更好，这一点为我们走向产业应用提供了非常大的技术支撑，我们就可以在同一台器件上，比如说我们和太阳能的结合，白天的时候我们是电解，晚上的时候让它发电，这样的一些方式，风能也一样，不间断，更重要的是我们可以同时来处理二氧化碳，处理二氧化碳，我们对二氧化碳很难搞，我们又离不了它，到什么时候我们二氧化碳一直会在这个地球上会存在的，离不了它，所以我们要做的减碳富碳技术，把它分解成一氧化碳寻找合适的途径。这样的话有这样的一个装置来实现它的中和和平衡的情况，这个我们已经做了比较久的时间了，趁现在这个热潮。

　　有了这样的一个基础和理念之后，我们就可以和现在几乎所有的能源体系进行兼容包括所有的体系融合到一起。

　　有了这些技术的认识我们要思考的是中国低碳能源的战略，那么因为今天这么大的一个课堂我给几条思索的途径。

　　首先面对中国煤炭，中国高碳能源低碳利用的新途径，这个是大家看到，这是2012年提出来的，中国的煤很多发电，我们首先煤气化以后有燃料电池发电，因为燃料电池是一个化学反应器件，它不可能像燃烧一样直接把燃料都转化成热，它一定有合适的燃料利用率的。这种情况下它还有一个尾气的排放，不同于氢燃料电池可以在氢电极上做无限的循环，所以说它会有发燃料(音)出来，发燃料出来我们就可以联动气联机，我们就可以联动气联机，日本是联动的微燃机，三菱做的微燃机，中国微燃机今年刚发布了一个征求指南稿，希望做燃机的联动，当然也可以燃机变成热，做蒸汽的联动。总之这个图上最底下的一条红线通过燃料电池实现的高效发电，发电以后燃料电池发电好处是它的产物就是二氧化碳和水，并且它不和空气所混合的，我们很容易得到高纯度的二氧化碳。

　　上面那条线我们可以用可再生资源的电力，尤其是三气电力直接电解水和二氧化碳，得到合成气息得到合成气，得到合成气以后可以兼容所有的合成系统。

　　以这个思路体系为基础，我们就开始做的中国的第一个973和现在的重点专项项目的推动，这是它的发展。

　　第二个思路就是中国西部资源化的充分利用问题，我们有传统的西气东输、西电东送，但是三气电力在西部是很发达的，还要考虑西部原地的消化问题，尤其是我们提出来西部的跨际储能、我们怎么把风水气的水电用到枯水区，把有限夏天的光源系统用到冷的时候，这是一个思路。

　　再就是和太阳能的一个结合，比方说我们刚刚说发电电解刚才说了，我们更喜欢的用的是太阳光伏这个电，实际上太阳光里头更容易用的是热，我们可以用光电和光热共同来结合，实现它的长时间的供电。

　　其实这样的电站在美国，在夏威夷岛上美国都有示范电站在运行，我们只是在中国要推动它，寻找一个合适的场景，所以我就把它放到了超临近空间，长续航时间的一个运行。

　　最后一个是和流程制造业的结合，比方说我们和轻冶金、冶金行业的结合，在碳排放当中，排第三行业的就是钢铁行业，11吨钢铁，14吨二氧化碳的排放，那么我们一个趋势就要用轻冶金代替碳冶金，轻冶金代替碳冶金就要原地制备氢，可再生资源很多来制氢，制了氢以后就直接用轻冶金炼钢这个事情。重要的一个事情从系统工程的考虑来说，这种大的钢铁行业以及行业当中它都是高热的行业，有很多废热，包括我前面讲到的太阳热的问题，高度电解是要800度运行，比方说在3伏左右，三点几度电一方氢的时候，如果兼容一些废热的话，可以把它的电解效率做的超过1，这是整个行业当中更好的建设和节能，所以这些项目也都是在做。

　　最后我们就提出来，这是2016年做完第一个973的时候提出来的，我们基于碳中和分布式能源转化易储存，我简单做个解释。

　　左边这条红色的线我们就是用传统的各种能源作为燃料的我们来发电，我们来做分布式发电，分布式发电可以实现更好的高效率和它的碳排放、碳减排，下边这条线从红过渡到绿是传统的煤化工、石油化工工艺，煤化工、石油化工第一步把化石燃料变成合成气，有了合成气以后通过付托合成可以合成我们几乎想要的所有的化工品和我们所有的燃料，比方说煤制烯烃，煤制甲醇这些体系大家熟悉的，这是我们传统的一条路线。

　　右边绿色的这条线它是可再生资源开始，通过供电解、水和二氧化碳得到的是合成气，这里还有一个更主要的特点，在电解过程中氢气和一氧化碳几乎是很大比例内是任意可调的，可调的过程中使得我们传统的费托合成当中要简化很多。煤化工比例是固定的，还要做单独的加氢，煤制化工品的过程中是存在不同加氢的过程，这个我们就一步可以实现希望要的途径，可以把二氧化碳吃掉，以后所有的化工合成就从二氧化碳和可再生资源电力开始就行了。

　　上面一行就是刚才说的煤冶金、储能这样的一些方式，这样一条路线都是替国家来考虑的，所以我觉得当代世界要求科学家要顶天立地，既有前沿的战略视角，国家整个能源体系怎么做，并且我们要持续的说，国家各方面什么时候能认识到或者意识到去做这是另一个过程，但是我们认识到以后要坚定的去说。同时我们还要脚踏实地，千里之行始于足下，我们要实实在在的把这个技术做好，那么在所有的燃料电池技术当中，我们今天分享的高温，它是所有的电化学器件当中难度最高的一个，这一点在我们学术界大家可以挑战任何一个，大家可以来华山论剑。

　　这个是非常难的，在国外商业应用十几年以后，它所有的技术和产品到现在仍然是不给中国的，那么刚才已经讲了，它可以从小型到大型一直在应用，应用的很好，成本下降的也很快，发电效率持续提高，也很快。所以它非常难，难到了我们要建一个电站，是要从电极材料做起的，并且它是一个高温的工程技术，不像我们做锂电池做了一个电池器件就可以直接卖了，做完一个电池以后还是不Work的，还要做到发电系统，我是从材料学出身，做到能源与动力系统，要把这个做到头这样一个发电的过程。

　　电解体系也是一样，从材料到构建，到整个体系的系统一直在做这个。

　　我们简单汇报一下产业进展的情况，大家很关心。那么我们是第一个做固体氧化物燃料电池，从实验室到中试，再到产业，是在2010年就开始了这样的一个历程，2010年开展这项历程是基于前面10多年的科学研究的认识。第二基于对全球视野的观察，在那个前后世界上都用到了，但中国一点都没有，我们是一年磨一剑，到2019年开始建全产业链，目前是在江苏建成了它的全产业链，包括整个到发电系统，包括一个重整期所有产业链的配套，刚才建秋教授讲的是它汽车是从后端集成商业模式一直做到前边要做膜电极，我们这个很清楚，后边做不了，必须要从前面一点一点的材料，从电解质材料、电机材料做成电池，再做到整体系统，配合到所有的产业链索性这个产业目前在非常大的发展和启动，“十四五”期间科技部是第一次的同时在2021、2022年包括今年布局好几个项目同时支持这个领域方方面面的发展，国家也认识到这个重要。北京市这个产业我们也是非常重视，我们现在也会在北京做它整体的集成，比如说2022年对标日本的体系，我们完成1000-5000瓦，最近是从5000-25千瓦过程的下降，最后一点时间我也得把握好时间，最后一点时间也做个广告，我们这个联盟是2021年4月份成立的，因为疫情今年终于是首届的我们大的论坛各方面的活动就开始启动，也非常感谢各位到场的。

　　同时我们还有一个能源局批复的能源行业的高温燃料电池标准委员会，这个委员会刚刚说了一个标准都没有，我们产业也要动，今年是五年了，要换届，在今年的4月份我们要在合肥召开我们标委会的工作会议和换届的讨论会，也非常欢迎大家踊跃的加入我们标准委员会。

　　同时我们还有一个中国能源研究会燃料电池专委会二级学会，去年完成的换届，现在是第二届，在座的好几位也是我们的副主任委员，今年的5月份就是我们会在榆林召开年会，也是各方面的学术活动，也非常欢迎大家的积极参与，也非常感谢大家各方面的支持，这是大概例行标准的情况，一届当中从术语开始做起的，推行了一系列的标准，能源局把的还是非常严的。

　　也非常感谢北京市经信局和科委的支持，那么我们北京市是在2021年发布的氢能产业实施方案，这是全国第一个不是以汽车燃料电池城市群以外的氢能全面利用的这样一个实施方案，非常的重要，当时是我们经信局材料处冷处这一块支持下，非常有表率作用和前沿作用。在2021年发布以后，过去和今年我们推动了一系列示范项目，城市群以外示范项目。

　　为什么非常有前沿性?2021年发布的，国家2022年3月份发布国家的中长期发展规划，国家这个中长期发展规划是把氢能所谓利用方面都囊括在一起了，所以我们做了一个很好前沿的引导，也充分体现了我们北京市在这一方的高瞻远瞩和前沿性。