中國儲能網(wǎng)訊：9月9日，第二屆儲能電池技術(shù)發(fā)展方向研討會在京召開。
本次會議由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會與中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)研究組聯(lián)合主辦，北京好風(fēng)光儲能技術(shù)有限公司、浙江南都電源動力股份有限公司、中天儲能科技有限公司、長興太湖能谷科技有限公司及合肥博澳國興能源技術(shù)有限公司等單位聯(lián)合支持。
華中科技大學(xué)自動化學(xué)院教授李曦出席了本次會議，并發(fā)表了題為《固體氧化物燃料電池（SOFC）系統(tǒng)》的報(bào)告，以下為演講全文：
李曦：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家大家上午好！我是來自華中科技大學(xué)自動化學(xué)院的李曦，今天給大家匯報(bào)的題目是固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，簡稱SOFC系統(tǒng)。
在大家所拿到的宣傳冊上本報(bào)告提到了七個方面，考慮到時(shí)間關(guān)系我把它濃縮成五個方面。
第一個方面是固體氧化物燃料電池的背景：我們國家作為一個煤碳消費(fèi)大國，傳統(tǒng)的發(fā)電采用煤碳、火力發(fā)電這幾種能源獲取方式，這些方式會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞、能源利用率低下，以及非可再生能源匱乏等問題，針對這些問題，在最近的幾年尤其最近五六年國家逐步展開部署，陸續(xù)由工信部、發(fā)改委以及能源局聯(lián)合發(fā)布《分布式發(fā)電能源技術(shù)革命的創(chuàng)新行動》，還有三部委聯(lián)合發(fā)布的《中國制造2025》等政策導(dǎo)向性文件，尋求一種新的發(fā)電技術(shù)及新能源裝備。燃料電池可能和大家剛才報(bào)告中所講的電池類型，以及我們這個大會的主題聽起來感覺有一點(diǎn)點(diǎn)異類，我們這個燃料電池和儲能電池還有一點(diǎn)不一樣。儲能電池主要是從電能存儲下來，再去把電能釋放出來。
我們這個燃料電池是利用燃料里面的內(nèi)能，通過電化學(xué)轉(zhuǎn)化的方式產(chǎn)生電能，是一種綠色發(fā)電裝置，它的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是不一樣的。談到燃料電池這兩年大家可能感覺有一點(diǎn)風(fēng)口上的感覺，尤其是談到各種燃料電車、新能源車，一談到燃料電池大家會感覺就是用到車上的燃料電池，實(shí)際上，燃料電池在最近幾十年的發(fā)展中，按其電解質(zhì)、工作溫度以及燃料的來源，主要可分為五大類。包括固體氧化物燃料電池、磷酸鹽、熔融碳酸鹽、堿性與質(zhì)子交換膜燃料電池等。但當(dāng)前國際和國內(nèi)主流市場主要包括兩種燃料電池，一種是新能源電池車上作為動力用的質(zhì)子交換膜燃料電池，是一種低溫燃料電池；另外一種能用在分布式電站和汽車輔助動力等領(lǐng)域的類型就是今天要給大家講的固體氧化物燃料電池。這種燃料電池將外部的燃料直接轉(zhuǎn)化成電能，不需要像傳統(tǒng)的燃料去燃燒驅(qū)動蒸汽輪機(jī)或者渦輪機(jī)發(fā)電，傳統(tǒng)燃燒式的發(fā)電會受到卡諾循環(huán)限制，導(dǎo)致電能量效率轉(zhuǎn)換較低，我們這種燃料電池發(fā)電轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)60%。同時(shí)，把產(chǎn)生的熱充分利用形成熱電聯(lián)供可以達(dá)到80%的效率，我們這種燃料電池發(fā)電效率比較高，沒有噪音，甚至產(chǎn)生的反應(yīng)物主要是水這種對環(huán)境沒有污染的低排放物質(zhì)。
右下角是我們今天要講的固體電池基本反應(yīng)原理，在600-800攝氏度環(huán)境下面，通過空氣中的氧得到電子，傳輸通過電解質(zhì)到陽極中的燃料來源如氫氣、一氧化碳，把陽極中燃料失去電子后的離子，與氧離子反應(yīng)生成水、二氧化碳，驅(qū)動外部的負(fù)載，其是一個發(fā)電裝置。
剛才只是看到了我們這個固體氧化物燃料電池的反應(yīng)原理。要形成一個發(fā)電裝備，一個綠色的發(fā)電機(jī)，要把這個燃料電池首先基于單電池的反應(yīng)載體（包括陰極、陽極、電解質(zhì)三層結(jié)構(gòu)），圍繞它的大功率需求進(jìn)行堆落，形成一個電池堆。還要集成它外圍的輔助單元，如燃料的重整、供氣、熱管理、電管理和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，形成一個獨(dú)立的發(fā)電裝備，這個發(fā)電裝備就是我們講的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。在600-800攝氏度環(huán)境下，如圖發(fā)電系統(tǒng)上面有高溫區(qū)在上半部分，底部是這個系統(tǒng)的冷區(qū)，包括控制系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)等等。以上是我們的一個研究背景，希望形成這么一個發(fā)電裝備，同時(shí)，也給大家進(jìn)一步介紹一下國內(nèi)外針對這個發(fā)電裝備是怎么使用的，有什么存在的問題。
類似于我們儲能電池，或者電站，作為一個發(fā)電裝備，也存在高效率低排放，高能量密度比這樣一些優(yōu)點(diǎn)，也可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域，比方說交通，固定電站軍事領(lǐng)域等都可以應(yīng)用?？磭H上面，在固體氧化物電池的示范，商業(yè)化應(yīng)用。目前在商業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域主要還是在美國、日本、歐洲發(fā)達(dá)地區(qū)。美國大功率如百千瓦級的固定電站，以及便攜式電源，出現(xiàn)了幾家固體氧化燃料電池的獨(dú)角獸企業(yè)，后面還會簡單介紹。還有幾十千瓦的水下的無人探測器，以及水下的魚雷。日本主要定位在千瓦級家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)，美國五千瓦級家用系統(tǒng)。圖中是他們一個幾百瓦級別的系統(tǒng)，以上是在國際上面的商業(yè)化應(yīng)用。我們國內(nèi)現(xiàn)在還處在一種跟跑的階段，在國內(nèi)能夠做到千瓦級的發(fā)電裝備技術(shù)，主要是在高校和科研院所，華中科技大學(xué)，大家依托高校轉(zhuǎn)化到外面，組建華科福賽；清華的技術(shù)轉(zhuǎn)化到蘇州華清京昆，中科院幾家單位，寧波所，上海硅所，大連物理化學(xué)所，可以做到千瓦級SOFC。
SOFC在海陸空這幾個領(lǐng)域都有相應(yīng)的商業(yè)化應(yīng)用，圖中是在今年4月份美國的洛克希德馬丁公司開發(fā)300瓦級無人機(jī)，應(yīng)用固體氧化物燃料電池，可以在空中飛行8個小時(shí)以上，是傳統(tǒng)鋰電池續(xù)航能量密度比的4倍。電動車領(lǐng)域，這個圖大家都見過，今年5月份咱們總理到豐田去考察所看到的燃料電池車，這是豐田的“未來者”，用的低溫燃料電池（PEMFC），。中間這個是日產(chǎn)的尼桑，他做了一個定位在增程而不是主動力的SOFC系統(tǒng)，增程和鋰電形成一個混動的，它可以續(xù)航差不多600公里。未來者跑了500公里，特斯拉跑了400多公里。尼?，F(xiàn)在推的一款基于固體氧化物燃料電池，它的續(xù)航能力更具有挑戰(zhàn)性，燃料來源更為廣泛，不用改變原有的車的配置結(jié)構(gòu)，從未來者我們可以看到，總體上這個車把原有的燃油箱變成清潔罐。從燃料的來源廣泛程度和普適性上面看，尼桑推的這一款現(xiàn)在更具有競爭力。在接下來咱們看看國內(nèi)的濰柴，因?yàn)榭吹搅诉@一個領(lǐng)域的亮點(diǎn)，尼桑所使用的這個固體氧化物燃料電池來自于英國Ceres Power公司，今年濰柴差不多投了四千萬英鎊，認(rèn)購了Ceres Power20%股份，在行業(yè)內(nèi)掀起了很大波瀾，明年上半年在濰坊開發(fā)這種壓縮天然氣作為原料的固體氧化物燃料電池動力系統(tǒng)。
剛才講了日本主要推出千瓦級的家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)，他們2011年推出了700瓦的固體氧化物燃料電池，現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行了三萬小時(shí)，在去年的5月份又推出了5000瓦的系統(tǒng)，這個已經(jīng)在市面上商業(yè)化應(yīng)用達(dá)到幾百套，驗(yàn)證了這么一個固體氧化物燃料電池在千瓦級的示范領(lǐng)域是可行的。
在大功率電站上面，三菱定位在250千瓦，這個圖是兩個星期前科技部長王志剛到日本九州大學(xué)考察，佐佐木副校長介紹250千瓦發(fā)電示范，咱們國家開始重視固體氧化物燃料電池在產(chǎn)業(yè)上面應(yīng)用。三菱250千瓦系統(tǒng)從2009年到現(xiàn)在運(yùn)行，還非常穩(wěn)定。這個是目前固體氧化物燃料電池在商業(yè)化做的最成功的美國的Bloomenergy，在谷歌、沃爾瑪、蘋果已經(jīng)進(jìn)行大量商業(yè)化示范應(yīng)用，這是他們在一個多月以前，這個公司已經(jīng)上市了，現(xiàn)在在行業(yè)里面也是引起了非常大的轟動。但是從不管是國內(nèi)也好，還是國際上面已經(jīng)在做商業(yè)化示范的應(yīng)用，他們存在的問題并不是說一直會持續(xù)運(yùn)行，不會出現(xiàn)什么問題，尤其是我們國內(nèi)在處于跟跑情況下，主要存在三個關(guān)鍵問題，這個也是我們今年國家科技部列了一個相關(guān)項(xiàng)目的重點(diǎn)專項(xiàng)，就是關(guān)于高效固體氧化物燃料電池機(jī)理，主要有三個層面的問題，一個是電池，還一個電堆，再一個系統(tǒng)，整體實(shí)現(xiàn)高效長壽命管控。
國內(nèi)我們?nèi)A中科技大學(xué)這個團(tuán)隊(duì)，圍繞固體氧化物燃料電池系統(tǒng)從材料到整個發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究。有從事材料的、結(jié)構(gòu)的、機(jī)械的、化學(xué)的與自動化等，圍繞固體氧化物燃料電池整個生產(chǎn)線，整個技術(shù)環(huán)節(jié)已經(jīng)全部打通了，性能驗(yàn)證上面已經(jīng)得到了原理和技術(shù)上面的驗(yàn)證，從材料、電堆測試到長壽命預(yù)測，尤其是電池性能上面的驗(yàn)證。圖中這是我們主要定位的10厘米見方電池和15厘米見方的電池，針對這兩種進(jìn)行了長壽命的測試與驗(yàn)證。這個圖是在2013年3月份-8月份進(jìn)行四千小時(shí)的一個單電池性能穩(wěn)定測試。在國際上美國人提過一個標(biāo)準(zhǔn)，每千小時(shí)衰減1%，證明這個電池是可以商業(yè)化的。這是我們團(tuán)隊(duì)做的一個電池，當(dāng)時(shí)衰減率每千小時(shí)衰減0.81%，當(dāng)時(shí)我們電池在意大利羅馬、臺灣等地，他們對我們電池進(jìn)行過一個長壽命測試，測試四千小時(shí)，有三千小時(shí)，他們測的衰減率比我們測的還要低，每千小時(shí)測的0.3%。所以從這個性能上面，可以說是已經(jīng)達(dá)到了國際上面可以進(jìn)行商業(yè)化認(rèn)可的一個技術(shù)水平，為了獲得更高的功率，將單電池堆垛形成電堆之后，我們也測過四千多小時(shí)，這當(dāng)時(shí)測的一個衰減率，在每千小時(shí)1.5%。
把堆最后形成系統(tǒng)，我們經(jīng)過了“十一五”“十二五”兩個階段的攻關(guān)，我們在“十二五”的時(shí)候，我們五千瓦發(fā)電系統(tǒng)效率可以做到46.5%，這是我們當(dāng)時(shí)做示范演示驗(yàn)收的一個場景?；谖覀冞@個技術(shù)，也開發(fā)過從幾百瓦到5000瓦范應(yīng)用，比如說300瓦系統(tǒng)，有用到1000瓦的外部重整，也做過幾套示范應(yīng)用，和國內(nèi)幾個研究所和企業(yè)有過相應(yīng)的合作。我們也把自己的技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，成立一個武漢華科福賽新能源有限公司，我們也開發(fā)了這種1000瓦-5000瓦測試系統(tǒng)。
要解決里面的問題，怎么提高長壽命高效，尤其從堆的長壽命，電池長壽命。形成系統(tǒng)之后，尤其形成獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)之后，當(dāng)外部的負(fù)載變動，用在車上面功率波動會導(dǎo)致系統(tǒng)的熱和電之間的相互耦合，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的壽命衰減急劇下降，怎么樣讓堆固有性能能夠充分發(fā)揮出來，在這個系統(tǒng)的集成和控制上面解決了這四個關(guān)鍵問題：怎么避免燃料虧空，溫度安全約束，系統(tǒng)效率優(yōu)化，提高發(fā)電效率。這個是我們最近做了幾千小時(shí)的一個轉(zhuǎn)化到公司的發(fā)電系統(tǒng)測試場景，另外一個是我們做的一個1.5千瓦的系統(tǒng)樣機(jī)。這個圖是我們在去年8月份-9月份先期做了一個500小時(shí)長壽命測試，在不同工況下測試電池在系統(tǒng)下面的一個衰減情況和破壞性實(shí)驗(yàn)，怎么樣看電堆系統(tǒng)里面怎么衰變機(jī)制。包括剛才需要解決的幾個關(guān)鍵問題，燃料虧空，溫度約束，高效率和快速的跟蹤，這幾個問題解決了之后我們又在2017年10月-12月做了將近54天長壽命的衰減的提供高效一個測試，這是當(dāng)時(shí)我們做的一個持續(xù)抗衰減的測試，當(dāng)時(shí)從400瓦-1000瓦進(jìn)行變載，系統(tǒng)性能衰減不到2%，這個圖是當(dāng)時(shí)測的一個實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
現(xiàn)在我們實(shí)驗(yàn)仍然在進(jìn)行，如果能夠測試中成功連續(xù)運(yùn)行到3000小時(shí)5000小時(shí)，我們在國網(wǎng)也好，在鐵塔也好，在這些領(lǐng)域有相應(yīng)的示范去應(yīng)用，也可以去形成一個可供商業(yè)化的系統(tǒng)樣機(jī)。接下來要做的就是把我們的千瓦級發(fā)電系統(tǒng)怎么做到盡可能集約化，以及電管理這一塊，因?yàn)槟芰棵芏缺容^高之后形成低電壓大電流特性，高轉(zhuǎn)化效率上面對于功率變換器，可做到95%以上。測試系統(tǒng)的同時(shí)，保證壽命還有一個評測、診斷、故障分析、預(yù)判，我們另一方面正在研制針對高溫燃料電池的儀器，所以我們系統(tǒng)的測試，性能的衰減，壽命的提升，形成樣機(jī)示范的同時(shí)，進(jìn)行行業(yè)推廣應(yīng)用，還形成了測試裝備評估儀器，這是我們現(xiàn)在正在做的一個事情。
剛才把我們團(tuán)隊(duì)的一些工作給各位領(lǐng)導(dǎo)和專家做了一個匯報(bào)，謝謝大家。
