我国固体氧化物燃料电池产业发展战略研究.doc
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1、我国固体氧化物燃料电池产业发展战略研究摘要:固体氧化物燃料电池(SOFC)具有发电效率高、燃料适应性强、高温余热可回收等优点,在大型发电、分布式发电及热电联供、交通运输及调峰储能等领域具有广阔的应用前景,是最前沿的燃料电池技术。大力发展采用氢及碳基燃料的固体氧化物燃料电池技术将有助于推动我国能源供给侧结构性改革,推动能源技术革命,为实现碳达峰、碳中和目标奠定技术基础。本文介绍了国内外固体氧化物燃料电池产业的发展现状,分析了我国固体氧化物燃料电池产业发展面临的难题,结合国外固体氧化物燃料电池产业发展的经验,梳理了我国固体氧化物燃料电池产业发展的思路及重点任务。研究提出,加快制度体系建设,加强固体
2、氧化物燃料电池技术及产业发展的顶层设计;强化财税金融支持,充分发挥市场在资源配置中的决定性作用,突出企业主体地位;坚持创新驱动发展,把自主技术创新作为推动固体氧化物燃料电池产业发展的主要驱动力;完善标准规范体系,形成具有自主知识产权的技术标准;加强固体氧化物燃料电池领域人才培养,深化国际交流与合作,为今后我国固体氧化物燃料电池产业的规模化、商业化发展提供指导。一、前言能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,目前对以煤、石油、天然气等为代表的传统化石能源的过度开发利用,导致了日益严重的环境问题。为实现人类社会可持续发展,推动能源行业向低碳化、无碳化、低污染方向发展成为世界各国的共识。中国是世
3、界上最大的能源生产国和消费国,目前以煤为基础的大规模化石能源开发造成二氧化碳排放问题严重,2021年我国二氧化碳排放量超1.191010t,占全球总量的32.8%,占比最大1。与此同时我国能源安全问题突出,目前我国石油的对外依存度已超70%,天然气的对外依存度已超40%,对外依存度现状不能满足最基本的能源安全需求2;另一方面,可再生能源发展迅速,可再生能源成为增量主体,到“十四五”末可再生能源的发电装机占中国电力总装机比例将超过50%,但由于风能、太阳能等本身的间歇性及我国风能、太阳能等资源地域分配不均,大规模可再生能源储能调峰问题迫切需要得到解决;此外,大电网集中式供电远距离输送损耗大、效率
4、低,尤其安全问题不容忽视,重大事故会造成巨大经济损失,开发分布式发电技术提高能源利用效率将成为未来新趋势。十九大报告明确提出要推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。氢能作为一种绿色低碳、清洁高效、安全、可持续的二次能源,氢能的应用可以广泛渗透到传统能源的各个方面,包括交通运输、工业燃料、发电等。氢能符合中国碳减排重大战略,同时有利于解决中国能源安全问题,是国家能源革命的重要媒介。氢能可以将传统化石能源和可再生能源连接起来,实现二者平稳过渡。发展氢能是实现能源结构转型升级,推进我国能源生产和消费革命的重要抓手3。燃料电池(FC)是一种将燃料的化学能直接转换为电能的发电装置
5、,具有能量转化效率高、排放低、无噪声等特点,是21世纪的能源革命性发电技术。燃料电池技术与氢能源产业直接关联,是核心技术环节。根据所使用的电解质不同,燃料电池主要分为固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)等4。全球范围燃料电池的主要技术路线目前以采用高纯氢气作燃料的PEMFC和可以采用粗氢和碳氢燃料的固体氧化物燃料电池为主。以氢气为能源、低温运行的PEMFC,在以新能源汽车为代表的交通领域有广阔的发展空间。高温固体氧化物燃料电池燃料适应性强,可使用氢气,不要求高纯度,特别是可直接使用各种
6、含碳燃料(天然气、生物质气、汽油、柴油、乙醇等),发电效率高,应用前景广泛,目前在固定式发电应用领域更为突出5,6。我国要构建“清洁、低碳、安全、高效”的现代能源体系,必须依托新型能源技术的突破,氢能是未来最重要的能源载体,而可以实现氢能和现有化石燃料清洁高效利用的固体氧化物燃料电池技术,与我国现有能源供应系统兼容,必将担负起非常重要的历史使命。大力发展可以采用多种燃料的固体氧化物燃料电池技术将助推我国供给侧能源改革,推动能源技术革命,为实现碳达峰、碳中和目标奠定技术基础。为了促进我国固体氧化物燃料电池技术产业链的全面发展,本文依托中国工程院咨询项目的支持,分析了国内外固体氧化物燃料电池技术和
7、产业发展现状,凝练了我国发展固体氧化物燃料电池技术面临的问题,梳理了固体氧化物燃料电池产业链面临的重点任务,提出了若干保障措施与政策建议,研究将为今后固体氧化物燃料电池的规模化、商业化发展奠定基础。二、固体氧化物燃料电池的技术特点及应用场景高温固体氧化物燃料电池发电不需经过从燃料化学能热能机械能电能的转变过程,其能量转化效率高、操作方便、无腐蚀、燃料适用性广,可广泛地采用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气、生物质气、甲醇、乙醇、汽油和柴油等多种碳氢燃料,很容易与现有能源资源供应系统兼容6。同时,固体氧化物燃料电池不需要贵金属催化剂,原材料资源丰富且成本低。另外,固体氧化物燃料电池具有环境友好
8、排放低和噪声低等优点,是公认的高效绿色能源转换技术。固体氧化物燃料电池的高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体广泛适应性等方面的突出优点,成为其广泛应用的基础。固体氧化物燃料电池最常见的应用领域为固定式发电,包括小型家庭热电联供系统(CHP),分布式发电或数据中心备用电源,以及工业用大型固定式发电站等。其中,二氧化碳近零排放的大型煤气化燃料电池发电技术(IGFC)和可以采用氢气、甲烷、甲醇以及氨等作为燃料的分布式发电技术是未来主要研究方向。IGFC是将整体煤气化联合循环发电(IGCC)与高温固体氧化物燃料电池或MCFC相结合的发电系统,可在IGCC的基础上进一步提高煤气化发电效率,降低CO
9、2捕集成本,同时实现CO2及污染物近零排放,是煤炭发电的根本性变革技术7,8。另外,固体氧化物燃料电池作为辅助或动力电源在车辆、轮船、无人机等领域也有推广应用。其中,2016年日产汽车发布了世界上首款以固体氧化物燃料电池动力系统驱动的燃料电池原型车。2020年Bloom Energy(BE)公司与三星重工业株式会社签署了一项联合研发协议,共同设计和开发以固体氧化物燃料电池为动力的燃料电池船,实现其对船舶清洁能源和更加可持续的海上运输业的发展愿景。三、固体氧化物燃料电池技术的发展现状及问题剖析(一)国外固体氧化物燃料电池技术的发展现状美国、欧洲、日本等发达国家和地区在固体氧化物燃料电池技术方面一
10、直处于世界领先地位,经过几十年的技术研发和攻关,已经基本实现了固体氧化物燃料电池技术的商业化运行9,10,发展出多家具有特色技术的固体氧化物燃料电池企业。美国是世界上最早开始布局固体氧化物燃料电池研发的国家,由美国能源部(DOE)牵头,持续支持数十年。目前从全球市场来看,美国的固体氧化物燃料电池累计装机量处于绝对领先地位,重点扶持大中型工/商业用供电,特别是由于美国自然灾害频繁,缺少可靠电网,数据中心备用电源应用场景丰富。2001年,由风险资金成立的BE公司,是目前固体氧化物燃料电池领域技术力量最强的公司,也是固体氧化物燃料电池商业化最成功的公司,实现了数百千瓦到数兆瓦的分布式发电系统的商业化
11、应用。图1为BE公司投放的固体氧化物燃料电池发电系统产品,其标准配置可产生250kW的功率,占地面积大约相当于30ft集装箱的一半,发电效率高达65%,处于世界领先水平,通过提供安全可靠供电服务于银行和金融服务、数据中心、政府、酒店、物流等各个行业,主要客户包括苹果公司、沃尔玛百货有限公司、美国银行、谷歌公司等数十家全球财富百强公司。除了比较知名的BE公司外,FuelCell Energy等公司也积极进行固体氧化物燃料电池研发布局。美国固体氧化物燃料电池技术推进得益于美国联邦政府的积极引导和财政支持,同时一些地方州政府也通过补贴或税收减免等方式,推动固体氧化物燃料电池产品投放。日本在新能源产业
12、技术综合开发机构(NEDO)的领导下,固体氧化物燃料电池规划主要包括家用型(千瓦级)以及电厂型(兆瓦级及以上)等,日本从2005年开始启动家用燃料电池热电联供(ENE-FARM)计划,对ENE-FARM进行示范运行及政府补助,因此目前以家用小型热电联供系统最为成熟,保有量位居全球第一,其中日本京瓷株式会社等从1985年开始一直挑战小型固体氧化物燃料电池的技术开发,2011年率先推出的家用千瓦级固体氧化物燃料电池热电联供系统进入市场,整体系统效率可达90%(LHV)以上,其利用高超的精密陶瓷设计、制造和测评技术,可实现产品9104h连续工作,360次启停,12年的设计寿命,目前安装数量持续增加,
13、价格逐渐降低。除此之外,在工业用固体氧化物燃料电池技术研发方面,日本三菱重工(MHI)从20世纪90年代开始针对煤炭高效利用,进行大规模固体氧化物燃料电池发电系统研究。目前,日本三菱与日立集团合资成立的电力公司已成功研发出250kW固体氧化物燃料电池微型燃气轮机(MGT)系统,并在日本推广应用。日本NEDO与大崎电业社2017年合作开展IGFC验证项目,2019年开始进行第三期验证工作,即CO2近零排放IGFC(600kW2),目标是未来在应用于500MW级商业发电设施时,CO2回收率为90%的条件下实现47%的供电效率。欧洲具有一批成功实现产品化的公司,如Ceres Power、Sunfir
14、e、Solid Power、Elcogen、Convion、Topose等,与日本相似,欧洲的固体氧化物燃料电池市场主要应用为微型热电联供(Micro-CHP)系统,近年来由于可再生能源的快速发展,Sunfire、Topose正在转向固体氧化物燃料电池的逆过程即固体氧化物电解池技术研究。Ceres Power是一家英国公司,是新一代、低成本金属支撑燃料电池技术的领导者,其特有的Steel Cell TM技术,源自英国帝国理工学院,已持续研究开发近16年,2019年,Ceres Power宣布成功开发了首个专为氢燃料设计的零排放热电联产系统。爱沙尼亚的Elcogen成立于2001年,具有最先进的
15、陶瓷阳极支撑、低温固体氧化物燃料电池制造技术,其生产的电池片和电堆性能处于国际领先水平,目前已经商业化。芬兰的Convion公司成立于2012年,主要基于固体氧化物燃料电池技术开发用于分布式发电和工业自发电的燃料电池系统,其开发的C60产品,可使用天然气或沼气为原料,输出功率60kW,发电效率达到60%,总的能量效率达到83%。从各个国家固体氧化物燃料电池技术商业化进程可以看出,固体氧化物燃料电池技术的发展需要政府的引导和大力支持,特别是在商业化尚未成型的前期导入阶段,财政补贴尤为重要。另一方面,政府、企业、高校、科研院所之间的协同合作机制对于固体氧化物燃料电池全产业链发展非常重要。(二)我国
16、固体氧化物燃料电池技术的发展现状及存在问题国外固体氧化物燃料电池的研发方向主要聚焦于降低成本和提高稳定性方面,中国则起步较晚,尚处于初步探索阶段。“十二五”期间,中国矿业大学(北京)作为依托单位,联合中国科学技术大学、北京科技大学等承担了国家“973计划”项目碳基燃料固体氧化物燃料电池体系基础研究,开展固体氧化物燃料电池相关基础理论和关键技术研究;中国科学院大连化学物理研究所、宁波材料技术与工程研究所、华中科技大学和中国科学院上海硅酸盐研究所分别承担了“863计划”项目5千瓦系统和25千瓦电池堆项目,在固体氧化物燃料电池关键材料及单电池开发方面取得很大进步11。“十三五”期间,大型能源集团如国
17、家能源集团、国家电网有限公司、中国华能集团有限公司、潍柴动力股份有限公司、晋能控股装备制造集团有限公司等开始介入,为固体氧化物燃料电池的发展提供了很好契机。在固体氧化物燃料电池技术应用场景方面,IGFC技术有助于实现煤炭的清洁高效利用,是煤炭领域的变革性技术。为推进IGFC相关技术攻关和工程示范,科学技术部在2017年立项了国家重点研发计划“CO2近零排放的煤气化发电技术”,由国家能源集团牵头,联合中国矿业大学(北京)、中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司、清华大学等单位组成“产学研”攻关团队,其核心任务是开发高温固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池技术,建成CO2近零排放的IGFC示范工程
18、,项目总体技术路线如图2所示。IGFC系统一般由煤气化净化、高温燃料电池发电、余热回收及CO2捕集和封存等子系统构成,其中高温燃料电池发电技术是制约IGFC发展的关键技术。项目组目前已开发了固体氧化物燃料电池电堆和IGFC测试平台,已实现了20千瓦级IGFC发电系统试车,下一步将依托已有技术开展100千瓦级IGFC发电系统示范12。目前,国内IGFC仍处于起步阶段,煤气净化提纯技术、高温燃料电池技术、系统耦合控制技术等相关技术研究正逐步开展。高温固体氧化物燃料电池技术是制约IGFC发展的关键技术,目前,国内的固体氧化物燃料电池技术尚未完全成熟,一方面应加强基础研究,另一方面要重点开展关键技术攻
19、关,降低成本,提高寿命。国内相关的固体氧化物燃料电池企业主要有潮州三环(集团)股份有限公司、苏州华清京昆新能源科技有限公司、宁波索福人能源技术有限公司、武汉华科福赛新能源有限责任公司等。潮州三环(集团)股份有限公司是美国BE公司的主要供货商,从2004年开始开展固体氧化物燃料电池电解质膜的开发和生产。2012年开始量产固体氧化物燃料电池单电池,2017年开始向国内市场推出固体氧化物燃料电池电堆,目前正在进行30kW固体氧化物燃料电池系统研发。苏州华清京昆新能源科技有限公司创建于2010年,相关产品包括单电池、电堆、发电系统等。2018年成立徐州华清京昆新能源科技有限公司,在徐州投资建设固体氧化
20、物燃料电池智能制造工厂。2019年8月,徐州华清固体氧化物燃料电池项目首批20万片单电池生产线投产。宁波索福人能源技术有限公司创立于2014年,目前建立了固体氧化物燃料电池单电池、电池堆以及发电系统的生产线,一直对外公开销售单电池、电堆以及发电系统等产品;2022年1月,研制的25kW固体氧化物燃料电池发电系统顺利运行。武汉华科福赛新能源有限责任公司成立于2016年,是一家专业从事固体氧化物燃料电池发电系统研发的高科技企业。目前,公司成功研制了15kW独立发电系统及各种规格测试台。从整体来说,国内固体氧化物燃料电池在产业化方面与国外差距巨大,仍处于产业发展初期,虽然经过了20多年的技术积累,已
21、经基本掌握了固体氧化物燃料电池关键材料的制备技术和大面积单电池的量产技术,但技术力量不强,特别是由于核心电堆的一致性、可靠性以及低成本技术未完全突破,加之国产高温系统辅助部件缺失,我国目前尚无公开报道长期运行的固体氧化物燃料电池商业化系统,固体氧化物燃料电池的应用研究仍然主要集中在突破关键技术及建设示范工程上。目前我国固体氧化物燃料电池产业化发展仍存在很多亟待解决的问题。1.应用基础研究薄弱,关键技术缺失固体氧化物燃料电池运行温度高,产业链长,工程技术难度也最大,是典型的“高门槛”技术,且国外固体氧化物燃料电池先进技术和产品早期均对中国一定程度禁运禁售,属于“卡脖子”类核心技术,全靠自主研发。
22、我国固体氧化物燃料电池起步明显落后,开始从事固体氧化物燃料电池研究时,国外已基本具备了固体氧化物燃料电池产业化的基础,电池稳定性评估已经达到了数万小时,即使目前,国内也不具备如此高稳定性的固体氧化物燃料电池技术。我国固体氧化物燃料电池发表论文数量众多,但主要偏向于新材料方面,与实际应用相结合的关键技术研究相对薄弱,致使产业化进程缓慢。2.固体氧化物燃料电池产业链长、国内技术无法共享在基础研究方面,国内大部分高校或企业是单兵作战,只能在自己熟悉的专业领域开展一些力所能及的工作,致使相关基础研究较为分散,虽然有科研项目支持,但未完全形成合力,未能形成良好的理论和技术体系。在资金薄弱的情况下,很多工
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