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促進能源領域燃料電池事業快速蓬勃發展

時間:2016-12-01 11:31來源:中國規劃網 作者:趙金生 錢融華
——專訪清華大學韓敏芳教授

    中國規劃網北京12月1日電 中國能源研究會燃料電池專業委員會副主任委員兼秘書長、長江學者特聘教授、清華大學熱能工程系韓敏芳老師,日前接受中央媒體記者采訪時說,燃料電池(Fuel Cell)是一種將燃料的化學能直接轉換為電能的高效、清潔發電技術,是人類能源利用領域又一次變革性技術,正在全世界范圍大力推廣應用。在多種燃料電池技術中,固體氧化物燃料電池(SOFC)可以直接使用煤氣、天然氣、生物質氣等含碳燃料(當然也可以使用氫氣為燃料,但是不必須要求使用純氫燃料),具有一次發電效率高(45%-60%),全固態結構運行壽命長(~ 8萬小時),不需要貴金屬催化劑,設備成本和發電成本都低等特點,在分布式電站、動力電源和大型發電站領域均有廣闊的應用前景。目前,以日本和美國為代表的發達國家這一技術正在從工程示范走向廣泛的商業應用,中國燃料電池領域也迎來了前所未有的發展機遇。


    韓敏芳教授說,經過我國科學家多年來的艱苦努力和集體攻關,我們已經突破了SOFC諸多關鍵技術,基本實現了SOFC全產業鏈技術貫通,擁有全部自主知識產權,為中國SOFC產業發展奠定理論和技術基礎。據悉,韓敏芳老師作為首席科學家領導的國家“973計劃”——“碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎研究”項目,集合了中國清華大學、中國礦業大學(北京)、中國科技大學、中科院物理所、上海硅酸鹽研究所、蘇州華清京昆新能源科技有限公司等10家單位、30名科技工作者共同攻關,該項目于2016年11月1日通過了科技部組織的專家驗收,獲得與會專家的一直好評。該項目主要成果體現在:(1)系統研究了碳基燃料在SOFC陽極反應的特異性,發現了抑制陽極積碳的新方法:從陽極反應的熱力學條件和動力學過程兩方面揭示了碳基燃料在SOFC中的反應特異性規律,發現CH4類碳基燃料部分外重整調整氣體組分和Ni-YSZ陽極材料原位修飾改性氧化鈰(SDC)、氧化鎂(MgO)類氧化物改性新方法都可以有效抑制陽極碳沉積,實現了碳基燃料在SOFC中的穩定運行,為直接使用碳基燃料的SOFC分布式發電系統的產業發展奠定科學和技術基礎。(2)構建了SOFC基礎理論框架體系:首次將材料基因組計劃(MGI)研究方法應用到SOFC關鍵材料中,為SOFC關鍵材料研究和相關數據庫建立奠定基礎;闡明了多相體系電子-離子傳導機制,實現了從材料制備工藝調控到SOFC電極性能預測的理論銜接;建成了從微觀電子結構、關鍵部件材料、單電池到電池堆全系列尺度的多場綜合理論模擬平臺,實現了對工業化電堆的多場耦合模擬,對電池堆設計和優化提供了指導;建立了SOFC相關基礎理論框架體系,為高性能、長壽命SOFC發電系統的發展提供了簡明具體的建議和指導。(3)發展了高性能一體化電池,完成了分布式SOFC獨立發電系統:從理論上構建了連續界面一體化電池,徹底消除了傳統SOFC中電解質/電極間層狀界面,完成了工業產品尺寸一體化電池批量制備;自主開發了電池堆元件和電堆技術,集成了國內首臺自主點火、獨立運行的SOFC發電系統,實現了從理論設計、技術開發、工藝實踐、成果落地、產品規范、標準檢測、市場應用全產業鏈貫通,突破了國外對我國在SOFC領域的技術和產品封鎖,縮短了我國與國外發達國家的差距,開創了SOFC產業在中國發展的新局面。


    專家認為,這些成果特別符合國家正在大力推行的天然氣為基礎的分布式發電重大需求(2013年8月,國家能源局《分布式發電管理暫行辦法》和《關于印發大力發展分布式發電若干意見》),為落實國家“十三五規劃”部署{《能源技術革命創新行動計劃 (2016-2030年)》——9)氫能與燃料電池技術創新(2016年4月)和《中國制造2025—能源裝備實施方案》——九)燃料電池(2016年6月) }奠定技術基礎。


    迄今為止,在所有種類的燃料電池中,SOFC技術是發電效率最高的,也是運行溫度最高,因此一直是集成技術最難的一種。高敏芳教授說,在國外都是有實力的大企業牽頭在做SOFC發電系統集成和示范運行工作,早起介入的著名企業有美國GE公司、德國西門子公司、日本三菱重工等,近期在應用市場必須非常活躍的企業有美國BE(Bloom Energy Corporation)公司、日本MHPS(三菱日立電力系統)株式會社、大阪煤氣、東京煤氣、日本京瓷、日本東陶公司等,這些有實力的企業在SOFC領域都有30多年或者更長時間的歷史。但是,在中國一直到2010年才誕生了第一家專業從事SOFC技術向產業轉化的小公司——“蘇州華清京昆新能源科技有限公司”,落戶在江蘇昆山。在中央政府、地方政府和社會多方面力量支持下,經過近7個年頭的埋頭苦干,艱苦攻關,目前該企業已經成長為高新科技企業,掌握了核心關鍵技術,完成了中試試驗,實現了SOFC關鍵材料、電池核心元件、電堆模塊集成和獨立發電系統四部分技術全線貫通,并開展了用戶現場示范運行工作。這些成果的取得,明顯縮小了我國與日美等發達國家之間的差距。該公司還作為上述國家“973計劃”項目中一員,承擔了“碳基燃料SOFC系統構建及成果集成演示”課題,快速有效地把“973計劃”項目團隊研究成果推向產業轉化和示范應用,探索了一條科技成果轉化的新途徑,為更廣泛意義上的產學研平臺建設提供一種新思路。
    在SOFC成長和發展的道路上,已經引起社會資本、地方政府和大企業等多方面關注和跟進,有多家戰略合作伙伴陸續加入到我們這個領域中。以山西晉煤集團為代表,在山西省科技廳共同支持下,開展煤層氣(主要成分的CH4)為燃料的SOFC坑口電站示范系統建設工作;新奧集團下屬上海泛智科技有限公司則致力于SOFC-微型燃氣輪機集成的分布式發電系統示范工作;上海迪斯尼公司將SOFC熱電聯供系統應用到正在示范的智慧建筑上等等。所有這些都彰顯出社會對SOFC新一代電化學發電技術的逐漸認識和巨大市場的迫切需求。


    隨著2016年11月4日《巴黎協定》正式生效,為應對氣候變化能源低碳化在全球已經成為不可逆轉的潮流。每當這個原本依然美麗的秋冬季節,霧霾又肆虐中華大地,迫切需要SOFC這種新的革命性技術的發展和應用。2016年10月獲批成立的中國能源研究會燃料電池專業委員會將是燃料電池技術和產業大力發展的平臺。作為中國科協的二級學會組織,燃料電池專業委員會是所有燃料電池相關科技、產業領域同仁的共同之家。依托該平臺,集聚全中國最強的力量,韓敏芳教授表示,將重點做好SOFC相關領域以下幾方面的工作:(1)集合優勢團隊聯合攻關,進一步發展SOFC相關技術,引領科學和技術前沿,做好SOFC科學理論和產業技術儲備;(2)推動SOFC產業化發展,尤其是SOFC關鍵元件批量化生產,以高質量、穩定可靠的產品實現從中國制造向中國創造的升華;(3)加快SOFC行業標準建設工作,推進成立相關檢驗、檢測中心,規范行業發展,使之真正為行業服務;(4)著力培養SOFC相關產業鏈配套建設,形成產業集聚和新的區域增長點;(5)加強科普和應用宣傳,創新商業模式,開拓市場,擴大示范應用規模;(6)注重多學科、多領域交叉發展,支撐SOFC實現“高校—研究院—企業—行業—產業”的生態鏈健康發展。
    在上述SOFC發展和示范工程建設過程中,以神華集團、華能集團等為代表的多家大型央企都表現出極大的興趣,表示要共同推動燃料電池產業的發展和壯大。
    經濟高速發展的中國,正面臨越來越大的能源供給和環境污染的壓力。SOFC發電技術也相繼進入國家發改委、工信部、能源局等發布的“能源技術革命創新行動計劃(2016-2030 年)”以及“中國制造 2025—能源裝備實施方案”等行動路線和發展規劃等專項任務。但是,SOFC發電技術要想同目前已成熟的其它發電技術競爭,必須在成本和壽命上取得更進一步的突破。韓敏芳教授作為中國燃料電池領域的學科帶頭人與領軍人,對于燃料電池的發展前景,她說自己有一種使命感以及緊迫感。她表示,我國燃料電池產業化前景廣闊,目前正處于產業化和商業化的最佳時機;中國能源研究會燃料電池專業委員的成立為我國燃料電池事業的發展提供了一個全新的平臺,標志著我國燃料電池進入了新的發展階段;希望通過燃料電池專委會這個平臺,凝聚國內專家學者的力量,共同努力,促進我國能源領域燃料電池產業的快速蓬勃發展。(趙金生 錢融華)

    韓敏芳,女,清華大學長聘教授,教育部“長江學者”特聘教授,國家“973計劃”燃料電池項目首席科學家,北京市重點交叉學科“清潔能源學”學科帶頭人,科技北京百名領軍人才,江蘇省創新創業領軍人才,北京市“三八”紅旗獎章獲得者等;兼任中國能源研究會燃料電池專業委員會副主任委員和秘書長,中國硅酸鹽學會固態離子學分會副理事長等學會職務;《Journal Material Science and Technology》、《Frontiers in Energy》等4個雜志編委;國際學術會議(Asian SOFC Symposium)主席,European SOFC & SOE Forum(Scientific advisory commitee)學術委員會委員等。

  (責任編輯:白雪松)

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