韩峰：国际高温燃料电池发展现状

5月19日至21日，“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开， 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

来自德国宇航中心热动力学研究所的韩峰博士发表了题为"国际高温燃料电池发展现状"的精彩演讲。

演讲内容如下：

韩峰：

大家下午好!我是2006年开始做应用为导向的器件和相关的原型产品的开发，差不多12年了。我希望在我的报告中凡是有彩图的页不要拍照。结构分四部分：SOFC技术，电池片、电堆，着重讲欧洲具体的Idea和实际应用案例

我经常用的几个名词解释注解一下(见PPT)SOFC、SOEC、rSOC、SOC。

燃料电池，我们常见的分类有六种，目前来讲比较具有产业价值的是3种，一种是主要针对固定市场的SOC，再有针对汽车市场的PEMFC，再就是韩国的MCFC。这里主要讲高温固体氧化染料电池。它主要的材料是陶瓷组成，最大的特点是中间有一层阳离子导体膜，这样它只导阳离子，不导电子，电子通过外电路给负载供电。它和其他的燃料电池一样，将化学能直接一步转化为电能和热能的高效能源转换装置，不受卡诺效应的限制。它的发电效率可以到60%，工作的高温效率特别高。这样导致它在制造领域对各种工艺的要求会非常高，相对滞后的产业化主要原因之一。

能效，这样的图是大家经常会见到的，这里比较微燃机、燃机、柴油机、内燃机、蒸汽轮机等等。我们可以看到实现最高的气电转化效率是SOC带给我们的，还外加20%-30%的热能，有些产品会调响应的比例，有些电效率故意调低到30%，针对家庭把热值调上去，针对欧洲家庭对大量热水使用和取暖要求来设计工作条件。徐总讲PG2，欧洲非常看重这个发展方向，后面的讲解中我会着重讲这点。

这里列出三种常见燃料电池，它的反应都可以用来制气、制氢，SOEC还可以制二氧化碳，它效率高，消纳很多新能源的多余电力，尤其电气转化效率还有实例。它的电气转化效率明显高于PEM和低温通过电转化为燃气的效率。随着电转燃气和电转化工产品的应用过程当中，燃料电池往低温发展，往低温发展的时候，我们希望它像PEM一样，导质子。作为PEMFC，电解质里面所导的载流子是质子，高温固体燃料电池导氧离子，为了让它实现更高的燃料利用率，现在很多组也把精力转到400-600度温度段的质子导体燃料电池，或者相应的电解电池。它有非常大的优势，温度可以降下去，再就是做燃料电池的时候，它跟传统的高温固体燃料电池相比，它在燃料极不会对燃料进行稀释，大大提高燃料利用率，反应的时候也是大大提高产气率，还可以直接把燃料电池升级为化工的反应器，生产化工产品，可以做合成氨，还可以做质子导体膜做氢气的分离，这是非常热的科研方向。

刚才官老师讲了他们很有特点的设计，这里只讲两种比较典型的设计，管状和平板状，德国所有的研发单位和公司都会采用这种平板状的设计或者是电解质支撑，一般电解质厚度是100微米，为了提高功率密度，有些会地方喜欢用阳极支撑，把电解质的膜降一个数量级，到10微米，甚至降到1微米，大幅度提高功率输出。宇航中心会做很多关于移动和航空的应用，我们非常希望造出的燃料电池有很好的耐冲击性能、热循环性能，我们花很大的精力做金属支撑，采用高温的合金，它一般长时间数千小时承受700度-750度的工作温度，但是有很好的机械性能和快速启动的性能。管状在德国基本不采用的，以前西门子曾经采用，因为成本特别高，基本上现在在欧洲没有人用这种方式。材料组成方式基本是陶瓷机，燃料极，这是anode，氧化镍和氧化锆的混合体，电解质非常经典的易稳定氧化锆和搀杂的氧化铈，它只用少量的稀土元素，对于中国是特别适合发展的产业，从材料角度、从制造角度。它不需要任何贵金属氧化剂，用氧化镍就OK。

例子，1995年我们开始做，基本上2006年我们遇到了瓶颈，当电流密度755度达到2W每平方厘米的时候，那时候受到传统制造工艺的限制，所以我们把薄膜降到1微米，达到了接近4个持续翻倍的功率密度，电磁片层面能做的工作不是特别多，回归制造业最重要的还是电堆，板状的电堆设计是两种，一种是厚板，它的板可以用铣床来做，单板至少要有4毫米厚，它的双极板，好处是设计非常简单，而且这种板可以循环利用。如果一个堆用5000小时或者1万小时，电堆衰减特别厉害，我们可以再制造，把堆打开之后进行喷烷处理。采用特种合金的双极板，一般只要铬没有消耗殆尽，处理之后，一般重复加工使用20次。可以打幅度降低成本。有些企业特别倾向于冲压板的设置，1毫米左右的厚度，机械强度非常差，通过多种板堆积，一个重复单元有4-6个零部件，可以把电堆做得非常薄，体积功率密度大幅度提高，缺点是堆一旦废掉，所有的金属材料就要重新再融、再提纯、再利用，这是它的劣势。每个可重复单元总共的厚度应该不超过4毫米。

这是市场上更关注的，讲电池片、讲电堆，对用户各应用企业没有太大意义，大家关心的是如何得到直接的应用。电池片到电堆到系统，到系统分两类，固定式和移动式。固定式根据功率不同，1-3KW就是热电联产，欧洲的家庭供热水，部分的电力提供都是这个规模的。0.5-2KW，是做备用电源或者离网发电。3-5KW，是用天然气管道上有实际应用案例。再大一点是小区的使用，不间断电源，MW就是工业级别的应用。它还会跟燃气转燃油、化工产品结合。移动应用领域，基本上就是房车开到房屋人烟的地方，没有电，有电吹风之类的东西就会携带这样的小型电源。欧洲非常成熟，比如家门口的房车租赁就可以用甲醇的，这个领域，我认为SOC的小功率的移动应用机会并不是特别大。船用和APU领域，它会有不少的市场，在汽车应用领域也比较好，尤其是重型装备，比如轮船、卡车等是SOC非常适合使用的地方。

SOC一开始就不能避开谈它的分布式应用，虽然SOC最早提出来很多人是在航空领域，比如美国NSA或者德国宇航中心，会想是太空中用的制氧、制燃料。真正走向民用，它的分布式利用的优势大家反复讲。大家看这个图，用传统的发电，电站输入100%的功率输出，电站损失掉55%，传输过程再损失5%，最后到用户的只有40%利用。我们通过分布式传输方式，在办公室楼的地下室或者自己家的地下室直接装上小型的SOC装置，它的总共损失、能量损失只有10%左右，尤其SOC它的发电效率可以轻松达到55%和60%，加上20%-30%的热效率，90%的燃料转化率和热效率是很常见的，非常高效。

几个典型的应用(见PPT)。这种百千W级别、准MW级别的工业应用，欧洲去年一个论坛上公布微软和一个公司合作，做这种计算机的电源，下面就是它的计算机，上面是配的SOC不间断供电系统。再就是沃尔玛这种超市的应用。这是欧盟的一个项目，采用的是50KW模块级的燃油电池分布式系统，在意大利南部，是通过污水处理厂的瘀泥进行生物燃气制造，燃气经过脱硫，供到燃油电池系统中去，实现非常好的运行。功率输出的模块大概是50KW，热输出功率30KW，总效率大于80%。，使用生物燃气。现在一期应用非常成功，所以二期至少要扩展200-250KW。

做一个简单的比较，和传统的燃机相比，这是他们的电功率的比较，83.5%、53%。热效率几乎相当。不可忽略的是SOFC的污染物排放特别低，尤其氮化物特别低，因为它使用脱硫的燃料，没有硫化物排放，是干净环保的高效转化装置。

在运输行业它是很有潜力的，氢因为物流的问题，它受到推广的限制。SOC并不受这种限制，它特别大的优点是多种燃料的适用性，有氢可以用，有生物燃气可以用，传统的柴油，柴油进行重整，只要脱硫脱得好，用起来就没有问题，或者使用合成柴油，完全可以使用。几个典型的例子，这是卡车的辅助电源系统，因为在欧洲星期六、星期天，卡车不准在公路上开，很多跑长途的司机，要把卡车停在休息站度过周末，他可以不用开柴油机，用这个来提供发动机不开的情况下满足需求。这里是专用的无人机，这个无人机采用管状的SOC，进行重整，实现长时间的续航。这是锂电池无人机无法达到的，即使是PEM无人机，它使用的氢能量有限，也没有办法达到续航里程。空客，一直考虑在它的大型客机上使用，每个大型飞机的燃气就像地面的燃气电站一样，如果用在空客380这种飞机上，可以实现好的燃料电池循环，飞机上用的热水、冷气或者暖气，包括飞机在到机场着陆之后回到停机坪，可以直接关掉引擎，通过电力完成这些需求。空客一直想做这个。我们今年和空客开会的时候还讲，现在飞机上的应用，他们的锂电是不能用，即便飞机不坠毁，根本不能过安全评估。即便过充也容易引起事故。如果锂电池一天不上飞机，我就不想买电动汽车，尤其三元锂电的。因为我很怕死。

典型的例子，2016年尼桑推出的这款，虽然这是日本车，用的是欧洲的电堆，它还会装相对较小的电池，用3L左右的生物乙醇罐，轻松将电动汽车的续航里程达到600公里以上。做粗略的换算，加60L的生物乙醇就可以过一千公里，这是一般的氢燃料电池和锂电池没办法比拟的。而且现在潍柴介入这个行业，不只是潍柴，潍柴的标的，后面还是跟着本田和尼桑，他们还是一起搞的。国内最先听到电转燃气，只是听到Power To X，包括现在维基百科上的注解也是一个德国公司的中国雇员写的词条，大概在两三年前这个概念才慢慢热起来。Power TO X储能的应用，我想先比较电池和电解槽，跟电池相比，所有电池的储能能力需要新建电池，现在装机容量非常低，需要新建一个。如果我们使用燃气管道或者沿用传统的燃气储气设施，不需要重建。以德国为例，当乌克兰危机的时候，如果德国停用乌克兰气，德国自己的储气设施大约可以供它一年，不需要进口乌克兰天然气没有问题。至于德国，如果我们把电解槽很好的整合到里面，可以用管道和岩洞进行储能。

再就是容量的问题，现在市场上，包括我们在德国采购的MW和十几MW级的储能系统，大部分都是用在德国的一次调频市场上，基本上现在德国的装机容量大概在200MW上下，可能还会再装100-200MW的样子。调频市场，德国整个电网的调频市场规模大概是600MW，加上荷兰，联网之后，荷兰、比利时连在一起，大概1200MW的样子。以德国为例，600MW装机200MW，还要再装200，调频史上还有抽水蓄能和其他的。这个应用领域将来是不是能保证很好的收益率很难讲的事。往储能领域来讲，我记得我见过最早的应用是百MW级别英国和三星做的，作为电池储能规模已经非常大，一个项目100MW，它会非常贵。

还有一个非常现实的问题，电池充电之后要用，不然电池满载的状况下没有办法充电，像碗装满水之后，不能再装水。电解槽像水龙头或者像转换器或者阀门，这边通电，那边可以一直不断的处理。这个气体或者是化工原料或者是业态燃料，你可以夏天光伏多的时候或者风电多的时候，储存下来，过几个月用。这是所有储能电池没有办法满足的问题。

退役回收问题，电解槽没有退役回收的问题，或者没有那么严峻。

电解槽，现在市面上我们能买到的电解槽有三类，一个是SOEC高温电解。再就是低温电解槽的两种，他们主要的区别是SOEC除了电解高温蒸汽，值取纯氢，还可以电解纯二氧化碳，制取一氧化碳和氢气的混合气体，还可以跟CCS结合，同时我们也做很多工作，按不同的比例搀进去高温的蒸汽和二氧化碳，获取现在所谓煤炭行业或煤化工行业的一氧化碳和氢气的混合气体，它是非常干净的，实现水蒸气，会为很多传统的工业过程提供清洁的原材料。高温电解之所以高效，是因为可以很好的利用热能，在电解过程当中是一个吸热的过程，热能还是非常有利的，大大提高转化效率，尤其在很多工业应用领域，比如奔驰工厂有很多的热能，这个可以用到里面来。

电气转化效率很高。一会儿再举工业实际产品的例子，电气转化效率已经到80%，如果热能提供足够优化，完全可以提高到电转化效率接近100%。如果热能足够优化以后，可以完全提高到转化效率提高到100%，1标准立方米氢气有3KWH的热值，我们如果SOEC输进3000W的电，同时配合适当的热能，电转热气可以做到100%的转化，3度电变成1标准立方米氢气。算综合热能，把热能搭进去，很多热能利用不是很好。所以我们有很大的部门做储热，我们也做这方面的工作。再就是低电耗，现在没有真正主流的低温电解槽厂商，能够提供成熟的耗电低于4.5度生产单标准立方米氢气的设备，至少需要4.5度电。SOEC电解槽后面也有例子，实际耗电到3.7度可以制取一立方米氢气。

系统寿命，现在AEC非常成熟。碱热电解槽通常的系统使用寿命在20、30年，8-10年一次大修，成本也是最低的。SOEC如果设备做得好，它的寿命现在我觉得做到1万小时是可以实现的，像PEMFC面临畅销使用的问题，PEMFC有好处，对电网的大幅度波动有很好的优势，但是它有很致命的劣势，其中一点是现在寿命达不到，而且做电解槽的时候，只用铂金不行，必须用另外一种催化剂。这种催化剂的含量比铂金还少很多，大规模使用的时候面临催化剂的获取问题。当然科学家会说我们以后会找到不适用特种催化剂，但是找到的时候再说，现在没有很高效的。

这是我们现在运行的项目，包括拓展项目。一方面提供CCS，碳补集获取的高纯二氧化碳，通到体系中，那边通入电力和水，还可以结合人造太阳的供应，外围提供相应的热能，我们进行高温电气电解，提供反应气体，会得到刚才说的一氧化碳和氢气的混合气体。我们的合作伙伴，把德国人在二战时期非常擅长的费托合成做成微反应器。它是生产清洁的合成材料，大家看到这个微微发黄，因为含硫和杂质的原因，它是传统的石油冶炼的柴油，左边清水一样的，看上去不含硫和杂质的合成柴油。在德国工业界，2013年已经实现示范装置，每天产一桶油左右。德国能源部长拿这个油去给奥迪A8加油。我们采用这种油的话，它对环境造成的压力也会非常小的。化工领域有很多成熟工艺，可以做合成燃气和业态燃料、DME或者化工产品，塑料、乙烯，都可以通过它做。目前全球化工领域消耗大量氢做合成氨，如果和氮气做反应，可以做清洁的合成氨反应过程，而且是比较高附加值的产品。

德国会做很多的生物燃气，它原气含有大比例的二氧化碳，这时候热值低，不能加入天然气管道，甲醇和二氧化碳的混合气体中，加入适当的水蒸气和高温电解过程，EI是电解过程，通过化学和电化学反应，把反应器尽最大比例合成甲烷。当然还可以生成其他的例子，水和氧气，他们是两边分离的，氧很好分离，水冷凝也分离了，效率可以很高。我觉得做工业应用，很多时候要讲系统集成要提高综合效率，而德国有这种优势，系统集成能力和工业基础。这种情况下，100%的输入生物燃气的粗气，大概有80%的能量都能转化为合成甲烷，剩下还有热值，这种热值通到社区的供暖系统和社区的游泳池，都可以充分利用起来。再就是很有特点的应用，去年在美国市场投放一个设备，100KW的样子，作为气体供应商的设备，平时把二氧化碳作为原料存储，根据客户的需求，现场进行制取高纯一氧化碳，这个模块可以弹性的生产高纯一氧化碳用于工业用途，大概的产量是集装箱模块是100-200标准立方米，一氧化碳的产能上。加氢站，SOEC也是可以做加氢站。它通过高温电解来产生高压、高纯的氢气，给燃油电池车提供氢气，这是今年奔驰马上推出的一款车GLC，是非常值得购买的。然后它的可逆系统。这张图建议大家好好研究，大家回去研究一下，这个图很简单，很容易理解。

如果大家有问题需要讨论的话，也欢迎大家一起讨论问题。谢谢大家!

(本文根据现场录音整理，未经本人审核)