我国燃料电池发展现状与展望

·工程21（2023）20意见和评论我国燃料电池的现状与展望彭素萍中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室固体氧化物燃料电池研究中心，北京1000831. 背景绿色、低碳、可持续发展已成为全球共识[1]。在中国，低碳和绿色能源改革面临着许多困难和挑战。一方面，中国作为世界上最大的能源生产国和消费国，正面临着大规模煤基化石能源开采所带来的严重的二氧化碳（CO2）排放问题[2，3]。另一方面，由于可再生能源发电本身的不稳定性和波动性，以及我国可再生能源资源地理分布的不均衡性，大规模的可再生能源必须紧急解决。因此，迫切需要开发革命性的能源转换和储存技术，以应对中国氢能具有CO2净零排放、储能能力强、安全可控等显著优势，同时又是能源互联媒介，可在交通、工业、建筑等多个领域部署和利用氢能可以将传统化石能源与可再生能源相结合，实现两种能源的平稳过渡[4]。燃料电池技术是氢能应用的关键环节，因为燃料电池可以将氢能和电能结合起来，这将是解决中国碳排放问题的重要选择2. 燃料电池简介燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置。根据使用的电解质类型，燃料电池可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）[5]。目前，全球燃料电池电源主要包括PEMFC和SOFC，它们具有广泛的电力应用，从便携式和运输动力系统到大型固定动力系统，如图所示。1.一、本文介绍了国内外质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的发展现状，讨论了我国质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池技术存在的问题，总结了今后的主要任务提出了PEMFC和SOFC产业供应链中需要解决的问题，并对保障措施和政策建议进行了展望。积极发展燃料电池技术，将拉动中国能源供给侧改革，推动能源技术革命，为早日实现中国碳达峰、碳中和目标奠定技术基础。3. PEMFC的发展现状PEMFC具有许多优点，例如低操作温度、快速启动和广泛的应用，特别是在运输工业中。欧、美、日、韩等国政府和大型汽车公司已将燃料电池汽车作为重要发展方向。截至2020年底，全球氢燃料电池汽车保有量达到34218辆[6]。从全球氢燃料汽车的发展类型来看，氢燃料电池汽车以乘用车为主小型燃料电池乘用车技术的发展使得大型燃料电池商用车如氢燃料电池重型卡车和叉车的发展成为在国际上，许多质子交换膜燃料电池材料和组件已经实现了初步商业化单电池系统的功率已从30-60 kW发展目前，PEMFC的发展主要集中在高功率、低贵金属催化剂负载、低成本和长寿命的方向[7]。发展燃料电池汽车对于保障国家能源安全、营造低碳减排环境、促进汽车产业转型升级具有重要战略意义。近年来，我国国内燃料电池产业链进入快速成长阶段，但我国燃料电池汽车以商用车为主。截至2020年底，中国拥有7729辆氢燃料电池商用车-这一数字正在快速增长[6]。未来，氢能和燃料电池技术在机车、船舶等行业将有广阔的应用前景。到目前为止，中国已经掌握了PEMFC的关键材料和PEMFC堆的核心技术和制造工艺https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.11.0052095-8099/©2022 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engS. 鹏工程21（2023）2021图1.一、燃料电池应用示意图HT-PEMFC：中国燃料电池系统整体性能已逐步接近国际一流水平，处于技术同步发展阶段。国内燃料电池堆正逐步由国家电力投资集团公司（SPIC）氢能公司、上海氢推进技术公司、日出动力、潍柴动力等企业生产。质子交换膜燃料电池（ PEMFC ）加氢站的数量直接影响着PEMFC技术的应用。截至2021年底，全球共有659家HRS在运营，其中183家在中国运营。不过，中国我国对质子交换膜燃料电池进行了大量的基础研究根据文献计量学分析，在2008年至2018年期间发表的15020篇关于PEMFC的研究论文中，美国的贡献最大，为3009篇（约占总论文的20%）。中国中国企业是质子交换膜燃料电池整车、系统和电堆的主要参与者，但很少有企业参与燃料电池零部件的制造，特别是最基本的关键材料和部件，如质子交换膜、碳纸、催化剂、空气压缩机和氢循环泵。虽然国内企业在系统领域已经开始追赶国际水平，但仍存在着一定的差距。与国际先进产品相比，中国在可靠性和耐用性方面存在很大差距，一些关键零部件和材料仍依赖进口。中国迫切需要加强国内燃料电池基础研究以及创新材料、组件和新技术的研发。实现关键材料和零部件的国产化，提高燃料电池及电堆的功率密度，为赶超全球燃料电池发展先进水平奠定基础。通常，常规的低温PEMFC（LT-PEMFC）在低于100 °C的温度下操作，并且由于系统中存在水蒸气和液态水，它们存在需要复杂流场设计的关键水管理问题。LT-PEMFC需要极纯的燃料（即，氢气），以防止催化剂中毒;此外，重整气必须通过水煤气变换进行处理，以将一氧化碳（CO）含量降低至10 ppm（1 ppm = 1 cm3/1 m3）以下LT-PEMFC在高电流密度下也遭受限制的氧质量传输，导致大的极化。 近年来，高温PEMFC（HT-PEMFC;120- 200 °C）由于其相对于LT-PEMFC的优点而引起了越来越多的关注，例如其易于热和水管理，因为HT-PEMFC中没有液态水，以及其催化剂的改进的有毒气体耐受性，这允许重整气直接用作燃料[9]。S. 鹏工程21（2023）20224. 固体氧化物燃料电池发展现状SOFC可以使用氢作为燃料，并且不需要高纯度的燃料。特别地，它们可以直接使用各种含碳燃料（例如，天然气、生物质气、汽油、柴油、乙醇等）[10]与现有能源供应系统兼容。SOFC也被称为陶瓷燃料电池，具有全固态陶瓷结构，寿命高达100 000 h。它们的模块化设计易于安装，在不同的额定功率下具有高的电效率，并且容易提高电网运行的灵活性和安全性。固体氧化物燃料电池的缺点包括其高温操作-这影响了材料的选择范围和由于材料降解而导致的寿命损失-以及其缓慢的启动速度。固体氧化物燃料电池最常见的应用领域是固定发电，包括小型家用热电联产（CHP）、数据中心备用电站和工业固定电站。在这些应用中，大规模分布式发电和近零CO2排放的集成气化燃料电池（IGFC）系统将成为未来的主要研究方向。美国、欧洲、日本等发达国家和地区在SOFC技术上一直占据全球领先地位。经过几十年的技术攻关，涌现出了美国Bloom Energy、日本Kyocera、英国Ceres Power、意大利SOLIDpower、爱沙尼亚Elcogen等几家具有特色技术和商品化产品的SOFC公司[11，12]。在这些公司中，由风险资本资助的Bloom Energy是目前SOFC商业化最成功的燃料电池公司。其SOFC产品的单次输出功率范围为100-Bloom Energy为苹果、沃尔玛、美国银行等数十家全球财富100强企业的大型数据中心提供了2020年，Bloom Energy与三星重工签署了设计和开发燃料电池船的联合开发协议，实现了他们对船舶清洁能源和更可持续的海上运输业的愿景。日本的京瓷公司于1985年开始开发用于SOFC应用的专有陶瓷技术。2011年，公司开始批量生产总效率超过90%（低热值）的家用千瓦级SOFC热电联产系统目前，安装数量继续增加，而价格逐渐下降。国外SOFC的研发主要集中在降低成本和提高稳定性方面;相比之下，我国的研发起步较近年来，中国在SOFC关键材料和单电池的开发方面取得了很大进展潮州三环有限公司公司（CCTC）已成为Bloom Energy的SOFC电解质的核心供应商在“十二五”期间，由中国矿业大学北京分校牵头的项目完成了首个面向SOFC的国家重点基础研究发展计划（973计划）。国家高技术研究发展计划（863计划）示范项目（5kW系统和25kW电堆项目）分别由大连化学物理研究所、宁波材料技术与工程研究所、华中科技大学和上海硅酸盐研究所然而，在高效、可靠、稳定的电池堆和系统集成技术方面尚未实现彻底突破，导致中国在SOFC商业化方面远远落后于国外。“十三五”期间期间，中国能源集团、国家电网、潍柴等大型能源公司纷纷启动SOFC的研发，为我国SOFC的发展创造了良好的机遇2017年7月，中国能源集团和中国矿业大学（北京）获得科技部国家重点研发计划的资助，以开发“本项目的核心是高温SOFC技术的开发。IGFC是一种将整体煤气化联合循环（IGCC）与高温燃料电池相结合的发电系统。IGFC有望进一步提高煤气化发电效率，降低CO2捕集成本，同时实现CO2和污染物的近零排放。这是一项从根本上改变煤炭发电的技术。中国尚未公开报道长期运行的SOFC商业系统。我国固体氧化物燃料电池的研究主要集中在关键材料、工艺、设计和组件技术的突破以及示范工程的建设上。例如，目前的IGFC示范项目由中国能源集团在宁夏建立2022年，100 kW IGFC试验示范系统通过了专家现场评估。随后，CCTC报道了一个100 kW SOFC系统示范，其交流（AC）发电的净效率高达64.1%。“十四五”以来，随着氢能和燃料电池的发展，我国出台了一系列政策，SOFC技术进入快速发展期。固体氧化物燃料电池研究和开发的第一个关键问题是固体氧化物燃料电池在高温下运行，这带来了许多组件的退化问题。固体氧化物燃料电池技术是一种典型然而，国内产业发展专有信息不能很好地共享。在基础研究方面，国内大部分高校或企业都是单独运作，只能在自己熟悉的研究领域开展力所能及的工作他们还没有形成一个合力，建立一个良好的理论和技术体系。二是我国SOFC研究开发起步较晚，投入不足，产业化程度不高虽然我国已经发表了相当数量的SOFC相关论文与中国形成鲜明对比的是，工业、学术和政府的互动是美国和日本SOFC发展的基础[15]。例如，美国为SOFC发展建立了固态能源转换联盟（SECA）计划，该计划由三方组成：工业团队、核心技术团队和联邦机构。这些各方协调其活动并进行合作，以共同促进SOFC产品的开发和商业化自2002年以来，美国固体氧化物燃料电池的年均投资额一直保持在3000万美元以上，Bloom Energy在美国的累计投资额已超过10亿美元。5. 燃料电池的战略思路和发展路径燃料电池是未来能源转型的重要技术推动力。因此，在今后相当长的一段时间内，我国需要继续加强燃料电池的基础和应用研究，重视燃料电池相关工程，S. 鹏工程21（2023）2023燃料电池工艺和设备的研究和开发，促进燃料电池产业的形成要不断完善我国燃料电池产业供应链，逐步扩大燃料电池系统示范规模，提高燃料电池技术成熟度，完善燃料电池法规标准建设，加强顶层规划设计，倡导政策引导燃料电池产业发展最后，中国将需要建立燃料电池的低成本材料、组件、系统和生产产业链，以实现燃料电池的商业化运营，而无需补贴。目前，随着燃料电池技术的快速进步，我国已经达到了生产大功率PEMFC电堆和系统的水平，PEMFC的发展路径也逐渐清晰，以期在大幅度降低成本的同时，提高燃料电池的性能和寿命。PEMFC中的关键材料和部件大部分依赖进口，这严重制约了燃料电池的制造成本，并使其在未来的商业化过程中无法确保关键材料的安全供应。因此，当前我国产业发展的重点任务鉴于国内SOFC技术尚未完全成熟，迫切需要进行示范，在“十四五”期间尽快建成100 kW SOFC发电机组100 kW发电机组广泛应用于城市数据中心和分布式发电应用、农村和偏远地区的生物质燃气发电以及大规模煤气化燃料电池发电。5.1. PEMFC产业链的关键任务PEMFC产业链中必须完成的关键任务如下：(1) 提高质子交换膜燃料电池堆的性能和比功率，提高质子交换膜燃料电池（特别是商用车）的耐久性和降低成本，改善质子交换膜燃料电池堆关键核心材料的国内供应;(2) 开发高温质子交换膜燃料电池技术，研究高温/高污染耐受性和高海拔环境适应性技术，巩固新型高温质子交换膜燃料电池材料体系，促进质子交换膜燃料电池生产和规模化应用。5.2. SOFC产业链的关键任务为提升SOFC产业链，必须完成以下重点工作：(1) 低成本、高性能单电池技术开发，含碳或氨燃料SOFC应用研究[16]，工作条件下电极活性提高和污染物侵蚀机理研究，低温SOFC质子导体材料及关键技术开发，加速寿命试验技术和方法开发;(2) 高效、一致和可靠的电池堆设计和集成技术，包括可回收和可修复的陶瓷-(3) IGFC系统技术开发，如大功率模块集成技术、热管理技术、系统集成技术及相关控制策略;(4) 扩大固体氧化物燃料电池的工业应用，如运输和海洋应用，并加强通过固体氧化物电解电池（SOECs）制氢技术6. 保障措施和政策建议为促进燃料电池技术的发展和早日实现商业化，中国需要加强燃料电池的顶层同时，我国要立足国情，坚持多应用场景、早示范，因地制宜开展燃料电池商业化应用示范。致谢本工作得到了国家重点研究发展计划（2017 YFB 0601900）和中国工程院重大咨询项目（2019- ZD-3）的支持。引用[1] 《中国新时代的能源》白皮书[互联网]。北京：中华人民共和国国务院新闻办公室;[引自2020年12月21日可查阅：http://www.scio.gov.cn/xwfbh/xwbfbh/wqfbh/42311/44521/。中文.[2] 2022年各国二氧化碳排放量[互联网]。《世界人口评论》[2022年11月1日]。可查阅：https://worldpopulationreview.com/country-rankings/co2-emissions-by-country。[3] 孙旭，张波，彭S. 面向2035年我国洁净煤技术发展趋势及战略对策。中国工程科学院学报2020;22（3）：132-40. 中文.[4] 李志，张伟，张荣，孙华. 可再生能源多能互补氢能系统的发展（以中国为例）能源探索利用2020;38（529）：014459872095351.[5] Steele BCH，Heinzel A.用于燃料电池技术的材料。Nature2001;414：345-52.[6] 中国氢能联盟。中国氢能与燃料电池产业发展报告2020。北京：中国氢能联盟;2021年。[7] 黄旭，赵伟，邵忠，陈玲。中国新能源材料发展战略。中国工程科学院学报2020;22（5）：60 中文.[8] Yonoff RE，Ochoa GV，Cardenas-Escorcia Y，Silva-Ortega JI，Meriño-Stand L.2008 -2018年质子交换膜燃料电池研究动态：文献计量分析。Heliyon2019;5（5）：e01724。[9] HaiderR，Wen Y，Ma ZF，Wilkinson DP，Zhang L，Yuan X，et al. 高温质子交换膜燃料电池先进材料与关键技术研究进展。Chem Soc Rev2021;50：1138-87。[10] 肯德尔湾21世纪的高温固体氧化物燃料电池（第二版）-固体氧化物燃料电池简介。Amsterdam：Elsevier;2015.[11] 安德森M，松登B.技术实体评论氧化物燃料cell.斯德哥尔摩：Energiforsk;2017年。[12] 2021年燃料电池行业回顾伦敦：E4 tech; 2021年。[13] 彭S.中国国家整体气化燃料电池项目现状。Int J Coal Sci Technol 2021;8（3）：327-34.[14] [1]杨晓，王晓，王晓.固体氧化物燃料电池：十年进展、未来展望与挑战。 Int JHydrog Energy 2021;46（54）：27643-74.[15] Fernandes MD ， Bistritzki V ， Domingues RZ ， Matencio T ， Rapini M ，SinisterraRD.固体氧化物燃料电池技术路径：日本和美国的国家创新体系贡献。Renew Sustain Energy Rev2020;127：109879.[16] 姜丽，付晓.碳中和的氨氢能源路线图：中国的机遇与挑战。工程2021;7（12）：1688-91。