陈烁烁：高温燃料电池的应用设想和三环集团的产业化进展

各位领导、各位来宾，大家上午好！非常高兴跟大家一起交流关于固体氧化物燃料电池的相关情况。今天跟大家简要介绍一下关于固体氧化物燃料电池我们的一些应用设想，以及三环产业化进展。我的汇报主要是包括以下几部分内容，SOFC的技术特点、应用场景和展望，以及三环的技术进展。

第一，SOFC的技术特点。

SOFC是通过高温电化学反应把燃料的化学能转换成电能，原理是通过隔膜将燃料跟空气发生的燃烧行为转变为放电行为，主要用的电离子是氧化锆，所以导的是氧离子，今天早上有专家也有讲到隔膜也可以换成导质子的，同样可以进行放电。它的特点就是发电效率高，通过内部测算，在天然气燃料热值比较稳定的情况下，整个系统的发电效率可以设计到70%，如果使用氢气做燃料效率会相对较低在60%左右，但是使用天然气掺氢效率大致在60~70%之间；因其温度高，可以利用余热，综合热电联供效率可以达到85%以上；其次是绿色环保的发电方式，没有NOx、SOx的排放；再次是整个过程没有噪音；燃料来源最适合的是天然气，同样可以使用沼气、垃圾填埋气、氢气等。刚才高展教授也有介绍，它可以用逆反应制氢，与电解水制氢以及碱性电解水制氢存在一定的竞争。最不可替代的是可以生成甲醇或者合成其他化工燃料，利用产生的热使整个过程的效率可以达到80%甚至到90%。

根据以上的技术特点，我想介绍一下现在行业内认为它可以有的几种用途。美国Bloom  Energy公司认为SOFC/SOEC技术可以分别在固定式以及移动式方面进行应用。固定式分为化石燃料、核能以及可再生能源方面。化石燃料方面，直接使用天然气做分布式能源，使用二氧化碳捕集利用技术（CCUS）处理尾气非常容易。核能方面，核能发电有一个相对比较稳定的能量输出，大量的核能可以用高温的水和电一起制氢。可再生能源方面，比如沼气里面有大量的甲烷可以用来发电，另外在“双碳”目标的提出下要建设大量的光伏和风能，富余的可再生能源可以电解水制氢。交通领域，在陆地上发展氢能汽车，用SOFC制取的氢气纯度非常高，可以达到99.999%以上，可以直接在汽车上使用。SOFC来发电的话，目前老旧小区如果要加装大量的充电桩，要对电力设施进行改造，费用非常高，但是很多小区都布有天然气管道，可以使用天然气发电，然后再供给汽车充电使用。还有就是海上使用，海上目前使用柴油噪声大、污染严重且经济性差，后续如果采用LNG，甚至采用氢气来发电对整个海运的绿色以及经济化都是非常有利的。

下面详细介绍一下SOFC的应用场合。数据中心的应用，Bloom Energy发展起来很大的推力是在数据中心的应用方面做了很多工作，数据中心对电力需求的稳定性与SOFC发电特性非常匹配，谷歌等都是Bloom Energy公司的股东，最初就装了很多这种系统，而且硅谷这几家公司在加州，由于加州的夏天容易发生着火，所以他们将天然气管道埋在地下，对供电稳定性有了很大提升。微软前几年提出想用SOFC直接放在数据中心，就放在机房里，因为SOFC发的是直流电，可以直接给机柜供应，减少了直流变交流、交流再变回直流的相互切换。在分布式能源的应用中，现在国内很多酒店都是租赁业务，用电成本比较高，如果使用SOFC，热的效率加上电的效率，经济效率还是相对容易算过来。以上两个场景非常适合城市燃气公司一起参与，现在国内的数据中心，由于能耗双控政策影响，去年因为新基建适当超前而建起来的这些数据中心运行都面临着很大困难，所以如果用上SOFC技术，再加上城市燃气公司燃气方面的配合，比单独使用氢气做节能改造，不管从经济效益还是运行的可行性来说都要高得多，也是可以参与这方面的新业务。船舶领域的应用，2019年，Bloom Energy宣布与全球最大造船公司之一的三星重工一起把技术用在船舶上。有以下几个优点：可以直接用LNG做燃料、无排放、无噪音、经济性比柴油好。国际海事组织对船舶排放要求是在逐年递增，所以船舶动力用上燃料电池是不可逆转的趋势。

在掺氢天然气领域，国内目前到处都在讲氢能战略、氢能社会，氢气主战场目前还是在交通领域，最近国内也在逐步提氢进万家，怎么进万家呢？实际上最适合进万家的就是把氢掺到天然气管道里面去，但是经济效益很差。如果用SOFC技术，把掺氢天然气有效利用，这是很好的解决方案，如果将体积比为10%的氢气掺入到天然气中来发电，对原有SOFC系统不用做改造就可以直接使用，这也是掺氢天然气的一个应用出路。使用纯氢作为燃料的SOFC系统，2019年我们去美国Bloom Energy公司参加他们的供应商大会，与他们一起讨论，当时日本供应商就问到Bloom Energy的CEO，现在都在讲氢气的SOFC，你们有没有在氢气的SOFC上做布局，他直接说现在氢气做SOFC还没有任何经济性，现在完全没有考虑这个问题。但是在这个话讲之后不到一年的时间，他们就做了一台氢气的SOFC出来，交给韩国的SK公司。用氢气来给SOFC使用，是需要做很多改造的，如果用天然气还可以吸热，自己内部做热管理，但是用氢气的话，这部分的作用没有，热管理的难度大幅度提高，所以需要去开发低温SOFC技术。SOFC和氢气实际上也是非常匹配的。欧洲人提了一个概念，把SOFC和SOEC结合起来，这样在风能、光伏装机容量非常大的情况下，就会产生弃电问题。如果采用这个技术的话，当弃电多的时候，我们就把它变成氢储存起来，当需要电的时候，就转变成电用来上网，我们测算到整体综合效率只有50%左右。日本东芝在考虑这方面的技术，将发电过程中产生的热储存起来，当制氢时再进行使用，他们测算效率能够达到81%，当然这只是从理论上能实现，实际情况还得通过技术的发展来看。

第二，三环SOFC业务进展。

三环是历史比较悠久的一家公司，主要是做工业产品，特别是先进陶瓷材料的研发和生产，体量虽然不大，但是做的产品很多，主要是光通讯、元器件，只要大家使用手机、电脑、冰箱、空调，80%-90%都有三环的产品在其中，主营产品在全球市场份额中位居第一，很多超过一半。去年习总书记视察三环时讲的就是要进行科技创新，嘱托我们做好两个产品：一个是“卡脖子”的元器件，陶瓷电容器产品；另外要努力实现解决新能源（SOFC）的技术领跑问题。

三环从事SOFC技术开发和产业化工作已经17年，在初创时给Bloom Energy公司开发电子隔膜，到2011年澳大利亚CFCL公司找我们开发单电池，把阴极和阳极的性能做上去，这对我们来说技术非常成熟，几个月时间就完成了。2012年我们成为这家公司的第一大股东，到2015年时我们对其收购，电堆相关技术转移到国内，将1.5kW的家用热电联供系统，授权给德国Solid power公司，在德国做生产和销售。2017年我们公司推出第一代1.5kW电堆，后续根据客户的需求，2020年研发10kW电堆模组。“十三五”时期我们承担了国家重点研发计划，SOFC电堆工程化开发，也是解决了这个技术里最难的电堆工程化问题。目前电堆的性能在业界也比较领先，主要还是前面这5000个小时有稍微明显的衰减，但是再往后跑，一万、二万小时还是非常稳定的，我们也是把多堆串并联，成为10kW的模组。大功率模组主要是为了匹配后续用户大功率应用，我们也跟省内的粤电、广东能源集团合作，开展210kW的系统示范，上个月首台35kW的设备通过验收。这是第一台样机，跑出来的性能非常好，电厂的验收要跑168小时的满负荷，基本上一条直线，采用LNG做燃料，35kW的功率，发电效率超过60%。

刚才高展教授说SOEC最大问题是衰减，但是我们通过一些材料界面的研究工作，可以把衰减部分给降低下来，三环在这个方面也有不少的专利和知识产权，可以说在高温燃料电池领域我们不存在任何“卡脖子”问题，也不存在任何专利技术被限制的问题。我们主要关注的是核心电堆的开发，整个SOEC系统要发展的话还是要整个行业一起参与，比如开发要用在SOFC上的燃烧器，燃烧器也是比较困难的一项技术，要实现稳定燃烧是比较困难的技术；再有就是高温换热器，在700-800摄氏度下要稳定工作40000-80000小时，这对材料、结构以及设计的要求是比较高的；高温蒸发器也是需要长寿命的；余热回收、DC/DC、直流升压、水处理系统、除硫催化剂、天然气预重整催化剂等等，都需要行业的共同参与。在技术推广方面，需要进一步的降低成本，使其具有批量的经济效益，比如说燃气公司、电力企业、一些做分布式能源的公司，大家一起开展广泛合作，推进产品的应用。我们也欢迎在座的各位，如果对这个技术感兴趣或者有什么想法，也欢迎跟大家多做交流。

谢谢大家！