北京氢能产业大会-韩敏芳！燃料电池发电-储能技术进展和应用前景

北京氢能产业大会|韩敏芳！燃料电池发电及储能技术进展及应用前景2019年3月28日，北京氢能产业大会暨京津冀氢能产业发展高峰论坛在北京成功举办。

工业和信息化部、国家能源局、交通运输部、科技部等部委领导，北京市经济和信息化局、北京市科委、中关村科委领导科技园管委会、专家及氢能产业领域重点领域、行业组织、央企、龙头企业代表出席会议。

　　清华大学能源与动力工程系韩敏芳作报告。

以下为内容摘要： 　　今天的报告主要关注三个方面，我们面临的技术挑战以及我们在碳中和背景下希望实现的路径。

　　自2016年中国提出“双碳”目标以来，我们面临着巨大的压力。

与发达国家相比，我们的减排压力非常大。

我们必须探索二氧化碳的主要来源。

探究根源之后，我们就寻找对策。

全球二氧化碳的主要来源仍然来自化石燃料的使用。

在中国，更具体地说是来自煤炭，以煤炭为主要能源。

中国约80%的排放总量来自煤炭能源的使用。

资源。

在这个行业中，煤炭发电和供暖产生的二氧化碳占50%以上，相当于煤炭发电和供暖产生的二氧化碳占中国年二氧化碳排放量的一半以上。

找到根本原因后，我们就要对症下药。

作为一个科学技术领域，科学家必须在技术层面寻找突破。

他们必须改变传统的燃煤发电方式。

燃料电池要发电，就必须使用燃料电池来发电。

这种发电方式直接将燃料的化学成分一步转化为电能，无需走那么多弯路。

这样做最直接的效果就是发电效率高。

　　如何实现更高效的发电？除了我们比较熟悉的传导氢离子的氢燃料电池外，还可以有传导多种离子的燃料电池。

我们今天讨论的是传导氧离子的燃料电池。

它被称为固体氧化物燃料电池。

氧离子传导是从空气侧，从阴极侧到阳极层进行的，因为当氧离子到来时，它们几乎可以氧化所有类型的燃料。

在这种情况下，仅仅意味着该燃料具有广泛的适应性。

我们可以使用现有的氢气、副产品氢气或各种燃料。

所有燃料都可以使用。

该燃料适应性广，易于与现有能源系统兼容。

如果想要传导氧离子，就必须在高温下操作，这使得技术难度加大，但其动力学过程加快，因此可以实现高效发电。

那么固体氧化物燃料电池目前可以达到世界上最高的发电效率。

　　这是发电效率的对比。

我们可以看到，彩色圆圈是各类燃料电池所能达到的发电效率，普遍高于传统热机系统。

　　固体氧化物燃料电池在所有燃料电池中是独一无二的。

具有最高的发电效率，特别是可以与燃气在线系统联动，达到目前最高的发电效率。

　　固体氧化物燃料电池发电在世界各地已实现商业化运营，从日本的一千瓦至一瓦发电系统，到数百千瓦的单机系统和兆瓦级发电系统。

发电站已经投入运行。

它们不仅发电效率高，而且从小千瓦到大千瓦，发电效率可以从55%到65%甚至更高。

联动后可以达到70%以上。

　　同时，还具有非常好的减碳效果。

我们说它可以实现大约30-50%的二氧化碳减排，这是针对不同的应用场景实现的。

那么世界已经走了一条非常好的、成功的道路，那么中国也迫切需要发展。

我们看到，在全球范围内，第一幅图是作为燃料电池，作为分布式能源供应和发电方式。

作为主要应用，约占60%或70%，交通运输约占25%，便携式电源约占5%。

在全球范围内，我们的燃料电池分布式发电是其主要应用。

应用场景。

　　特别是刚刚结束的日本东京奥运会和我们北京冬奥会上，进行了最重要的燃料电池应用示范。

那么日本奥运会呢,除了客车、公交车等车载系统的展示之外,更重要的是奥林匹克岛这个平台有一个家庭整体热电联供系统的展示。

整个系统都在岛上。

全部采用燃料电池发电车辆系统。

我们中国这次展示了世界上最多数量的氢燃料电池汽车，特别是在商用车领域，取得了巨大的成功。

因此，与全球应用相比，我国过去严重忽视了燃料电池在分布式能源供应方面的应用，未来也需要将其作为更重要的发展方向来推广。

　　在这个过程中，我们会比较几个案例。

类似于刚才提到的日本的小型热电联产系统，放置在家里，发电量以瓦为单位，过去几年的安装率几乎是每年4万到5万台。

当然，这里的比较是丰田的乘用车和现代的两款乘用车之间的比较。

日本和韩国主要做To C，包括日本的热电联产，是To C级别的。

现代汽车正在追赶。

发展比较快，发展最高的是丰田。

我们希望中国能够通过商用车的发展走出一条独特的发展道路。

这是国家和我们技术界都非常有信心的事情。

正如辛超主任刚才所说，我国在锂电池汽车、电动汽车领域已经取得了巨大的成功。

取得了巨大的成功，我们非常希望中国在氢燃料电池汽车领域走出自己独特的道路。

就是这样一个情况。

　　当然，最近一两年，我们这个行业非常火爆。

除了车辆系统热外，减碳目标也热。

热连接事故经常发生。

我也经常被邀请评估和讨论各种观点。

所以去年是相当艰难的一年。

我受邀写了几篇文章，包括绿色奥运催生的燃料电池发电技术产业的美好前景。

这发表在我们的汽车蓝皮书中。

碳中和愿景下氨燃料相关技术热点解析这也是我们经信局和科委非常关心的事情。

我也被反复问过，因为我都是用中文做的。

引起了一些热点话题的关注。

这些都是特邀文章，包括中科院的期刊和清华大学能源领域新办的期刊。

如果大家有兴趣，可以详细分享，我就不细说了。

　　另一方面，所有电化学装置都是可逆运行的。

例如，它们可以正向发电，反向电解。

就像我们的锂电池一样，可以发电，可以发电。

当然，燃料电池也不例外。

如果我们给它燃料，它就可以发电。

给它通电后，我们就可以对其进行电解。

氢气可以通过电解水获得。

如果我们电解二氧化碳，就可以获得一氧化碳。

这是一个好办法。

　　比较高温下运行的固体氧化物电解槽的电解电压，1.2中压，1.29是最低的，相当于碱性电解和质子交换膜电解。

它可以实现更低的成本和更高的效率，具有未来最好的竞争前景，这是它的优势之一。

　　另一方面，与电解二氧化碳的低温电解池相比，固体氧化物燃料电解池可以直接电解二氧化碳。

从上面可以看出，电解水的时候，它的中性电压是1.29，而电解二氧化碳的时候，是1.47，几乎没有太大的区别，但是如果我们要在低温下做，就得做到3.47 ，这几乎是不可能的。

　　这种情况给我们提供了一个很好的办法。

我们可以电解水来产生氢气并储存氢气。

我们可以供应水和二氧化碳，并将二氧化碳转化为合成气、氢气和一氧化碳。

继合成气之后，我们将拥有煤化工、石油化工发展的源泉。

　　科学家发现，燃料电池可以在一台设备、一台机器上正向和反向运行，在不同的时间段正向发电，反向电解。

重要的发现就在于这个操作的过程。

稳定性比较好。

与单一任务相比，其长期稳定性更好。

这为我们的工业应用提供了很好的技术支持。

我们可以用同样的装置，比如说我们和太阳能结合起来，我们白天用电解，晚上让它发电。

在某些方面，风能也是如此，它是不间断的。

更重要的是，我们可以同时处理二氧化碳。

我们处理二氧化碳是很困难的。

我们离不开它。

二氧化碳将永远存在于这个地球上。

我们离不开它。

所以我们需要利用减碳和碳富集技术将其分解为一氧化碳并找到合适的方法。

既然如此，就有这样一个装置来实现中和、平衡。

我们利用当前的热潮，已经这样做了很长时间。

　　有了这样的基础和理念，我们就可以兼容目前几乎所有的能源系统，并将所有系统集成在一起。

　　了解了这些技术，我们需要思考的是中国的低碳能源战略。

因为今天的课这么大，所以我会给大家一些思考的方法。

　　首先面对中国的煤炭，中国高碳能源低碳利用的新路子，这是大家都看到的，而且这个是2018年提出来的。

中国的煤炭发电量很大。

我们首先有燃料电池来煤气化后发电，因为燃料电池是一种化学反应装置。

它不能像燃烧一样直接将所有燃料转化为热量。

它必须具有适当的燃料利用率。

在这种情况下，它也会排放废气。

与氢燃料电池不同，氢燃料电池可以在氢电极上进行无限循环，它会发出燃料（声音）。

当燃料放出时，我们可以连接煤气管线，我们可以连接煤气管线。

日本拥有联动微型燃气轮机。

三菱制造微型燃气轮机。

中国微型燃气轮机今年刚刚发布了招标指南草案。

它希望在燃气轮机之间建立联动。

当然，燃气轮机也可以将热量转化为热量。

进行蒸汽联动。

简而言之，这张图底部的红线就是通过燃料电池进行高效发电。

燃料电池发电后的优点是其产物是二氧化碳和水，不与空气混合。

我们可以很容易地获得高纯度的二氧化碳。

　　对于上述生产线，我们可以利用可再生资源的电力，特别是三七电，直接电解水和二氧化碳，获得合成呼吸气和合成气。

获得合成气后，可以与所有合成系统兼容。

　　基于这个思想体系，我们开始推动中国第一个也是当前的重点专项，这就是它的发展。

　　第二个思路是充分利用西部资源。

我们有传统的西气东输、西电东送，但是三气三电在西部都非常发达。

我们还需要考虑西部的就地消化。

问题，特别是当我们提出西部跨境储能的时候，如何在干旱地区利用风水燃气水电，在寒冷天气利用有限的夏季光源系统，这是一个想法。

　　然后是与太阳能的结合。

比如我们刚才讲的发电和电解，我们更喜欢使用太阳能光伏发电。

事实上，在阳光下利用热量更容易。

我们可以利用光伏发电。

光与热结合，实现长期供电。

　　事实上，美国和美国夏威夷岛都有示范电站在运行。

我们只是想在中国推广它，找到合适的场景，所以我把它放在超近空间，续航时间长。

跑步的。

　　最后一个是与流程制造业的结合。

比如我们与轻冶金、冶金行业的结合。

在碳排放中，第三产业是钢铁行业。

11吨钢，排放14吨二氧化碳，那么我们的趋势之一就是用轻冶金替代碳冶金。

轻冶金要替代碳冶金，需要现场制备氢气。

有许多可再生资源可以生产氢气。

产生氢气后，可直接用于轻冶金炼钢。

从系统工程的角度看很重要的一点是，这个大钢铁行业和其他行业都是高热度行业。

有很多废热，包括我前面提到的太阳能热问题。

高水平电解需要高温操作。

例如，一平方米的氢气在3伏左右或几千瓦时的电下使用时，如果与一些余热兼容，其电解效率可以提高到1以上。

这对于建筑和能源来说是更好的整个行业都在节约，所以这些项目也都在做。

　　最后，我们提出了。

这是在今年第一个项目完成时提出的。

我们以碳中和的分布式能源转换和易于存储为基础。

我将做一个简短的解释。

　　左边的红线就是我们利用各种传统能源作为燃料来发电的地方。

我们做分布式发电。

分布式发电可以实现更好的高效率及其碳排放和碳减排。

，下面的线由红色过渡到绿色，这是传统的煤化工和石化工艺。

煤化工和石化工业的第一步是将化石燃料转化为合成气。

一旦获得合成气，就可以通过委托合成的方式进行合成。

我们几乎希望所有的化学品和我们所有的燃料，例如煤制烯烃和煤制甲醇系统，都是每个人都熟悉的。

这是我们的传统路线。

　　右边的绿线是可再生资源的开始。

合成气通过电解、水和二氧化碳获得。

这里还有另一个重要特征。

在电解过程中，氢气和一氧化碳几乎占很大比例。

任意可调，可调的流程让我们传统的费托合成变得更加简单。

煤化工比重固定，需要单独加氢。

煤化工生产过程中有不同的加氢工艺。

这样我们就可以一步达到我们想要的目的，并且可以把二氧化碳吃掉。

所有未来的项目化学合成都是从二氧化碳和可再生资源电力开始的。

　　上面这行就是指刚才提到的煤炭冶金、储能等方法。

这样的路线是为国家考虑的，所以我觉得当代世界需要科学家站得住脚，有最前沿的战略眼光和国家的整个能量。

制度怎么做到的，我们还要继续说，到时候国家各方面都会意识到或者认识到做到了是另外一个过程，但是我们认识到之后一定要坚定地说出来。

同时，我们还要脚踏实地。

千里之行，始于足下。

我们必须切实改进这项技术。

在所有燃料电池技术中，我们今天分享的高温是所有电化学装置中难度最高的。

其中之一，在我们学术界，谁都可以挑战任何一个，谁都可以来华山论剑。

　　这非常困难。

其技术和产品在国外经过十几年的商业化应用，目前国内还无法获得。

刚才我也说了，从小到大都是可以应用的。

性能非常好，成本下降很快，发电效率持续提高很快。

所以这是非常困难的。

想要建设电站，必须从电极材料开始，而且是一门高温工程技术。

不像我们做锂电池，做电池设备，我们可以直接卖。

电池不再工作后，仍然需要作为发电系统来实现。

我拥有材料科学背景，从事能源和电力系统研究。

我想从头开始完成这个发电过程。

　　电解系统也是如此。

从材料到施工到整个系统，我们一直在这样做。

　　我们将简要汇报一下行业的进展。

大家都很关心。

嗯，我们是第一个制造固体氧化物燃料电池的人。

从实验室到中试再到工业化，我们在2010年就开始了这样一个过程。

这个过程是基于10多年科研的认识，在2016年进行的。

。

二是基于全球视野的观察。

在此之前和之后世界上都有使用，但在中国没有使用。

我们一年比一年磨刀霍霍，一年比一年开始打造全产业链。

目前，我们已经在江苏打造了全产业链。

链，包括整个发电系统，包括重组期间所有产业链的配套设施。

刚才剑秋教授讲了汽车从后端到前端膜电极的一体化商业模式。

对此我们非常清楚。

如果做不到，就必须从以前的材料一点一滴做起，从电解质材料、电机材料到做电池，再到整体体系与所有产业链配合。

这个产业目前正在大发展、大启动，“十四五”期间，这是科技部首次包括今年在内同时部署多个项目来支持发展国家也非常重视这个领域，我们现在也在北京做它的整体整合。

完成了瓦的过程。

最近我们已经从25千瓦降下来了，我也想在最后一刻做一个广告，因为疫情。

，今年终于是第一次了，非常感谢大家的到来　　同时我们还有能源行业的高温燃料电池标准委员会。

经能源局批准。

这个委员会只是说没有标准，我们这个行业也要动起来。

今年五年了，会有变化。

今年第四年，我们将于3月份在合肥召开我们标准委员会的工作会议和换届讨论会。

非常欢迎大家加入我们的标准委员会。

　　同时我们还有中国能源研究会燃料电池专委会二级学会。

去年已经完成改选，现在是第二次。

在座的几位也是我们的副主席。

今年5月，我们将在榆林举办年会，也是一次多方面的学术活动。

我们欢迎大家的积极参与，也非常感谢大家在各方面的支持。

这是一种常规且标准的情况。

它在一次会议中从术语和实施开始。

制定了一系列标准，能源局还是很严格的。

　　也非常感谢北京市经信局和科委的支持。

然后我们北京市在2016年发布了氢能产业实施方案，这是全国第一个不以城市群以外的汽车燃料电池为基础的综合氢能产业。

这样的实施计划非常重要。

当时得到了我们经信局物资处的支持，非常具有示范性和前沿性。

2017年发布之后，我们过去和今年推广了一系列示范项目，城市群以外的示范项目。

　　为什么这么前沿？ 3月份，国家发布了国家中长期发展规划。

国家的中长期发展规划包括了氢能的所有所谓利用方面，所以我们做出了很好的前沿指导，也充分体现了北京在这方面的远见和前沿性。