“燃烧”15个团队的年华 潮州三环（集团）股份有限公司突破固体氧化物燃料电池关键核 ...

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种效率高、燃料范围广的电化学发电技术,目前处于商业化初期。

历经15年潜心研发,潮州三环(集团)股份有限公司(以下简称三环)研究院突破了SOFC关键核心技术,关键部件的年出口额已超2亿元。不久前,由其牵头承担的国家重点研发计划“固体氧化物燃料电池电堆工程化开发”项目正式启动实施。

“这是我市首个国家重点研发计划项目,也是推进我市产业结构转型升级的一个重要工程。”广东省潮州市委常委、常务副市长张传胜表示,这是三环的又一重大创新举措,也是潮州科技发展的一大亮点。

国内起步不晚,却难以商业化

“SOFC电转化效率高达65%以上,而传统火力发电平均仅约30%;且燃料来源广泛、绿色环保,被公认为是下一代清洁能源的首选。”研究院副院长陈烁烁介绍说,“SOFC可在数据中心、医院、机场等分布式能源领域应用,未来在绿色电网还能起到稳定风能、太阳能带来的电网波动的互补作用。”

发达国家普遍把SOFC作为一种战略储备技术。燃料电池产业作为我国战略性新兴产业之一,在这场全球化的SOFC技术赛跑中,我国起步并不晚。

从上世纪90年代开始,我国一些高校、科研院所就参与到SOFC技术的研发中,积累了大量的科研成果。且随着技术成熟度逐步提高,越来越多的国内企业也参与进来。

可是,由于研发难度高,投入大,该技术迟迟难以商业化。“SOFC发展需要解决性能、寿命、成本和可靠性的核心关键问题。”陈烁烁说。作为一家专注先进材料研发和生产的企业,三环从2004年就开始着手SOFC相关技术的研发、量产工作。但研发之路并不平坦。

近几年,广东更加注重科技创新支撑高质量发展,通过培育壮大高新技术企业、科技型中小企业等各类创新主体,大力支持企业建设研发机构,锻造广东创新创业的筋骨。

得益于此,三环组建了研究院和技术委员会。研究院在SOFC技术研发中起到关键作用。

开发燃料电池,“燃烧”了15个年华

“首先要解决的技术是隔膜片。”陈烁烁介绍,燃料电池工作时,高温之下,燃气只要跟空气一接触就会剧烈燃烧而烧毁。“关键需要一层电解质隔膜片将正负极分开,阻挡燃料与空气的直接接触,又能导电。如果隔膜片做得厚,内电阻高,则无法通过大电流;做得薄,又容易漏气。隔膜片的质量影响整个系统的可靠性。”

凭借过硬的技术积淀,研究院研发出的电解质隔膜片电导率和材料密度,均接近理论值。

随之而来的还有单电池开发。“单电池性能决定整个产品性能。为了测试稳定性,一个测试至少要5000小时,测试任务太多,相关的老化测试设备摆满了一间400平方米的大屋子。”陈烁烁打趣道,“这些单电池烧的不只是天然气,还‘燃烧’了15个团队的年华。”

从原材料到制作工艺的每一个步骤,研究人员反复测试,最终“拿下”所有技术难题。

“名片大小的电池片堆在一起,形成电堆。这是燃料电池最为核心的部分。”陈烁烁说,到2016年,研究人员已开发出1.5千瓦标准电堆,可通过简单串并联方式,组装成更大功率的电堆或模组。电堆发电效率68%以上,预计寿命可达到5年。

“固体氧化物隔膜片现已大量出口,因为技术牢牢掌握在自己手里。”陈烁烁不无自豪,目前,三环已成为全球最大的SOFC电解质隔膜供应商、欧洲市场上最大的SOFC单电池供应商。

吸引更多主体,整合资源谋发展

尽管SOFC技术已在国外市场推出并实现产业化,但我国由于缺少政策扶持、产业链尚未整合等原因,SOFC推广应用还有待进一步开发。

在陈烁烁看来,国内SOFC技术开发的起步不算晚,但产业上明显落后于世界先进水平,归根到底是没把资源整合好。

“SOFC的发展离不开相关配套产业,包括化工、热工与电气等领域的共同参与。”他指出,到目前为止,国内尚未有企业大手笔投入到SOFC系统整合和产业化工作;高校院所拥有技术,但没有工程化和产业化的能力。

“固体氧化物燃料电池电堆工程化开发”项目启动,让陈烁烁大受鼓舞。“该项目的目标是解决SOFC单电池和电堆的一致性和寿命等技术难题,形成SOFC单电池和电堆工程化技术,实现批量生产。”他希望,在此项目带动下,能吸引到更多的市场主体,参与SOFC系统集成开发,补齐我国产业链的空缺,共同推动SOFC的发展。

固体氧化物燃料电池特点

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)属于第三代燃料电池,是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。

SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池,简称PAFC)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池,简称MCFC)相比它有如下优点:(1)较高的电流密度和功率密度;(2)阳、阴极极化可忽略,极化损失集中在电解质内阻降;(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料,而不必使用贵金属作催化剂;(4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题;(5)能提供高质余热,实现热电联产,燃料利用率高,能量利用率高达80%左右,是一种清洁高效的能源系统;(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极,具有全固态结构;(7)陶瓷电解质要求中、高温运行(600～1000℃),加快了电池的反应进行,还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原,简化了设备。

除了燃料电池的一般优点外,SOFC还具有以下特点:对燃料的适应性强,能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行;不需要使用贵金属催化剂;使用全固态组件,不存在对漏液、腐蚀的管理问题;积木性强,规模和安装地点灵活等。这些特点使总的燃料发电效率在单循环时有潜力超过60%,而对总的来说体系效率可高达85%,SOFC的功率密度达到1MW/M3,对块状设计来说有可能高达3MW/M3。事实上,SOFC可用于发电、热电回用、交通、空间宇航和其他许多领域,被称为21世纪的绿色能源。

固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点,可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站,以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源,都有广阔的应用前景。