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中国SOFC发展现状与向上路径

发布时间:2022-10-03 10:05:58 来源:华体会体育官网  作者:华体会体育官网入口


  SOFC是一种具有很高应用前景的燃料电池,目前世界上发达国家的SOFC技术已进入商业化应用初级阶段。而我国因种种原因难以拿下这块技术高地,长时间处于科研院所的实验室内阶段。

  如今国内在该领域频频传来新动态,比如康明斯、斗山公开表示布局SOFC;潍柴动力全面进军国内SOFC市场,同时投入运行首款30kWSOFC热电联供系统;SOFC供应商深圳通微新能源完成天使轮融资;佛燃能源、杭锅股份对旗下涉足这一领域的子公司进行增资等。这是否意味目前国内SOFC技术开始由实验室向产业化转移的阶段?

  在SOFC市场日渐活跃的背景下,目前国内SOFC从材料到电堆、再到系统整个链条具体处于怎样的发展水平?供应链自主化程度有多高?应用前景到底如何?本文进行具体解析:

  SOFC是一种在中高温下将各种燃料气(天然气、垃圾填埋气、煤气、甲醇等)的化学能高效地转化为电能的全固态燃料电池,学名固体氧化物燃料电池。相较PEMFC,其独特的自身优势较为明显,如不使用贵金属催化剂、燃料选择性多、余热温度高、发电效率高等,非常适用于热电联产、分布式发电、主(备)电站等应用场景。

  作为一种高效清洁的能源转换装置,SOFC由于在煤炭工业、能源工业的环境友好化进程中能够发挥重要作用,被国际多个国家与地区视为一种战略储备技术,并且在政策的支持下发展迅速。

  而在我国,由于SOFC没有来自政策的具体规划与激励、应用前景不明朗,以及本身技术含量比较高,过去20年的时间都处于萌芽状态,技术研发基本停留在科研院所的实验室内,从企业到资本基本也都处于观望状态。

  近几年,随着国家能源结构向绿色低碳转型,国内陆续出现SOFC示范应用案例,SOFC市场似乎显现“活络”的迹象:

  企业层面,斗山集团宣布已完成使用在住宅和小型建筑的10kWSOFC的开发,量产产品定于2022年上市。康明斯明确表示,选择SOFC作为燃料电池技术的新方向。潍柴动力联手博世、英国锡里斯成立两大独立合资公司,全面进军国内SOFC市场。另有5-6家央企也已经开始对SOFC技术进行投入研发。

  资本层面,SOFC供应商深圳通微新能源在今年4月完成天使轮融资,资方为险峰长青,资金主要用于产品研发,团队和生产线建设。深圳通微新能源目前在SOFC方面有4件专利申请,均为发明专利,专利围绕微通道、陶瓷膜等进行布局。

  佛燃能源对旗下全资子公司进行增资,助力其研发SOFC等项目;杭锅股份对独立开发并掌握SOFC技术的臻泰能源宣布增资1500万;潮州三环宣布拟投1.56亿重点提升公司SOFC制备技术及产品。

  政策层面,广东印发《广东省能源发展“十四五”规划》,提出基于SOFC电解质隔膜片等核心零部件制造方面全球领先的优势,发展SOFC及其分布式发电成套装备,推广高温燃料电池冷热电三联供应用示范。去年北京市提出氢能产业发展实施方案,明确将SOFC的发展目标列入其中。

  从SOFC的结构来看,它由电解质(陶瓷材料)、阳/阴极、连接体(陶瓷或合金)构成单电池(如下图所示),再由多个单电池构成电堆。SOFC工作温度高,一般在650度以上才能实现满负荷运转,系统层面还需要燃料供应系统(预重整器)、供气系统(加热器、压缩机)、控制系统(电压调节器、逆变器)及其他部件如换热器等保证整个系统的稳定运行。

  在SOFC市场日渐活跃的背景下,目前国内SOFC从材料到电堆、再到系统整个链条具体处于怎样的水平?企业市场拓展情况怎么样?应用前景到底如何?

  SOFC主要由材料、单电池、电堆和辅助系统几大模块组成,核心模块是电堆。在这几大模块中:

  供应链方面,国内已经形成了十分完备的SOFC的原材料体系,并且品质优良,这一点也是在国内发展SOFC的一大优势,包括美国、日本、德国等产业相关公司,部分原材料也在我国购买。不过,在辅助系统BOP上,包括预重整器、加热器、压缩机、电压调节器、逆变器、换热器等,目前国内还没有专业生产公司,在这一环节的产品上,部分SOFC用户向外定制,部分用户自行研发,总之可以说BOP环节处于缺失状态,而出现这种情况,主要原因是SOFC市场还未起量、BOP环节企业涉足的积极性还不高。

  技术性能方面,在四大模块中,国内企业已经基本掌握了关键材料的制备技术,也已经接近世界先进水平;单电池层面有数家企业已经掌握了大面积单电池量产技术;但是,在电堆方面,国内企业在电池结构设计、单电池组装方面仍然比较粗放,电池密封和连接体结合强度在电池长期运行中还存在不稳定等问题,这很大程度上影响着SOFC系统的使用寿命。目前国内的水平大概在数千小时到1万小时左右,但SOFC商业化系统的期望是10年以上。

  市场拓展方面,SOFC在国内还没有商业化应用案例,整体尚处于研发示范的早期阶段。在这一阶段,国内已经有部分企业建立起小批量试用产线,包括潍柴动力、潮州三环、浙江氢邦、中弗新能源、宁波索福人等。这些企业基于不同的应用场景,基本都已经打造出1-2个示范应用项目。在这些企业中,潍柴动力和潮州三环属于实力型企业,其他基本属于科研院所人员基于多年研究成果、在节能减排大环境下设立的初创型公司。

  “SOFC涉及到多个学科的交叉融合,甚至需要在相矛盾的点上找到一种平衡,技术难度还是非常高的。现在市场上做这部分产品的人员以老师居多。”一位SOFC企业研发人员告诉高工氢电。

  应用前景方面,基于SOFC拥有高效的发电效率,同时能够输出高品质的热且环保等特点,SOFC的应用前景非常广泛,可应用于分布式发电、备用电源与热电联产,还可以在制氢、综合能源补给站、储能、化工节能、交通应用领域(主要是应用在商用车增程器以及船舶辅助电力)等方面。

  现阶段,国内SOFC企业正在积极拓展产品的应用场景。在多种应用场景中,多数企业认为SOFC有望率先在发电、制氢上实现规模化应用。具体原因是:发电方面,分布式热电联供(基于天然气管网的小区、楼宇以及医院等)+可燃废气发电(垃圾填埋气、工厂废气等),市场需求大;制氢方面,目前政策推动下,电解水行业大热,并且电解水制氢可利用余热与可再生电力,同时高温水蒸气和高温CO₂可以契合SOEC技术大规模应用。

  其他方面,当前SOFC领域相对成熟的是5kW左右的产品,同时在大功率趋势下市场上也已经出现30kW的产品。在技术路线上,SOFC系统按照结构特点,目前主要可分为管式、平板式和平管式。其中管式易于密封,发展较快,但是制备成本偏高;平板式结构制造工艺简单,制造成本低;为了能够吸收管式和平板式的优点,国内已有企业开发了平板管式。目前,这三种结构的SOFC在国内都已有相应的示范项目。

  SOFC在国内整体处于企业上下求索的早期阶段。企业们之所以在这条路上投入研发,一方面是双碳目标下,企业认为SOFC应用价值大,前景广阔;一方面是国际市场在SOFC上取得的成绩证实了这一产品技术的可行性。

  目前,SOFC技术在美、日为代表的发达国家已日趋成熟,已开始进入商业化应用初级阶段。美国的代表性企业是Bloom Energy,它也是全球范围内最大的SOFC公司,总装机量已经超过350MW。日本是以家用SOFC热电联供系统作为突破口,小型的热电联供系统累计出货已经达到60MW,此外还发展了大型的250kW的天然气发电系统。

  欧洲SOFC的发展方向目前主要是以SOEC为主,电解为主,把可再生电力通过SOEC来制氢,代表性企业是德国Sunfire,建造了总功率2.6MW的SOFC电解水制氢设备,这也是世界上最大的电解水制氢设备。

  纵览国内SOFC产业,显然与美国、日本和欧洲的先进水平相比还有较大的差距。

  “国内SOFC系统开发,多数还是停留在实验室或样机阶段,从业企业数量也不多,更是没有出现类似PEMFC领域国电投这种引领性的公司。我们实际上也在等待这个市场的爆发。”一家SOFC公司负责人表示,SOFC发展的关键一个是市场规模要大,一个是燃料成本要低,还有寿命必须要长,我国显然还没有在这几点上达到标准。

  那么怎样才能让SOFC在国内实现快速的发展?他的观点是:产业链必须实现协同创新,只有合作才能实现共赢。

  首先在技术方面,SOFC的技术链条是比较长的,从整体原料制备、双极板制造、电堆的装配到最后系统的集成,每个环节的技术核心或者技术难点都不一样,只有全产业链条上下游形成合力,协同创新才能推动SOFC技术进步。

  其次是以市场为导向,以示范为抓手,和终端的客户共同发现市场、培育市场、开拓市场,开发出更多应用潜力,使这一产业在更多层面获得更多关注。

  此外,作为一个新兴技术产品,SOFC要获得发展还必须得到政府的关注与支持,各方形成自上而下的推动力,SOFC才会得到更快的发展。现阶段,国内缺乏SOFC一对一政策支持,我国在PEMFC领域有针对性政策支持,对SOFC还未出台针对性政策支持。

  就现阶段而言,国内SOFC企业的实际发展情况如何?下文重点梳理部分代表企业的发展概况,从中可窥见当前该技术路线的整体发展水平:

  潮州三环国内较早一批开始研究SOFC的企业,具有50年电子陶瓷生产经验,于2004年开始涉足燃料电池领域,2012年开始批量生产SOFC单电池;2015年收购澳大利亚CFCL公司,获得其电堆和小功率SOFC系统技术基础。

  2019年6月,由潮州三环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。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。

  目前,潮州三环出货量最大的是电解质隔膜、单电池,同时具备电堆、系统的量产能力。在系统方面,目前其可以提供1.5kW和35kW的系统,在公司深圳研发基地、惠州天然气电厂、佛燃能源等地方有在运行。

  浙江氢邦是由中科院宁波材料所在2019年孵化的公司,专注于电堆的开发与制造,已经实现了kW级电堆的研制和小批量的制造。目前,该公司正在进行5kW电堆的开发,并有望在今年推出样机,后续还将推出10-25kW电堆产品,同时打造下游应用示范案例;

  浙江氢邦科技的SOFC是平管型结构,自主化程度非常高,所自主研发的大面积单电池有效面积超过250平方厘米,单片电池出输出功率超过百瓦。目前,浙江氢邦还可提供SOFC相关的设备与系统部件开发,比如测试台架和测试装置的定制以及第三方的测试服务。

  中弗新能源成立于2018年,主要专注固态氧化物燃料电池的一家公司,现在主要集中在材料、电池片、电堆和系统的集成。2018年,其在无锡建立了一条电池片的连续化工业生产线年,实现了电池和电堆的工业化量产,同年在无锡建成了一个SOFC超级充电站,目前已经对外试运营。

  中弗经过多年的发展,在本体材料、电池片、密封件、双极板等方面也获得了SOFC相关专利32项,基本形成了全产业链的立体保护,自主化超过90%。公司目前的系统发电效率在国内处于领先水平,实验室最长运行接近3000小时,理论寿命超过4万小时。

  宁波索福人专门从事SOFC系统产业化的工作,由原中国科学院宁波材料技术与工程研究所燃料电池事业部创业而成。该公司也是国内少数几家真正具备SOFC产业化能力的企业,公司建立了SOFC单电池、电池堆以及发电系统的生产线,一直对外销售SOFC单电池、SOFC电池堆以及SOFC发电系统等产品,产品客户涵盖国内外。

  去年1月,宁波索福人25kWSOFC系统在索福人厂区顺利开车升温发电。目前,其在技术上可以提供适用于数据中心、医院、宾馆、工业园、工厂、社区的大功率SOFC系统,且寿命长、全自动控制,自主化达到100%。

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