日本高温燃料电池研发有哪些进展

4月24-26日，由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月26日上午的“氢能与燃料电池“专场，中广核研究院有限公司氢能与储能主管工程师刘世学在会上分享了主题报告《日本高温燃料电池研发进展与中广核研究院氢能》，以下为演讲实录：

刘世学：非常高兴今天能来这儿讲一下高温燃料电池的进展。

先说一下燃料电池的应用。大家知道，有低温和高温的燃料电池。这是在日本的资源能源厅规划中，燃料电池可以用在家用以及车用领域。现在是低温燃料电池，主要是质子交换膜燃料电池，应用在车用领域，其实是各种燃料电池本身的优势、劣势决定的。用在车上要求能量密度比较高。低温燃料电池它的运行温度比较低，它的热不需要回收得特别高，就有比较高的能量利用效率。如果是高温的燃料电池，它的尾气温度可能超过六百度。如果这个热能不利用好，整体的效率就降下来了。不可能在车上背着一个大的储热罐在跑，所以高温燃料电池必须用在固定式的领域，这是它的限制。用在分布式发电或者大型电站上，高温燃料电池的优势就体现出来了。燃料电池后面增加一个燃气轮机，再加上部分热回收，这样的方式用在电站上就会体现出它的优势。

高温燃料电池，因为主要是我比较擅长的领域，我主要讲这一块的发展。除了固体氧化物燃料电池，还有程总接下来会讲到的熔融碳酸盐这样的技术，它用在大型电站上是非常符合的应用场景。说到固体氧化物燃料电池的好处，它可以用的燃料比较多一点。甚至用生物制气提纯，把它做一下重整，就可以直接用在高温的固体氧化物燃料电池里面去。在日本，想象的应用场景包括便携式电源，家用的热电联产装置，汽车的增程器，还有分布式电站。右上角这个图上，可以看到SOFC的发电效率可以达到50%以上。如果是跟热联合利用，有更高的能量利用率。在日本，为什么氢能成为能源规划当中很重要的一个选项。因为日本几乎所有能源都是进口的，进口天然气，进口其他的能源原料，那进口氢对它来说也是一种很好的选择。进口氢气很大的好处就是将来如果考虑碳排放的问题。如果进口氢气，你在国内用氢气就没有碳排放问题。这也是一个选择的理由。

关于氢气的来源，左边可以有各种氢气来源。它可以通过管线运输。如果从国外进口，现在已经很成熟的运输船，完全可以用液化氢的方式把它运到国内，然后用在各种应用领域。这一页想说明的是日本SOFC研发的模式。他们企业跟研究所都能共同参与的产学研联合研发结构。左边这个是NEDO支持的项目，类似于国内的863项目。通过这种项目把研发的企业跟大学、研究所整合到一起，来进行一个联合研发。还有右边这种JST的CREST项目，类似我们的973项目，主要做一些基础类的科研。还有一种支持，就是地域的支持。例如北九州市，他们把氢能利用作为城市的名片来推动，例如推动加氢站的建设。

单电池以及电池堆的开发当中，我列了一些目前来说比较有名的研发机构。像电中研的管式结构，TOTO的小型圆筒形电池。京瓷做的是扁管型的燃料电池，类似前面介绍的宁波所正在研发的电池结构。京瓷的固体氧化物燃料电池是商用化做得最好的。在大学里面，他们可以做各种学术方面的研究，来给企业做咨询。在这样一个项目里面，大学就可以为企业解决他们遇到的难题。这是上面提到NEDO项目进展，2017年在美国开SOFC年会的时候，他们汇报的一个结果。对各个公司做的燃料电池，在他们项目里面做了统一的测试、评价。可以看到，这个图其实从左到右基本上是按照性能由好到坏排列的。底色偏蓝色一点的就是衰减率比较低的。产中研的电池堆可以做到超过两万个小时的测试，并且它的衰减率只有0.1%每千小时。前面我们介绍过产中研用的是管状的结构。这种管状的结构，本身密封就比较容易做到长寿命设计。京瓷的扁管状的，类似这种结构，都比较容易做到长寿命。平板状的结构相对来说它的密封比较困难，连接板跟电池片之间的密封材料，在长时间的运行下密封效果减弱，就会影响寿命。

下面我们看一下各个公司的产品。这是爱信精机做的家庭用的热电联产设备。前面讲过SOFC有一个优点，它工作六七百摄氏度，它的尾气中热能比较多。这时候热能必须要利用上。这种家庭联产式的，纯发电效率达到52%。这已经算是比较高的发电效率了。同时又能够回收它的热。整体能达到87%。这样一个设备，它的能量利用率能达到这么高，是非常惊人的。爱信精机这个设备里面用的电池堆是京瓷的电池堆。热电联产装置有PEFC类型和SOFC类型。这里大概统计到2016年的销售和价格情况。往下这条线说的是售价是线性递减的。2019年他们设定的目标就是------功率大概一千瓦的家庭用热电联产设备，SOFC类型的大概做到六万元。在日本，他们的家庭用户可能能够承受得起这样的一个价格。中国消费者来说的话，一般居民的平均消费水平大概是日本的三分之一。要想在中国卖出这样的设备，价格还得控制在两万元之内。

接下来这个是三浦工业做的4.2千瓦的一个设备，同样需要发电跟热的综合利用。下面这个三菱日立电力系统公司做的一个发电设备，功率在200千瓦以上。它前面是一个SOFC发电设备，后面是燃气涡轮发电设备，整体可以作为一个小型电站来使用。2013年示范的时候，它已经可以达到50%的发电效率。这个图显示的是2013年在丰田的工厂里面建设了一个发电系统。大概2015年在九州大学校区里面建了下面这个综合发电系统。综合发电效率大概是55%，如果后面还有一个热回收利用，整体效率可以达到65%。这个是富士电机设计的发电设备，在日本SOFC年会上显示的。这是日立造船2018年开始在大阪一个公园里面试运行的SOFC的系统。最后这个是电装公司（DENSO）正在开发的一个设备，他们现在拿到了一个NEDO的支持项目，想给垃圾回收厂使用，利用垃圾燃料重整后来发电。下面这个是产综研研发的一款小型便携式的发电设备。中温的质子导电固体氧化物燃料电池，现在有松下电气在做。

接下来我讲一下中广核研究院在氢能方面做的一些事情。我们有一个深圳市氢能安全工程技术研究中心。在氢能利用的时候，安全性问题是很多人一直担心的问题。我们以保障氢气安全和支撑氢能产业发展为出发点，建立这样一个研究中心。希望能够做一些设备的安全性能的检测实验，促进安全评价标准以及鉴定体系的建立。我们秉持中广核在核电安全方面的理念，将其用于氢能安全的防护与保障。基于我们企业已有研究基础，下一步氢安全研究方向主要在气体泄漏扩散、射流、储罐安全测试等方面。在固体氧化物燃料电池方面，我们希望以市场为导向，结合自身的系统集成方面的优势，聚焦发电系统的研发。非常欢迎跟国内的高校、科研院所合作来推动氢能安全研究以及固体氧化物燃料电池产业发展。谢谢！