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中国矿业大学教授王绍荣
以下为发言实录:
中国矿业大学教授王绍荣:刚才袁老师做了非常精彩的报告,战略上把这件事情已经说清楚了,我稍微补充一些细节。
固体氧化物的燃料电池,今天我要说制氢。氢气作为二次能源和电能可以相互比较,也可以相互转化。比较在于,电能是最方便的,而氢能实际上是移动的电这块是方便的,比如说电动汽车的电源,比锂离子电池续航里程要长、加速时间要短,这是它的优势、也是今后的方向。氢能通过燃料电池来发挥它的作用的,因为有了燃料电池它才能变为电。燃料电池可以不用氢能,燃料电池可以用其他的甲烷各种各样的燃料,那是另外一个事情。
氢能跟燃料电池结合以后产生了这么多的应用场景,大家看也就一目了然了,也不需要我做更多的介绍。它的优势、续航里程、动力性能,燃料电池车、混合动力车、电动车,我想图片也是很有说服力的。加氢站,没有加氢站干不了事,现在也形成共识,国内现在也有很多规划的加氢站,可以期待今后两三年加氢站会爆发式的增长,政府也是补贴,这个事应该说发展的轰轰烈烈、蓬蓬勃勃的。虽然我本身不是做氢能源的,但是我也为这个形式感到非常骄傲。
过去我们说氢,就是制氢、储运、加氢、燃料电池的应用,一般来讲是这样来划分的,而过去把氢作为危化品来管制的地方来进行制备,这是对大家非常重要的限制,包括用氢的场所等等,当然本身有它的危险性,它需要一些管制,也是需要的,对我们今后的应用带来很多不必要的限制。这样一种理念之下我们的电解水,是很多的制氢方法的一种,只是这样来看待它,而且电解水过去还不是特别受待见,因为电是贵的,制氢成本是高的,大家不是特别喜欢,有这么一些问题。
最喜欢的或者成本低的当然是天然气制氢,或者现在我们国家大力推的煤制氢,煤制氢当然是成本最低的,但是煤制氢是不是清洁是另外一个问题。这是常温电解水,这是高温电解水,大概是这样的,高温电解水是今天我们重点要介绍的事情。
结合刚才袁教授的理念,新能源电力有高压输电线输送的话,我不一定非要在这个地方来制氢,我可以在这个地方来制氢,这就意味着氢的输送问题可能就是要解决的问题,因为氢的输送是很困难的,如果用电来输送,而现场电解水制氢直接给加氢站用的话可能是不是更加方便一点,尽管现在的政策也许不允许,但是政策毕竟是人制定的,如果咱们有需求,如果咱们的技术是可行的,我想政策就是大家努力的一个结果。如果是有这么一个概念的话,这个电解水制氢的事情可能不仅仅就是一个制氢了,可能还跟氢的输运结合起来了,这是一个我个人的想法。因此,这样一种思考之下,可再生新能源电力消纳与电解水制氢就是有机的结合,应该整体来考虑,怎么来考虑,刚才已经有老师做了报告。今天细化一点,固体氧化物SOEC,在各种电解技术里面SOEC温度是最高的,温度最高意味着效率是最高的,就是说以1.3V电压来电解的话,一方氢大概就是3度电,比其他的好一些,这就是为什么今天我来汇报的问题。这个图更加直观一点,电量是固定的,看电压效率就可以了,电压下来了电的成本也就低了,这就是非常简单的一个事情。
SOEC是什么东西呢?是SOFC燃料电池的逆运行,这个是发电的,本身有很多优点,今天不说了。咱们如果把这个箭头倒过来,外面接上直流电把这个箭头倒过来就是电解水制氢,这就是SOEC,其实是非常简单的一件事情。为什么效率高呢?两个原因,一个是热力学上的、一个是动力学上的。热力学上的是这样的事情,因为电解水,电解水,温度越高所需要的德尔塔H就小,德尔塔S是以热的形式补充的,动力学上也很简单,因为温度越高反应速度越快。这个事情实际国外已经有案例了,已经做了很多工作了,时间关系细节我也不介绍了。包括美国的Idaho国家实验室也做了SOEC的研究。包括德国的Julich研究中心也在做很多工作,不仅仅是制氢的,甚至可以进一步制成甲烷、甚至于制成液氢。
制氢的经济性,如果有这个电价的话,当然这个电价可能比较难以实现,因为过网费一上去电价就上去了,如果假定是这么一个条件,寿命5年,每千瓦1.5万人民币,氢的成本,这个成本是近的成本,包括一些其他的。如果真的达到的话,跟甲醇裂解,应该说还是有前途的,尤其是在弃风弃光弃水电价的前提之下。
SOFC和SOEC现在是什么情况呢?我们认为就是两个孪生兄弟,长的样子很像,电池、电堆工艺是完全一样的,只不过完全相反,工况有点不一样,一个是富燃料,一个是贫燃料,SOFC的系统比较复杂,因为还需要燃料的重整,用不完的燃料还要烧掉,而SOEC的系统是比较金丹的,没有那些问题。SOFC的问题重点在积碳、硫中毒等针对燃料的问题,而SOEC的主要问题是空气极的稳定性。SOFC目前在我们国家市场部太明朗,因为天然气太贵了,我们电比较便宜,用天然气来发电不划算,但是用SOEC的话氢能和储能是刚性的需求,所以我们认为这个事是值得做的。后面我会讲到,我们的电池是非常成熟的,为什么说电池成熟呢?我们过去一直开发这么一个电池,镍负极支撑的电池,这个是共烧结,一系列的优点就在这里,刚才我说了SOEC的问题在这里,而这一层刚好丝网印刷上去再烧上去,换材料非常简单,直接换一个材料就可以了,这就是为什么我们说比较成熟的。由于是孪生兄弟,我们前期的工作完全可以用过来,虽然过去是做发电的电池,我们把它改一改就可以做电解的电池,就是我们过去做的一些电池的样品,这是20×20平方厘米,发电可以发80瓦,如果电解的话,应该说电力密度是一样的,电压更高,功率还要更高一点。
这是我们一些比较细节的工作,这是比较典型的一个曲线,在高浓度下我们希望在1.3V的时候来工作,这么一个电流密度就决定了电池的生产量。我们要做的事,今年把这根线做的平坦一样,减少浓差极化。温度越高兴能越好,但是温度太高了也会带来其他一些问题,比如黏结板的问题、密封的问题等等,跟发电是一样的。像浓差极化,我们要把这个拉的更加平坦一点,降低气体的扩散,因为是电解本来是负极阴极这样来做,做完之后确实有改良。
稳定性,因为电解的稳定性是目前制约这个技术的一个关键点,涉及稳定性的原因也比较多,其中很重要的就是空气极材料,如果使用传统的材料,由于电解的时候氧气出来有局部的高氧,会产生一系列的界面问题,但是当我们改进以后就好很多了,这些事情是作为基础研究客观的一些问题,具体细节不介绍了。
系统集成,我们刚刚说这个系统比发电系统要稍微简单一点,简单在于它不需要后续的处理,但是它也需要一些比如说热管理,电的控制,包括气的控制,紧急情况下需要怎么样,最终出来还有一个储氢,这个氢不能随便放出去的,必须要把它消纳掉,它也有它的一些事情要做。
针对这个事情我们做了一个小的示范,这个示范只有100瓦,这么一个小的系统谈不上效率,但是我们可以谈电堆的效率,电堆的效率是非常高的,因为原理上就决定它是非常高的,做的可以的话电堆效率很高。
发展和展望,我们希望通过千瓦级的示范,千瓦级的示范我们正在做,做好以后非常欢迎各位专家、各位老师来我们这里指导。这里面重点实行了在寿命里边,5—25恩千瓦希望解决系统集成、系统示范运行的问题。到了100千瓦的时候,希望关注成本问题,因为到了100千万就意味着我们要用很多堆,很多堆就有一定的量产,有一定量产堆的成本就可以很快的下来,因为现在我们SOEC比那个贵很多,根本原因在于我们没有量产,希望做示范来推动效率。看看有没有可能如果到100千瓦以后就有可能示范,我们做估算,如果电力在3毛/度的话,把所有的加上去,大概每公斤制氢成本希望控制在这么一个量级,也许我们就有市场了。是不是正确,现在还不知道,因为毕竟不是做氢,是做燃料电池车。
总结起来就是这些内容,通过SOEC消纳富余电力,高效率的制氢,而规模、寿命和成本是今后的关键点。
我要讲的就是这些内容。谢谢大家!
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