一、前言

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，目前對以煤、石油、天然氣等為代表的傳統(tǒng)化石能源的過度開發(fā)利用，導(dǎo)致了日益嚴重的環(huán)境問題。為實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展，推動能源行業(yè)向低碳化、無碳化、低污染方向發(fā)展成為世界各國的共識。

中國是世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國，目前以煤為基礎(chǔ)的大規(guī)?；茉撮_發(fā)造成二氧化碳排放問題嚴重，2021 年我國二氧化碳排放量超1.19×1010 t，占全球總量的 32.8%，占比最大 [1]。與此同時我國能源安全問題突出，目前我國石油的對外依存度已超 70%，天然氣的對外依存度已超40%，對外依存度現(xiàn)狀不能滿足最基本的能源安全需求 [2]；另一方面，可再生能源發(fā)展迅速，可再生能源成為增量主體，到“十四五”末可再生能源的發(fā)電裝機占中國電力總裝機比例將超過50%，但由于風(fēng)能、太陽能等本身的間歇性及我國風(fēng)能、太陽能等資源地域分配不均，大規(guī)?？稍偕茉磧δ苷{(diào)峰問題迫切需要得到解決；此外，大電網(wǎng)集中式供電遠距離輸送損耗大、效率低，尤其安全問題不容忽視，重大事故會造成巨大經(jīng)濟損失，開發(fā)分布式發(fā)電技術(shù)提高能源利用效率將成為未來新趨勢。十九大報告明確提出要推進能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。氫能作為一種綠色低碳、清潔高效、安全、可持續(xù)的二次能源，氫能的應(yīng)用可以廣泛滲透到傳統(tǒng)能源的各個方面，包括交通運輸、工業(yè)燃料、發(fā)電等。氫能符合中國碳減排重大戰(zhàn)略，同時有利于解決中國能源安全問題，是國家能源革命的重要媒介。氫能可以將傳統(tǒng)化石能源和可再生能源連接起來，實現(xiàn)二者平穩(wěn)過渡。發(fā)展氫能是實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，推進我國能源生產(chǎn)和消費革命的重要抓手 [3]。

燃料電池（FC）是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、排放低、無噪聲等特點，是21世紀的能源革命性發(fā)電技術(shù)。燃料電池技術(shù)與氫能源產(chǎn)業(yè)直接關(guān)聯(lián)，是核心技術(shù)環(huán)節(jié)。根據(jù)所使用的電解質(zhì)不同，燃料電池主要分為固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃 料 電 池 （PEMFC）、 熔 融 碳 酸 鹽 燃 料 電 池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）等 [4]。全球范圍燃料電池的主要技術(shù)路線目前以采用高純氫氣作燃料的 PEMFC 和可以采用粗氫和碳氫燃料的固體氧化物燃料電池為主。以氫氣為能源、低溫運行的 PEMFC，在以新能源汽車為代表的交通領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間。高溫固體氧化物燃料電池燃料適應(yīng)性強，可使用氫氣，不要求高純度，特別是可直接使用各種含碳燃料（天然氣、生物質(zhì)氣、汽油、柴油、乙醇等），發(fā)電效率高，應(yīng)用前景廣泛，目前在固定式發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域更為突出 [5,6]。

我國要構(gòu)建“清潔、低碳、安全、高效”的現(xiàn)代能源體系，必須依托新型能源技術(shù)的突破，氫能是未來最重要的能源載體，而可以實現(xiàn)氫能和現(xiàn)有化石燃料清潔高效利用的固體氧化物燃料電池技術(shù)，與我國現(xiàn)有能源供應(yīng)系統(tǒng)兼容，必將擔負起非常重要的歷史使命。大力發(fā)展可以采用多種燃料的固體氧化物燃料電池技術(shù)將助推我國供給側(cè)能源改革，推動能源技術(shù)革命，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標奠定技術(shù)基礎(chǔ)。為了促進我國固體氧化物燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的全面發(fā)展，本文依托中國工程院咨詢項目的支持，分析了國內(nèi)外固體氧化物燃料電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，凝練了我國發(fā)展固體氧化物燃料電池技術(shù)面臨的問題，梳理了固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈面臨的重點任務(wù)，提出了若干保障措施與政策建議，研究將為今后固體氧化物燃料電池的規(guī)模化、商業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

二、固體氧化物燃料電池的技術(shù)特點及應(yīng)用場景

高溫固體氧化物燃料電池發(fā)電不需經(jīng)過從燃料化學(xué)能→熱能→機械能→電能的轉(zhuǎn)變過程，其能量轉(zhuǎn)化效率高、操作方便、無腐蝕、燃料適用性廣，可廣泛地采用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣、生物質(zhì)氣、甲醇、乙醇、汽油和柴油等多種碳氫燃料，很容易與現(xiàn)有能源資源供應(yīng)系統(tǒng)兼容 [6]。同時，固體氧化物燃料電池不需要貴金屬催化劑，原材料資源豐富且成本低。另外，固體氧化物燃料電池具有環(huán)境友好排放低和噪聲低等優(yōu)點，是公認的高效綠色能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。固體氧化物燃料電池的高效率、無污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對多種燃料氣體廣泛適應(yīng)性等方面的突出優(yōu)點，成為其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

固體氧化物燃料電池最常見的應(yīng)用領(lǐng)域為固定式發(fā)電，包括小型家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)（CHP），分布式發(fā)電或數(shù)據(jù)中心備用電源，以及工業(yè)用大型固定式發(fā)電站等。其中，二氧化碳近零排放的大型煤氣化燃料電池發(fā)電技術(shù)（IGFC）和可以采用氫氣、甲烷、甲醇以及氨等作為燃料的分布式發(fā)電技術(shù)是未來主要研究方向。IGFC 是將整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）與高溫固體氧化物燃料電池或MCFC 相結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)，可在 IGCC 的基礎(chǔ)上進一步提高煤氣化發(fā)電效率，降低CO2捕集成本，同時實現(xiàn)CO2及污染物近零排放，是煤炭發(fā)電的根本性變革技術(shù) [7,8]。

另外，固體氧化物燃料電池作為輔助或動力電源在車輛、輪船、無人機等領(lǐng)域也有推廣應(yīng)用。其中，2016年日產(chǎn)汽車發(fā)布了世界上首款以固體氧化物燃料電池動力系統(tǒng)驅(qū)動的燃料電池原型車。2020 年Bloom Energy（BE）公司與三星重工業(yè)株式會社簽署了一項聯(lián)合研發(fā)協(xié)議，共同設(shè)計和開發(fā)以固體氧化物燃料電池為動力的燃料電池船，實現(xiàn)其對船舶清潔能源和更加可持續(xù)的海上運輸業(yè)的發(fā)展愿景。

三、固體氧化物燃料電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及問題剖析

（一）國外固體氧化物燃料電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

美國、歐洲、日本等發(fā)達國家和地區(qū)在固體氧化物燃料電池技術(shù)方面一直處于世界領(lǐng)先地位，經(jīng)過幾十年的技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)，已經(jīng)基本實現(xiàn)了固體氧化物燃料電池技術(shù)的商業(yè)化運行 [9,10]，發(fā)展出多家具有特色技術(shù)的固體氧化物燃料電池企業(yè)。

美國是世界上最早開始布局固體氧化物燃料電池研發(fā)的國家，由美國能源部（DOE）牽頭，持續(xù)支持數(shù)十年。目前從全球市場來看，美國的固體氧化物燃料電池累計裝機量處于絕對領(lǐng)先地位，重點扶持大中型工/商業(yè)用供電，特別是由于美國自然災(zāi)害頻繁，缺少可靠電網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心備用電源應(yīng)用場景豐富。2001 年，由風(fēng)險資金成立的 BE 公司，是目前固體氧化物燃料電池領(lǐng)域技術(shù)力量最強的公司，也是固體氧化物燃料電池商業(yè)化最成功的公司，實現(xiàn)了數(shù)百千瓦到數(shù)兆瓦的分布式發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用。圖1為BE公司投放的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品，其標準配置可產(chǎn)生250 kW的功率，占地面積大約相當于30 ft集裝箱的一半，發(fā)電效率高達65%，處于世界領(lǐng)先水平，通過提供安全可靠供電服務(wù)于銀行和金融服務(wù)、數(shù)據(jù)中心、政府、酒店、物流等各個行業(yè)，主要客戶包括蘋果公司、沃爾瑪百貨有限公司、美國銀行、谷歌公司等數(shù)十家全球財富百強公司。除了比較知名的BE公司外，FuelCell Energy等公司也積極進行固體氧化物燃料電池研發(fā)布局。美國固體氧化物燃料電池技術(shù)推進得益于美國聯(lián)邦政府的積極引導(dǎo)和財政支持，同時一些地方州政府也通過補貼或稅收減免等方式，推動固體氧化物燃料電池產(chǎn)品投放。

日本在新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的領(lǐng)導(dǎo)下，固體氧化物燃料電池規(guī)劃主要包括家用型（千瓦級）以及電廠型（兆瓦級及以上）等，日本從 2005 年開始啟動家用燃料電池熱電聯(lián)供（ENE-FARM）計劃，對ENE-FARM進行示范運行及政府補助，因此目前以家用小型熱電聯(lián)供系統(tǒng)最為成熟，保有量位居全球第一，其中日本京瓷株式會社等從1985年開始一直挑戰(zhàn)小型固體氧化物燃料電池的技術(shù)開發(fā)，2011年率先推出的家用千瓦級固體氧化物燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)進入市場，整體系統(tǒng)效率可達90%（LHV）以上，其利用高超的精密陶瓷設(shè)計、制造和測評技術(shù)，可實現(xiàn)產(chǎn)品 9×104 h連續(xù)工作，360次啟停，12年的設(shè)計壽命，目前安裝數(shù)量持續(xù)增加，價格逐漸降低。除此之外，在工業(yè)用固體氧化物燃料電池技術(shù)研發(fā)方面，日本三菱重工（MHI）從 20 世紀 90 年代開始針對煤炭高效利用，進行大規(guī)模固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)研究。目前，日本三菱與日立集團合資成立的電力公司已成功研發(fā)出 250 kW 固體氧化物燃料電池 ? 微型燃氣輪機（MGT）系統(tǒng)，并在日本推廣應(yīng)用。日本NEDO與大崎電業(yè)社2017年合作開展IGFC驗證項目，2019年開始進行第三期驗證工作，即CO2近零排放 IGFC（600 kW×2），目標是未來在應(yīng)用于500 MW 級商業(yè)發(fā)電設(shè)施時，CO2回收率為 90% 的條件下實現(xiàn)47%的供電效率。

歐洲具有一批成功實現(xiàn)產(chǎn)品化的公司，如CeresPower、Sunfire、Solid Power、Elcogen、Convion、Topose等，與日本相似，歐洲的固體氧化物燃料電池市場主要應(yīng)用為微型熱電聯(lián)供（Micro-CHP）系統(tǒng)，近年來由于可再生能源的快速發(fā)展，Sunfire、Topose正在轉(zhuǎn)向固體氧化物燃料電池的逆過程即固體氧化物電解池技術(shù)研究。Ceres Power是一家英國公司，是新一代、低成本金屬支撐燃料電池技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，其特有的Steel Cell TM技術(shù)，源自英國帝國理工學(xué)院，已持續(xù)研究開發(fā)近 16 年，2019 年，Ceres Power宣布成功開發(fā)了首個專為氫燃料設(shè)計的零排放熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。愛沙尼亞的 Elcogen成立于2001年，具有最先進的陶瓷陽極支撐、低溫固體氧化物燃料電池制造技術(shù)，其生產(chǎn)的電池片和電堆性能處于國際領(lǐng)先水平，目前已經(jīng)商業(yè)化。芬蘭的Convion公司成立于2012年，主要基于固體氧化物燃料電池技術(shù)開發(fā)用于分布式發(fā)電和工業(yè)自發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)，其開發(fā)的C60產(chǎn)品，可使用天然氣或沼氣為原料，輸出功率 60 kW，發(fā)電效率達到60%，總的能量效率達到83%。

從各個國家固體氧化物燃料電池技術(shù)商業(yè)化進程可以看出，固體氧化物燃料電池技術(shù)的發(fā)展需要政府的引導(dǎo)和大力支持，特別是在商業(yè)化尚未成型的前期導(dǎo)入階段，財政補貼尤為重要。另一方面，政府、企業(yè)、高校、科研院所之間的協(xié)同合作機制對于固體氧化物燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展非常重要。

（二）我國固體氧化物燃料電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

國外固體氧化物燃料電池的研發(fā)方向主要聚焦于降低成本和提高穩(wěn)定性方面，中國則起步較晚，尚處于初步探索階段?！笆濉逼陂g，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）作為依托單位，聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京科技大學(xué)等承擔了國家“973計劃”項目——碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎(chǔ)研究，開展固體氧化物燃料電池相關(guān)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究；中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、寧波材料技術(shù)與工程研究所、華中科技大學(xué)和中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所分別承擔了“863計劃”項目——5千瓦系統(tǒng)和25千瓦電池堆項目，在固體氧化物燃料電池關(guān)鍵材料及單電池開發(fā)方面取得很大進步 [11]。

“十三五”期間，大型能源集團如國家能源集團、國家電網(wǎng)有限公司、中國華能集團有限公司、濰柴動力股份有限公司、晉能控股裝備制造集團有限公司等開始介入，為固體氧化物燃料電池的發(fā)展提供了很好契機。

在固體氧化物燃料電池技術(shù)應(yīng)用場景方面，IGFC 技術(shù)有助于實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用，是煤炭領(lǐng)域的變革性技術(shù)。為推進IGFC相關(guān)技術(shù)攻關(guān)和工程示范，科學(xué)技術(shù)部在2017年立項了國家重點研發(fā)計劃 “CO2近零排放的煤氣化發(fā)電技術(shù)”，由國家能源集團牽頭，聯(lián)合中國礦業(yè)大學(xué)（北京）、中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司、清華大學(xué)等單位組成“產(chǎn)學(xué)研”攻關(guān)團隊，其核心任務(wù)是開發(fā)高溫固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池技術(shù)，建成 CO2近零排放的 IGFC 示范工程，項目總體技術(shù)路線如圖2所示。IGFC系統(tǒng)一般由煤氣化凈化、高溫燃料電池發(fā)電、余熱回收及CO2捕集和封存等子系統(tǒng)構(gòu)成，其中高溫燃料電池發(fā)電技術(shù)是制約IGFC發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。項目組目前已開發(fā)了固體氧化物燃料電池電堆和IGFC測試平臺，已實現(xiàn)了20千瓦級IGFC發(fā)電系統(tǒng)試車，下一步將依托已有技術(shù)開展100千瓦級IGFC發(fā)電系統(tǒng)示范 [12]。目前，國內(nèi)IGFC仍處于起步階段，煤氣凈化提純技術(shù)、高溫燃料電池技術(shù)、系統(tǒng)耦合控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)研究正逐步開展。高溫固體氧化物燃料電池技術(shù)是制約IGFC發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，目前，國內(nèi)的固體氧化物燃料電池技術(shù)尚未完全成熟，一方面應(yīng)加強基礎(chǔ)研究，另一方面要重點開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，降低成本，提高壽命。

國內(nèi)相關(guān)的固體氧化物燃料電池企業(yè)主要有潮州三環(huán)（集團）股份有限公司、蘇州華清京昆新能源科技有限公司、寧波索福人能源技術(shù)有限公司、武漢華科福賽新能源有限責任公司等。

潮州三環(huán)（集團）股份有限公司是美國BE公司的主要供貨商，從2004年開始開展固體氧化物燃料電池電解質(zhì)膜的開發(fā)和生產(chǎn)。2012年開始量產(chǎn)固體氧化物燃料電池單電池，2017年開始向國內(nèi)市場推出固體氧化物燃料電池電堆，目前正在進行30 kW固體氧化物燃料電池系統(tǒng)研發(fā)。蘇州華清京昆新能源科技有限公司創(chuàng)建于2010年，相關(guān)產(chǎn)品包括單電池、電堆、發(fā)電系統(tǒng)等。2018年成立徐州華清京昆新能源科技有限公司，在徐州投資建設(shè)固體氧化物燃料電池智能制造工廠。2019年8月，徐州華清固體氧化物燃料電池項目首批20萬片單電池生產(chǎn)線投產(chǎn)。寧波索福人能源技術(shù)有限公司創(chuàng)立于2014年，目前建立了固體氧化物燃料電池單電池、電池堆以及發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)線，一直對外公開銷售單電池、電堆以及發(fā)電系統(tǒng)等產(chǎn)品；2022 年 1 月，研制的25 kW固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)順利運行。武漢華科福賽新能源有限責任公司成立于2016年，是一家專業(yè)從事固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)的高科技企業(yè)。目前，公司成功研制了 1~5 kW獨立發(fā)電系統(tǒng)及各種規(guī)格測試臺。

從整體來說，國內(nèi)固體氧化物燃料電池在產(chǎn)業(yè)化方面與國外差距巨大，仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，雖然經(jīng)過了20多年的技術(shù)積累，已經(jīng)基本掌握了固體氧化物燃料電池關(guān)鍵材料的制備技術(shù)和大面積單電池的量產(chǎn)技術(shù)，但技術(shù)力量不強，特別是由于核心電堆的一致性、可靠性以及低成本技術(shù)未完全突破，加之國產(chǎn)高溫系統(tǒng)輔助部件缺失，我國目前尚無公開報道長期運行的固體氧化物燃料電池商業(yè)化系統(tǒng)，固體氧化物燃料電池的應(yīng)用研究仍然主要集中在突破關(guān)鍵技術(shù)及建設(shè)示范工程上。目前我國固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍存在很多亟待解決的問題。

1. 應(yīng)用基礎(chǔ)研究薄弱，關(guān)鍵技術(shù)缺失
固體氧化物燃料電池運行溫度高，產(chǎn)業(yè)鏈長，工程技術(shù)難度也最大，是典型的“高門檻”技術(shù)，且國外固體氧化物燃料電池先進技術(shù)和產(chǎn)品早期均對中國一定程度禁運禁售，屬于“卡脖子”類核心技術(shù)，全靠自主研發(fā)。我國固體氧化物燃料電池起步明顯落后，開始從事固體氧化物燃料電池研究時，國外已基本具備了固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，電池穩(wěn)定性評估已經(jīng)達到了數(shù)萬小時，即使目前，國內(nèi)也不具備如此高穩(wěn)定性的固體氧化物燃料電池技術(shù)。我國固體氧化物燃料電池發(fā)表論文數(shù)量眾多，但主要偏向于新材料方面，與實際應(yīng)用相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)研究相對薄弱，致使產(chǎn)業(yè)化進程緩慢。

2. 固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈長、國內(nèi)技術(shù)無法共享
在基礎(chǔ)研究方面，國內(nèi)大部分高?；蚱髽I(yè)是單兵作戰(zhàn)，只能在自己熟悉的專業(yè)領(lǐng)域開展一些力所能及的工作，致使相關(guān)基礎(chǔ)研究較為分散，雖然有科研項目支持，但未完全形成合力，未能形成良好的理論和技術(shù)體系。在資金薄弱的情況下，很多工作是重復(fù)性的，所以國內(nèi)固體氧化物燃料電池的進展十分緩慢。相比之下，歐洲、日本和美國各企業(yè)之間商業(yè)合作頻繁，技術(shù)互補，發(fā)展迅猛。美國針對固體氧化物燃料電池，在1999年由能源部牽頭建立固態(tài)能量轉(zhuǎn)換聯(lián)盟（SECA），由產(chǎn)業(yè)團隊、技術(shù)團隊和聯(lián)邦政府三方構(gòu)成，相互協(xié)調(diào)配合，共同推進固體氧化物燃料電池產(chǎn)品的研發(fā)與商業(yè)化進程。日本主要在NEDO的領(lǐng)導(dǎo)下進行固體氧化物燃料電池的相關(guān)研發(fā)工作，NEDO聯(lián)合了日本主要科研機構(gòu)和大型企業(yè)，致力于進一步提升運行壽命和降低系統(tǒng)成本。

3. 缺少足夠的資金投入，產(chǎn)業(yè)化成本較高
相對于其他燃料電池，固體氧化物燃料電池難度很大，需要投入巨大的資金來支持。但是，在早期除了政府提供的國家項目支持外，很少有企業(yè)投資。大多數(shù)企業(yè)都處于觀望的狀態(tài)，只有部分由高校或研究院組建的企業(yè)在推進固體氧化物燃料電池的產(chǎn)業(yè)化，進展相對緩慢。在產(chǎn)業(yè)化初期，由于規(guī)模較小，參與的企業(yè)較少，配套不足，核心電池電堆以及各種零部件，包括熱交換器、催化燃燒器、氫氣循環(huán)泵等，都是定制產(chǎn)品，導(dǎo)致了固體氧化物燃料電池系統(tǒng)價格高。此外，固體氧化物燃料電池的工作溫度高達650~800 ℃，工業(yè)級的固體氧化物燃料電池產(chǎn)品要求有數(shù)萬小時的壽命，且常年不間斷運行，對各種部件、材料、涂層的耐高溫老化性能要求極高，推高了材料及工藝成本。固體氧化物燃料電池高加速老化測試評價技術(shù)不成熟，任何的技術(shù)改進均需要相當長的時間進行驗證。在產(chǎn)業(yè)初期，研發(fā)投入折算的成本非常高。但值得慶幸的是，“十四五”以來，固體氧化物燃料電池正在被眾多企業(yè)重視，發(fā)展前景明朗。隨著氫能與燃料電池的發(fā)展熱潮，一系列政策出臺，固體氧化物燃料電池技術(shù)進入快速發(fā)展期。

四、我國固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑

（一）發(fā)展思路

“十四五”以來國家密集出臺了多項針對氫能的政策，特別是2022年3月23日，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，提出穩(wěn)步推進氫能多元化示范應(yīng)用。燃料電池車輛只是氫能應(yīng)用的突破口，長遠發(fā)展應(yīng)逐步拓展在儲能、分布式發(fā)電、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。固體氧化物燃料電池應(yīng)用前景廣泛，既能實現(xiàn)煤炭、天然氣等化石能源的高效低碳利用，還能實現(xiàn)氫能的綠色高效利用，因此，以固體氧化物燃料電池為代表的燃料電池技術(shù)是未來能源轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)支撐，也是新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

從保障我國能源安全和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的國家戰(zhàn)略需求出發(fā)，發(fā)展固體氧化物燃料電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、帶動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、推動能源生產(chǎn)與消費革命、壯大綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、培育出新的經(jīng)濟增長點。因而，我國未來相當長一段時間需要持續(xù)加強固體氧化物燃料電池基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究，掌握固體氧化物燃料電池理論、材料創(chuàng)新體系；重視固體氧化物燃料電池相關(guān)的工程、工藝與裝備開發(fā)，推進固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)的形成，健全與完善固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈；逐步擴大固體氧化物燃料電池系統(tǒng)示范規(guī)模，提升固體氧化物燃料電池技術(shù)水平；完善固體氧化物燃料電池法規(guī)標準建設(shè)，加強頂層規(guī)劃與設(shè)計，發(fā)揮政策對固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)的引導(dǎo)作用，最終建立低成本的固體氧化物燃料電池材料、部件、系統(tǒng)的制備與生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)固體氧化物燃料電池在無補貼的情況下商業(yè)化運行。

隨著我國能源形勢日益嚴峻及環(huán)保壓力持續(xù)加大，對降低CO2排放、實現(xiàn)煤炭資源清潔高效利用的需求越來越迫切 [13]，煤炭清潔高效利用技術(shù)創(chuàng)新是我國《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》的重要內(nèi)容。在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的基礎(chǔ)上發(fā)展的煤氣化燃料電池發(fā)電技術(shù)，可實現(xiàn)煤基發(fā)電由單純熱力循環(huán)發(fā)電向電化學(xué)和熱力循環(huán)復(fù)合發(fā)電的技術(shù)跨越，大幅提高煤電效率，在高效發(fā)電的同時實現(xiàn)污染物近零排放和負荷快速響應(yīng)，被視作未來最有發(fā)展前景的近零排放煤氣化發(fā)電技術(shù)。國家《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》和《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》等都將IGCC/IGFC列為重要內(nèi)容和發(fā)展目標。2017年，我國啟動了面向2030年重大科技項目，其中明確要求完成基于IGFC發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和工程示范。

因此，為滿足當前能源需求和環(huán)境保護，一方面需要加快開發(fā)基于固體氧化物燃料電池的化石能源的潔凈、高效利用技術(shù)，另一方面也需要突破基于固體氧化物燃料電池的儲能調(diào)峰技術(shù)，促進能源結(jié)構(gòu)向可再生能源過渡，推動能源技術(shù)革命。

（二）重點任務(wù)

我國應(yīng)該加快研發(fā)固體氧化物燃料電池系列關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的規(guī)模性示范，面向2035年應(yīng)該進行兆瓦級固體氧化物燃料電池規(guī)?；氖痉杜c試運行。重大技術(shù)攻關(guān)包括兆瓦級固體氧化物燃料電池分布式能源系統(tǒng)開發(fā)，突破固體氧化物燃料電池材料、封接、連接體關(guān)鍵材料及技術(shù)，掌握長壽命的固體氧化物燃料電池及其關(guān)鍵部件的批量制備與生產(chǎn)技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)。試驗示范方面：確定IGFC重點示范工程，推動固體氧化物燃料電池裝備的試驗示范，實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。

基于國家能源技術(shù)革命的重大需求，針對商業(yè)化實際應(yīng)用，通過對固體氧化物燃料電池的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和專利布局進行梳理，明確了我國固體氧化物燃料電池技術(shù)差距、制約因素及發(fā)展優(yōu)勢，同時鑒于目前國內(nèi)固體氧化物燃料電池技術(shù)尚未完全成熟，迫切需要示范需求，“十四五”時期盡快開發(fā)100千瓦級固體氧化物燃料電池發(fā)電單元在規(guī)模和示范效果上均無疑是最合適的選擇，可為兆瓦級乃至百兆瓦級發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模化奠定基礎(chǔ)。100千瓦級發(fā)電單元在城市數(shù)據(jù)中心及分布式發(fā)電應(yīng)用、農(nóng)村及偏遠地區(qū)生物質(zhì)氣發(fā)電、大型煤氣化燃料電池發(fā)電、水面艦艇潔凈高效發(fā)電、電解制氫實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化與儲存等方面均具有廣泛的應(yīng)用前景?；诖?，我國固體氧化物燃料電池需要突破的關(guān)鍵性技術(shù)主要包括以下方面。

1. 開發(fā)低成本高性能單電池批量化制備技術(shù)
加強低成本、高性能關(guān)鍵元件產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)和批量生產(chǎn)，重點解決產(chǎn)品一致性、穩(wěn)定性和長壽命等；掌握薄膜電解質(zhì)低溫致密化及高活性納米電極原位構(gòu)建技術(shù)，提高陰極活性以及陽極抗氧化及顆粒粗化能力，研究服役工況下材料結(jié)構(gòu)演變和界面互擴散過程，研究電池耐久性加速實驗方法，實現(xiàn)工業(yè)尺寸單電池的低成本批量穩(wěn)定生產(chǎn)。高性能單電池的一致性對于電堆的集成至關(guān)重要，需要設(shè)備的可靠性及工藝的標準化。另外單電池的成品率迫切需要提高，從而降低生產(chǎn)成本。

2. 突破高一致性可靠性電堆設(shè)計、集成及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)
對于高溫運行的電堆單元工程化集成技術(shù)及批量化裝配技術(shù)，重點解決一致性和穩(wěn)定性；在電堆集成過程中，燃料供應(yīng)（布氣技術(shù)）、單元電池取電、封接材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)均非常關(guān)鍵，需要設(shè)計具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高可靠電堆結(jié)構(gòu)，開發(fā)新型可循環(huán)及可修復(fù)的復(fù)合封接材料和封接方法，開發(fā)低成本不銹鋼材料，優(yōu)化抗氧化涂層制備技術(shù)，掌握電堆標準化組裝技術(shù)，為高性能穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。

3. 掌握高效系統(tǒng)集成、控制管理及示范技術(shù)
雖然小電堆開發(fā)相對容易，但采用小電堆集成難度大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱管理難度大。采用大功率的電堆，雖然開發(fā)困難，但系統(tǒng)相對簡單，傳熱寬容度好。需要解決多電堆管理集成模組工程化技術(shù)，多堆之間串、并聯(lián)管理，電堆內(nèi)熱和尾氣余熱利用和平衡管理技術(shù)；需要重點突破系統(tǒng)（高效率、低成本、長壽命）集成控制技術(shù)、長期性能評價及衰減快速評測技術(shù)等。實現(xiàn)配套氣化爐設(shè)備平衡（BOP）部件標準化研發(fā)及批量制造，突破直接使用多種復(fù)雜碳基燃料的固體氧化物燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)集成技術(shù)，掌握電力控制及并網(wǎng)技術(shù)，最終通過產(chǎn)、學(xué)、研、資結(jié)合，共同發(fā)展固體氧化物燃料電池技術(shù)。

4. 拓展固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用場景
海上航運業(yè)面臨越來越嚴苛的船舶排放控制。國際海事組織（IMO）提出，到2050年全球海運業(yè)溫室氣體年排放量要比2008年減少50%，以推動海運業(yè)逐步朝零碳目標邁進。為實現(xiàn)零碳目標，可再生能源在船舶交通方面的利用將變得越來越重要。由于鋰電池等新技術(shù)的體積功率密度難以達到大型船舶長航時的要求，提高發(fā)電系統(tǒng)體積功率密度是大力推廣新能源船舶領(lǐng)域應(yīng)用的主要發(fā)展方向。可以使用高體積能量密度燃料，并且更高效發(fā)電的固體氧化物燃料電池技術(shù)會在船舶動力方面得到大力施展的空間，同時，由于沒有對固體氧化物燃料電池啟動時間進行約束，該技術(shù)在交通領(lǐng)域最具競爭力。因此，國家需要在船舶領(lǐng)域?qū)腆w氧化物燃料電池技術(shù)進行引導(dǎo)，實現(xiàn)固體氧化物燃料電池電力系統(tǒng)在船舶上應(yīng)用。

太陽能、風(fēng)能等可再生能源的快速增長迫切需要大力發(fā)展與之相匹配的大規(guī)模儲能調(diào)峰技術(shù)。可逆固體氧化物電池（RSOC）是一種全固態(tài)電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，集成了固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池優(yōu)勢，可以實現(xiàn)化學(xué)能和電能的高效潔凈轉(zhuǎn)換，有望應(yīng)用于間歇式可再生能源長周期存儲轉(zhuǎn)化、智能電網(wǎng)調(diào)峰以及分布式發(fā)電等領(lǐng)域，與現(xiàn)有能源系統(tǒng)兼容，符合國家重大需求。當電能不足時，外界供給其燃料（和空氣），它以固體氧化物燃料電池方式工作；當電能過剩時，外界供給其可再生電能（H2O/CO2），它以固體氧化物電解池方式工作，通過電解的方式將 H2O/CO2轉(zhuǎn)化為 H2/CO（可進一步制備甲烷、甲醇等），把電能以化學(xué)能的方式存儲下來或再用于燃料電池發(fā)電，RSOC可逆循環(huán)效率可達70%以上，具有很好的應(yīng)用前景。

五、保障措施與政策建議

為推動固體氧化物燃料電池自主關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展及早日商業(yè)化，國家需要加強頂層設(shè)計，統(tǒng)籌規(guī)劃，持續(xù)支持開展固體氧化物燃料電池基礎(chǔ)科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)研究，同時立足國情，堅持多元應(yīng)用與示范先行，因地制宜開展固體氧化物燃料電池技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用示范。

（一）加快制度體系建設(shè)，加強固體氧化物燃料電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計
隨著“雙碳”目標的提出，國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)固體氧化物燃料電池示范應(yīng)用案例，地方政府開始發(fā)布相關(guān)政策方面的扶持，2021年北京市出臺氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案，明確將固體氧化物燃料電池的發(fā)展目標列入其中。2022年4月，廣東省印發(fā)《廣東省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》，提出發(fā)展固體氧化物燃料電池及其分布式發(fā)電成套裝備，推廣高溫燃料電池冷熱電三聯(lián)供應(yīng)用示范。但與歐美等發(fā)達國家和地區(qū)相比，我國固體氧化物燃料電池補貼力度還不夠大，產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善，要從政策上鼓勵既具有核心技術(shù)又有長遠發(fā)展規(guī)劃和發(fā)展?jié)摿Φ钠髽I(yè)加大投入，尤其是填補國內(nèi)空白的核心材料與零部件的企業(yè)，并加強監(jiān)督管理，設(shè)立階段性目標，提高政策實施的滾動評估力度，有效推進固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。從國家層面明確固體氧化物燃料電池技術(shù)發(fā)展路線圖，引領(lǐng)固體氧化物燃料電池創(chuàng)新發(fā)展方向。

（二）強化財稅金融支持，充分發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，突出企業(yè)主體地位
發(fā)揮好財政性資金作用，支持開展固體氧化物燃料電池重大技術(shù)裝備的試點示范和前沿關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)應(yīng)用?；谝延姓叩难永m(xù)性，針對所選擇的典型行業(yè)，參考國外先進經(jīng)驗與成熟案例，制定相關(guān)的激勵與補貼政策以及對應(yīng)的約束與監(jiān)督機制、考核機制。對具有一定基礎(chǔ)的關(guān)鍵性零部件供應(yīng)鏈企業(yè)進行政策培育與保底。

（三）堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，把自主技術(shù)創(chuàng)新作為推動固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動力
注重發(fā)展核心技術(shù)，尤其要重視關(guān)鍵材料與部件的國產(chǎn)化。完善技術(shù)鏈、健全產(chǎn)業(yè)鏈，特別要關(guān)注上游關(guān)鍵材料的批量生產(chǎn)線，研制出符合市場需求的產(chǎn)品，使固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。聚焦固體氧化物燃料電池發(fā)展面臨的技術(shù)短板，集中優(yōu)勢資源，在核心材料、核心裝備、關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)集成等領(lǐng)域開展技術(shù)攻關(guān)，提升自主化能力，縮小與國際先進水平的差距。

（四）完善標準規(guī)范體系，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)標準
目前國際上僅有少量固體氧化物燃料電池標準，我國固體氧化物燃料電池標準更是缺乏。2018年國家能源局同意成立能源行業(yè)高溫燃料電池標準化技術(shù)委員會，主要負責固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的標準化工作。因此需要在此基礎(chǔ)上盡快推動完善固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)標準體系，支持開展團體標準、行業(yè)標準研究，加快構(gòu)建國家標準、行業(yè)標準和團體標準相結(jié)合的標準化協(xié)同創(chuàng)新機制，超前部署固體氧化物燃料電池創(chuàng)新領(lǐng)域標準。鼓勵行業(yè)龍頭企業(yè)牽頭研究制定企業(yè)標準。推薦固體氧化物燃料電池產(chǎn)品檢驗檢測和認證公共服務(wù)平臺建設(shè)，加快完善固體氧化物燃料電池產(chǎn)品質(zhì)量認證體系。建設(shè)若干固體氧化物燃料電池國家技術(shù)標準創(chuàng)新基地，建立各級標準化及第三方檢測認證平臺。

（五）加強固體氧化物燃料電池領(lǐng)域人才培養(yǎng)，深化國際交流與合作
人才是科技創(chuàng)新的第一要素，應(yīng)積極推進固體氧化物燃料電池領(lǐng)域?qū)I(yè)人才儲備工作建設(shè)。一方面，應(yīng)積極引進高精尖技術(shù)人才，迅速組建一批“產(chǎn)學(xué)研政”多方協(xié)同創(chuàng)新的固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)攻關(guān)團隊。另一方面，要加強燃料電池后備人才建設(shè)，推進燃料電池相關(guān)學(xué)科體系建設(shè)，目前教育部設(shè)立了氫能科學(xué)與工程和碳儲科學(xué)與工程專業(yè)，還應(yīng)鼓勵大專院校設(shè)置燃料電池專業(yè)，職業(yè)性院校加強燃料電池相關(guān)技能型人才培養(yǎng)。同時，還應(yīng)建立健全固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)人才激勵機制，助推整個固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)健康、有序、快速發(fā)展。

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