一、前言
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎，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國和消費國，目前以煤為基礎的大規(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%，但由于風能、太陽能等本身的間歇性及我國風能、太陽能等資源地域分配不均，大規(guī)?？稍偕茉磧δ苷{峰問題迫切需要得到解決；此外，大電網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濟損失，開發(fā)分布式發(fā)電技術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和消費革命，構建清潔低碳、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)能源結構轉型升級，推進我國能源生產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能直接轉換為電能的發(fā)電裝置，具有能量轉化效率高、排放低、無噪聲等特點，是21世紀的能源革命性發(fā)電技術。燃料電池技術與氫能源產業(yè)直接關聯(lián)，是核心技術環(huán)節(jié)。根據(jù)所使用的電解質不同，燃料電池主要分為固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃 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、生物質氣、汽油、柴油、乙醇等），發(fā)電效率高，應用前景廣泛，目前在固定式發(fā)電應用領域更為突出 [5,6]。
我國要構建“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，與我國現(xiàn)有能源供應系統(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將助推我國供給側能源改革，推動能源技術革命，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標奠定技術基礎。為了促進我國固體氧化物燃料電池技術產業(yè)鏈的全面發(fā)展，本文依托中國工程院咨詢項目的支持，分析了國內外固體氧化物燃料電池技術和產業(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面臨的問題，梳理了固體氧化物燃料電池產業(yè)鏈面臨的重點任務，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)?；?、商業(yè)化發(fā)展奠定基礎。
二、固體氧化物燃料電池的技術特點及應用場景
高溫固體氧化物燃料電池發(fā)電不需經過從燃料化學能→熱能→機械能→電能的轉變過程，其能量轉化效率高、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換技術。固體氧化物燃料電池的高效率、無污染、全固態(tài)結構和對多種燃料氣體廣泛適應性等方面的突出優(yōu)點，成為其廣泛應用的基礎。
固體氧化物燃料電池最常見的應用領域為固定式發(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（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 相結合的發(fā)電系統(tǒng)，可在 IGCC 的基礎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 [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、無人機等領域也有推廣應用。其中，2016年日產汽車發(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方面一直處于世界領先地位，經過幾十年的技術研發(fā)和攻關，已經基本實現(xiàn)了固體氧化物燃料電池技術的商業(yè)化運行 [9,10]，發(fā)展出多家具有特色技術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害頻繁，缺少可靠電網，數(shù)據(jù)中心備用電源應用場景豐富。2001 年，由風險資金成立的 BE 公司，是目前固體氧化物燃料電池領域技術力量最強的公司，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)產品，其標準配置可產生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%，處于世界領先水平，通過提供安全可靠供電服務于銀行和金融服務、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推進得益于美國聯(lián)邦政府的積極引導和財政支持，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品投放。
日本在新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）的領導下，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計、制造和測評技術，可實現(xiàn)產品 9×104 h連續(xù)工作，360次啟停，12年的設計壽命，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），目標是未來在應用于500 MW 級商業(yè)發(fā)電設施時，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的領導者，其特有的Steel Cell TM技術，源自英國帝國理工學院，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計的零排放熱電聯(lián)產系統(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，其生產的電池片和電堆性能處于國際領先水平，目前已經商業(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商業(yè)化進程可以看出，固體氧化物燃料電池技術的發(fā)展需要政府的引導和大力支持，特別是在商業(yè)化尚未成型的前期導入階段，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業(yè)鏈發(fā)展非常重要。
（二）我國固體氧化物燃料電池技術的發(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（北京）作為依托單位，聯(lián)合中國科學技術大學、北京科技大學等承擔了國家“973計劃”項目——碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎研究，開展固體氧化物燃料電池相關基礎理論和關鍵技術研究；中國科學院大連化學物理研究所、寧波材料技術與工程研究所、華中科技大學和中國科學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應用場景方面，IGFC 技術有助于實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用，是煤炭領域的變革性技術。為推進IGFC相關技術攻關和工程示范，科學技術部在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”，由國家能源集團牽頭，聯(lián)合中國礦業(yè)大學（北京）、中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司、清華大學等單位組成“產學研”攻關團隊，其核心任務是開發(fā)高溫固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池技術，建成 CO2近零排放的 IGFC 示范工程，項目總體技術路線如圖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)構成，其中高溫燃料電池發(fā)電技術是制約IGFC發(fā)展的關鍵技術。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開展100千瓦級IGFC發(fā)電系統(tǒng)示范 [12]。目前，國內IGFC仍處于起步階段，煤氣凈化提純技術、高溫燃料電池技術、系統(tǒng)耦合控制技術等相關技術研究正逐步開展。高溫固體氧化物燃料電池技術是制約IGFC發(fā)展的關鍵技術，目前，國內的固體氧化物燃料電池技術尚未完全成熟，一方面應加強基礎研究，另一方面要重點開展關鍵技術攻關，降低成本，提高壽命。
國內相關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膜的開發(fā)和生產。2012年開始量產固體氧化物燃料電池單電池，2017年開始向國內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，相關產品包括單電池、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20萬片單電池生產線投產。寧波索福人能源技術有限公司創(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)的生產線，一直對外公開銷售單電池、電堆以及發(fā)電系統(tǒng)等產品；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，國內固體氧化物燃料電池在產業(yè)化方面與國外差距巨大，仍處于產業(yè)發(fā)展初期，雖然經過了20多年的技術積累，已經基本掌握了固體氧化物燃料電池關鍵材料的制備技術和大面積單電池的量產技術，但技術力量不強，特別是由于核心電堆的一致性、可靠性以及低成本技術未完全突破，加之國產高溫系統(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用研究仍然主要集中在突破關鍵技術及建設示范工程上。目前我國固體氧化物燃料電池產業(yè)化發(fā)展仍存在很多亟待解決的問題。
1. 應用基礎研究薄弱，關鍵技術缺失
固體氧化物燃料電池運行溫度高，產業(yè)鏈長，工程技術難度也最大，是典型的“高門檻”技術，且國外固體氧化物燃料電池先進技術和產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，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業(yè)化的基礎，電池穩(wěn)定性評估已經達到了數(shù)萬小時，即使目前，國內也不具備如此高穩(wěn)定性的固體氧化物燃料電池技術。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，與實際應用相結合的關鍵技術研究相對薄弱，致使產業(yè)化進程緩慢。
2. 固體氧化物燃料電池產業(yè)鏈長、國內技術無法共享
在基礎研究方面，國內大部分高?；蚱髽I(yè)是單兵作戰(zhàn)，只能在自己熟悉的專業(yè)領域開展一些力所能及的工作，致使相關基礎研究較為分散，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體系。在資金薄弱的情況下，很多工作是重復性的，所以國內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)能量轉換聯(lián)盟（SECA），由產業(yè)團隊、技術團隊和聯(lián)邦政府三方構成，相互協(xié)調配合，共同推進固體氧化物燃料電池產品的研發(fā)與商業(yè)化進程。日本主要在NEDO的領導下進行固體氧化物燃料電池的相關研發(fā)工作，NEDO聯(lián)合了日本主要科研機構和大型企業(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?；蜓芯吭航M建的企業(yè)在推進固體氧化物燃料電池的產業(yè)化，進展相對緩慢。在產業(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，都是定制產品，導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不成熟，任何的技術改進均需要相當長的時間進行驗證。在產業(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進入快速發(fā)展期。
四、我國固體氧化物燃料電池產業(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用。燃料電池車輛只是氫能應用的突破口，長遠發(fā)展應逐步拓展在儲能、分布式發(fā)電、工業(yè)等領域的應用。固體氧化物燃料電池應用前景廣泛，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是未來能源轉型的重要技術支撐，也是新興產業(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及產業(yè)有利于優(yōu)化能源結構、帶動產業(yè)轉型升級、推動能源生產與消費革命、壯大綠色低碳產業(yè)體系、培育出新的經濟增長點。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與應用技術研究，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的工程、工藝與裝備開發(fā)，推進固體氧化物燃料電池產業(yè)的形成，健全與完善固體氧化物燃料電池產業(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水平；完善固體氧化物燃料電池法規(guī)標準建設，加強頂層規(guī)劃與設計，發(fā)揮政策對固體氧化物燃料電池產業(yè)的引導作用，最終建立低成本的固體氧化物燃料電池材料、部件、系統(tǒng)的制備與生產產業(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創(chuàng)新是我國《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》的重要內容。在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的基礎上發(fā)展的煤氣化燃料電池發(fā)電技術，可實現(xiàn)煤基發(fā)電由單純熱力循環(huán)發(fā)電向電化學和熱力循環(huán)復合發(fā)電的技術跨越，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，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。國家《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》和《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》等都將IGCC/IGFC列為重要內容和發(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)電關鍵技術研發(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，另一方面也需要突破基于固體氧化物燃料電池的儲能調峰技術，促進能源結構向可再生能源過渡，推動能源技術革命。
（二）重點任務
我國應該加快研發(fā)固體氧化物燃料電池系列關鍵技術，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。重大技術攻關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、連接體關鍵材料及技術，掌握長壽命的固體氧化物燃料電池及其關鍵部件的批量制備與生產技術、系統(tǒng)集成技術。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)模化應用。
基于國家能源技術革命的重大需求，針對商業(yè)化實際應用，通過對固體氧化物燃料電池的國內外研究現(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差距、制約因素及發(fā)展優(yōu)勢，同時鑒于目前國內固體氧化物燃料電池技術尚未完全成熟，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。100千瓦級發(fā)電單元在城市數(shù)據(jù)中心及分布式發(fā)電應用、農村及偏遠地區(qū)生物質氣發(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)能源轉化與儲存等方面均具有廣泛的應用前景?；诖?，我國固體氧化物燃料電池需要突破的關鍵性技術主要包括以下方面。
1. 開發(fā)低成本高性能單電池批量化制備技術
加強低成本、高性能關鍵元件產業(yè)化技術研發(fā)和批量生產，重點解決產品一致性、穩(wěn)定性和長壽命等；掌握薄膜電解質低溫致密化及高活性納米電極原位構建技術，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構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。高性能單電池的一致性對于電堆的集成至關重要，需要設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，從而降低生產成本。
2. 突破高一致性可靠性電堆設計、集成及產業(yè)化技術
對于高溫運行的電堆單元工程化集成技術及批量化裝配技術，重點解決一致性和穩(wěn)定性；在電堆集成過程中，燃料供應（布氣技術）、單元電池取電、封接材料選擇及結構設計技術均非常關鍵，需要設計具有自主知識產權的高可靠電堆結構，開發(fā)新型可循環(huán)及可修復的復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，掌握電堆標準化組裝技術，為高性能穩(wěn)定運行奠定基礎。
3. 掌握高效系統(tǒng)集成、控制管理及示范技術
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)結構復雜、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，多堆之間串、并聯(lián)管理，電堆內熱和尾氣余熱利用和平衡管理技術；需要重點突破系統(tǒng)（高效率、低成本、長壽命）集成控制技術、長期性能評價及衰減快速評測技術等。實現(xiàn)配套氣化爐設備平衡（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，掌握電力控制及并網技術，最終通過產、學、研、資結合，共同發(fā)展固體氧化物燃料電池技術。
4. 拓展固體氧化物燃料電池產業(yè)化應用場景
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域應用的主要發(fā)展方向?？梢允褂酶唧w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，該技術在交通領域最具競爭力。因此，國家需要在船舶領域對固體氧化物燃料電池技術進行引導，實現(xiàn)固體氧化物燃料電池電力系統(tǒng)在船舶上應用。
太陽能、風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)模儲能調峰技術。可逆固體氧化物電池（RSOC）是一種全固態(tài)電化學能量轉換裝置，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)化學能和電能的高效潔凈轉換，有望應用于間歇式可再生能源長周期存儲轉化、智能電網調峰以及分布式發(fā)電等領域，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轉化為 H2/CO（可進一步制備甲烷、甲醇等），把電能以化學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鍵技術發(fā)展及早日商業(yè)化，國家需要加強頂層設計，統(tǒng)籌規(guī)劃，持續(xù)支持開展固體氧化物燃料電池基礎科學問題與關鍵技術研究，同時立足國情，堅持多元應用與示范先行，因地制宜開展固體氧化物燃料電池技術的商業(yè)應用示范。
（一）加快制度體系建設，加強固體氧化物燃料電池技術及產業(yè)發(fā)展的頂層設計
隨著“雙碳”目標的提出，國內陸續(xù)出現(xiàn)固體氧化物燃料電池示范應用案例，地方政府開始發(fā)布相關政策方面的扶持，2021年北京市出臺氫能產業(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，產業(yè)鏈不夠完善，要從政策上鼓勵既具有核心技術又有長遠發(fā)展規(guī)劃和發(fā)展?jié)摿Φ钠髽I(yè)加大投入，尤其是填補國內空白的核心材料與零部件的企業(yè)，并加強監(jiān)督管理，設立階段性目標，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業(yè)發(fā)展。從國家層面明確固體氧化物燃料電池技術發(fā)展路線圖，引領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裝備的試點示范和前沿關鍵技術研發(fā)應用。基于已有政策的延續(xù)性，針對所選擇的典型行業(yè)，參考國外先進經驗與成熟案例，制定相關的激勵與補貼政策以及對應的約束與監(jiān)督機制、考核機制。對具有一定基礎的關鍵性零部件供應鏈企業(yè)進行政策培育與保底。
（三）堅持創(chuàng)新驅動發(fā)展，把自主技術創(chuàng)新作為推動固體氧化物燃料電池產業(yè)發(fā)展的主要驅動力
注重發(fā)展核心技術，尤其要重視關鍵材料與部件的國產化。完善技術鏈、健全產業(yè)鏈，特別要關注上游關鍵材料的批量生產線，研制出符合市場需求的產品，使固體氧化物燃料電池產業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。聚焦固體氧化物燃料電池發(fā)展面臨的技術短板，集中優(yōu)勢資源，在核心材料、核心裝備、關鍵零部件、系統(tǒng)集成等領域開展技術攻關，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權的技術標準
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及產業(yè)領域的標準化工作。因此需要在此基礎上盡快推動完善固體氧化物燃料電池產業(yè)技術標準體系，支持開展團體標準、行業(yè)標準研究，加快構建國家標準、行業(yè)標準和團體標準相結合的標準化協(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品檢驗檢測和認證公共服務平臺建設，加快完善固體氧化物燃料電池產品質量認證體系。建設若干固體氧化物燃料電池國家技術標準創(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，應積極推進固體氧化物燃料電池領域專業(yè)人才儲備工作建設。一方面，應積極引進高精尖技術人才，迅速組建一批“產學研政”多方協(xié)同創(chuàng)新的固體氧化物燃料電池產業(yè)技術攻關團隊。另一方面，要加強燃料電池后備人才建設，推進燃料電池相關學科體系建設，目前教育部設立了氫能科學與工程和碳儲科學與工程專業(yè)，還應鼓勵大專院校設置燃料電池專業(yè)，職業(yè)性院校加強燃料電池相關技能型人才培養(yǎng)。同時，還應建立健全固體氧化物燃料電池產業(yè)人才激勵機制，助推整個固體氧化物燃料電池產業(yè)健康、有序、快速發(fā)展。
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文章轉載：DT新材料