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华能清能院:高温燃料电池可实现冷热电联供 热电联产联供效率能达90%以上
2018年11月30日
信息来源:北极星储能网
 

  北极星储能网讯:燃料电池为什么要搞中高温的燃料电池,低温的质子膜燃料电池对燃料的要求比较高,纯度要求很高,对内部的硫,卤化物和粉尘要求比较高,最核心的还是要用铂作为催化剂,非常昂贵,还一个是寿命和造价这方面的需求,所以都在开发中高温的燃料电池,中高温的燃料电池主要有两种,一种是熔融碳酸盐燃料电池,一种是固体氧化物燃料电池,应该说这化学过程里有一条普遍的规律,在温度和催化剂之间的选择。

  高温燃料电池在400度以上运行,可以实现冷热电联供,发电效率也都可以达到50%以上,甚至最高的可以达到65%以上,热电联产联供效率可以达到90%以上,这是常规发电方式里很难达到的。

  为推动氢能创新、探索技术应用,11月9日,由北京未来科学城氢能技术协同创新平台主办的首届北京未来科学城氢能与燃料电池技术发展大会顺利召开,会上澳门永利国际赌场网址清洁能源研究院有限公司董事长许世森做了题为“高温燃料电池发电技术进展”的专题报告。

  以下为发言实录:

  给各位介绍一下关于燃料电池里中高温部分的内容。制氢这块前面很多专家都讲了,我不讲了。研发的背景也不讲了,因为前面几位专家都讲了很多,直接讲燃料电池这块。

  燃料电池为什么要搞中高温的燃料电池,前面几位专家也讲到了,低温的质子膜燃料电池对燃料的要求比较高,纯度要求很高,对内部的硫,卤化物和粉尘要求比较高,最核心的还是要用铂作为催化剂,非常昂贵,还一个是寿命和造价这方面的需求,所以都在开发中高温的燃料电池,中高温的燃料电池主要有两种,一种是熔融碳酸盐燃料电池,一种是固体氧化物燃料电池,应该说这化学过程里有一条普遍的规律,在温度和催化剂之间的选择,低温下要实现电化学反应,必须要有比较特殊的催化剂,还有一条途径就是提高反应的温度,温度提高以后,对催化剂的要求就会适当的降低,所以任何事情都是有代价的,温度提高有温度提高的问题,温度越高,催化剂的要求越低,但是温度越高带来运行、开发包括一系列的问题,高温燃料电池也有高温燃料电池的问题。

  它的优势就是燃料的适应性比较好,现在有一个概念叫氢能和燃料电池,往往我们把氢能和燃料电池放在一起,这里可能特指的还是低温的燃料电池。低温的燃料电池和氢能之间是密不可分的,但实际上高温燃料电池并不是依赖氢,所以刚才前面几位专家都讲到了,制氢、储氢、运氢还有很多障碍,但是高温燃料电池可以直接运用天然气含氢的燃料,沼气、甲醇,氢也是最好的原料,这是它的优势。

  高温燃料电池在400度以上运行,可以实现冷热电联供,发电效率也都可以达到50%以上,甚至最高的可以达到65%以上,热电联产联供效率可以达到90%以上,这是常规发电方式里很难达到的。另外可以用廉价的化石燃料,最便宜的化石燃料就是煤,煤基的化石发电,应该是高温燃料电池推动的主要的动力,天然气的高温燃料电池应该是最先的。日本的战略思考值得我们国家值得借鉴,我们知道日本没有能源,所以它在提高能效,能源的选择,包括技术路线的选择方面,它考虑的更加深入、更加长远,从目前低碳经济或者是减排二氧化碳的方向,节能的角度,应该说日本把未来提高化石燃料发电的效率作为它未来不断追求的目标,同时也要实现二氧化碳的低成本的富集,把希望都寄托在高温燃料电池发电方向,希望进一步提高效率,进一步降低造价和降低二氧化碳的成本。应该说在左边的方式上看,高温的燃料电池,不管是熔融碳酸盐的燃料电池还是固体氧化物燃料电池,应该说在发电效率方面还是有它突出的优势,这也是这种发电技术进一步开发的动力所在。

  关于二氧化碳这些年我们也做了这方面的工作,常规化石燃料发电系统里的二氧化碳的补及和处理成本是很高的,既然用了廉价的化石燃料,但是又排放出大量的二氧化碳,二氧化碳要把它再补及回收处理要花很大的代价。高温燃料电池有一个关于二氧化碳低成本富集的功能,在800度以下,400度以上,这个区间运行的时候,反应发电的时候,不产生或者少产生NOx,在化石燃料不产生NOx的情况下,它可以实现二氧化碳的低成本的富集,因为在反应过程中最后生成就是水和二氧化碳,把后面的尾气一冷却,二氧化碳自己就富集起来。刚才提到热电联供的系统就可以做到,这和所有的化石燃料相比,未来处理二氧化碳的成本是最低的。另外降低空间的成本很大,由于用贵金属作为催化剂,现在降成液氢合金甚至还有更廉价的技术氧化物作为催化剂,所以它不存在降低成本的障碍,只要批量化,只要大家都在开发,成本一定能够降下来,电力工业,尤其是发电,我相信很多工业过程都证明了这一点。另外,燃料的适用范围非常广泛,还有就是现在更多的适应于模块化,灵活性的建设,现在集中式的,大机组,集中式的发电方式经过我们国家40多年的改革开放发展阶段以后,更多的需要就是分布式,灵活式的供电供冷和供气的方式,燃料电池,高温燃料电池会发挥它特有的优势,同时它具有负荷响应,跟踪负荷非常好的匹配的效率。比如一千瓦的燃料电池发电机组或者是发电模块,净效率和百万等级的超超临界,最先进煤电机组的效率是相当的,过去我们只能是把机组做大,才能获得高效率,现在用燃料电池这种方式,可以在灵活性能,分散式上仍然获得比较高的效率,这是高温燃料电池未来应用前景。同时,也可以与可再生能源和发电联合应用,避免季节性的调节,包括季节性的弃风、弃电、弃光中间的转化装置。

  分布式发电里面,现在市场上用的比较多的还是内燃机,我们知道备用电源,过去备用电源是内燃机,柴油发动机,噪声非常大,NOx排放也非常高,效率非常低,现在已经在很多地方很难适用,微型燃气轮机和中小型燃气轮机也有相关的问题,一个是容量的问题,还有噪声的问题,同时也有响应的问题,比较而言未来高温燃料电池在热电联供综合能源系统里会发挥越来越重要的作用。

  这是现在应用的情况,左边的图是韩国引进的项目,特点就是模块化,随着园区负荷的增加布置电源,右边这个是美国的电站,应该说现在在国外这种分布式的发电方式已经得到了商业推广的应用。在固体氧化物方面,在美国、欧洲,包括国内应该说在这方面也有很重要的进展,下午有很多的报告会讲到,这里要提一下这家公司,BloomEnergy,在SOFC上面是重要的后起之秀,最标志性的就是实现了商业化,2018年就开始进行公开的募股,说明这个产业发展是呈现了良好的状态。

  前面专家也都提到了家用的,包括日本、欧洲、美国家用的燃料电池,热电联供的系统已经实现了商业化。大型的固定电站现在也在发展,应该说未来从小到大,发展的前景还是发展广阔的。更大型以后,和一些微型燃机要进行竞争,应该说燃料电池发电系统有它比较合适的应用范围,比方说我们认为100兆瓦以下,几百千瓦到100兆瓦或者50兆瓦以下,有它特殊的意义。熔融碳酸盐燃料电池是目前实现商业化程度最高,规模最大的一种燃料电池,最著名的还是美国Fuelcell这家公司。关于在热电联产混合发电,整体煤气化熔融等方面都有应用。现在国际上也正在开发刚才说的吃天然气、沼气,甚至煤气化的系统,核心就是要组成一个联合循环的热电联供的系统,发电效率已经达到了60%,热电联供效率达到了90%以上。组成一个大的系统,和交通能源用的燃料电池相比,固定电站不追求比功率,就是单位体积和单位重量的功率,所以它可以进行系统方面进一步的研究和开发延伸,目标是提高效率,延长寿命,降低造价,在这方面现在提升的空间还是比较大的,研究的潜力也是比较大的。

  煤基是未来一个非常重要的方向,现在先用天然气,先用洁净的燃料,未来还是要开发煤基的,美国在方面也是走的比较先进,在2003年在美国一家IGCC电站建成了IGFC发电系统,由于后来美国页岩气革命以后,带来了美国天然气价格的降低,这些技术的发展受到了一些限制,但是从美国的战略看,对这些技术还是非常重视的。

  下面简单介绍一下我们在这方面做的工作,未来科学城的创新平台,华能或者电力系统在燃料电池方面着手还是比较早的,1996年当时国家电力部就在研究这方面的方向,当时有幸参与这方面的研究,实际上现在走过来也有好几个五年计划,这些年走下来还是非常艰辛,燃料电池可能在座的都有同感,燃料电池技术发展还是非常难的。另外,西方国家是严格封锁,合作起来也非常难,但是走过了这些年以后,我们现在主要还是瞄准熔融碳酸盐燃料电池方向,能把这个技术开发出来,我们认为也是不错的,但是难度还是挺大的,确实没有其他的精力开发其他的固体氧化物的燃料电池,当然我们有别的团队在开发。目前已经开发出来10千瓦的基准堆,同时也在组建100千瓦的单元,现在从材料、膜电极、电解质,包括电池堆的组装,电池系统的开发和运行,形成了自主知识产权的技术。可以这样讲,熔融碳酸盐燃料电池,我们团队或者我们国家掌握了最核心的技术,当然跟国外还是有比较大差距,我们认为差距是在规模,在长周期的考验,现在技术指标我们认为应该是可以达到国际上的水平。这是我们开发的一些东西,10千瓦的堆是我们国内第一个,这个是一些试验的情况。成本的分析是这样,我们认为未来几年应该是可以降到每千瓦8000块钱以下,因为我们所有的材料都是自主掌握以后,未来是可以实现的,如果我们现在做了一个跟微型燃机或者跟柴油发电机相比较作为分布式发电,在8000块钱以下是具有竞争力的,主要原因是它的效率比柴油内燃机高,另外就是NOx和静音的优势,实际上在比较发达的地区,京津冀,包括长三角、珠三角一带还是有广阔的应用前景。

  另外,我们跟国家能源集团,包括在座很多单位合作,承担国家重点研发计划,这是关于整体燃料电池系统研发和开发,国家在2030重点专项里也部署了5兆瓦和50兆瓦的示范,我们也在承担国家这个项目,现在也在开发相关的技术,现在的目标是在明年和后年把200千瓦或者250千瓦的系统在天津的IGCC示范运行。

 
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