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固体氧化物燃料电池工业现状和生长趋势

本文摘要:随着全球经济与社会的快速生长,能源需求 的日益增长与情况恶化之间的矛盾日益突出。我 国碳排放量高、PM2.5 污染等问题尤为突出。

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随着全球经济与社会的快速生长,能源需求 的日益增长与情况恶化之间的矛盾日益突出。我 国碳排放量高、PM2.5 污染等问题尤为突出。一方 面,我国能源结构相对单一,2017 年的一次能源 泉源中,化石能源占比高达 81%,油气资源对外 依存度划分到达 70%和 40%,且不停攀升,成为 我国能源供应的重大风险,在短期内无法获得根 本扭转;另一方面,我国的煤炭资源储量在所有 化石能源储量的占比高达 94%,而现在由于煤炭 的深加工和处置惩罚技术的限制,煤炭的使用仍是以 简朴的燃烧获取热量为主,可是燃烧不行制止产 生大量的飞灰、硫氧化物、氮氧化物等大气污染 物,由此引发了系列情况污染问题。因此,如何 促进化石能源的高效、清洁使用,是我国面临的 重大战略问题。

SOFC 是一种通过高温电化学反映直接将化 学能转换为电能的发电技术,具有发电效率高、 平静无噪音、无硫氧化物和氮氧化物的排放、二 氧化碳排放大幅降低且易捕集,可使用天然气、 煤制气、沼气等资源高效发电等优点,是实现我 国化石能源清洁使用的有效途径。1 SOFC 应用的优点 SOFC 与常用的漫衍式发电设备,如微型燃气 轮机、中小型燃气轮机、内燃机等相比,具有显着的优势:(1) 发电效率高。

SOFC 将化学能直接转换成电能,不受卡诺循环效率限制,发电效率可以高 达 65%以上,发电效率具有显着优势,尤其是在 MW 级以下的发电单元,优势特别显着。同时, SOFC 作为漫衍式能源供电,可就近安装在负载中心邻近位置,制止了电 网长距离传 输和配送损 耗。

(2) 燃 料泉源广泛。SOFC 可使用的燃料类型很是多,包罗天然气、石油气、沼气、氢气、煤制气、甲醇、柴油等。因为 SOFC 运行温度较 高,可将燃料中含碳化合物催化重整为 H2 和 CO 后发电,不会被 CO 毒化,且接纳非贵 金属 Ni 作为内重整催化剂,成本低,可实现化石 能源清洁利 用。

(3) 余 热品质高。SOFC 发电余热温度较高,约 300-400 ℃,且余热 温度稳定,余热经由热接纳系统可以供暖,也可以以热制冷的 形式使用。

(4) 无 振动、低噪 音。SOFC 通过电化学反映发电,不发生机械振动,事情噪音 在 45 dB 以下,很是平静,因此,安装所在很是灵活,可以在生活小区、办公楼等露天安装或楼顶 安装。(5) 绿 色环保、低 碳排放。

SO FC 发电通入的燃料必须经由除硫处置惩罚,且发电历程的温度与压力较低,因此,尾气中不含 SOx 和 NOx,不会发生雾霾。一方面由于发电效率高,相同发电量可大幅降低 CO2 排放;另 一方面,SOFC 的反映产物只有 CO2 和 H2O,将水蒸汽冷凝,即可举行 CO2 气体捕集,实现 CO2 近零排放。美国能源部甚至对 SOFC 题 出实现 97% 的 CO2 捕集 率的生长目的。

2 外洋 SOFC 工业的生长情况 现在,SOFC 利益 于商业化初期,仅少数蓬勃国家的企业开发出商业化应用的 SOFC 发电机 统。美国 B loom Energy 公司是 SOFC 行业公认技术气力最强的公司,其主打的产物 是 50 kW 规格,发电效 率可达 65%[8]。凭据该公司公然披露的数据,2019 年的装机容量 120 MW 左右。

现在,在美国、韩国、日本和印度等安装推广,应用在包罗苹果、谷歌、沃尔玛、易趣、AT&T、 NTT 等公司的数据中心,及楼宇、银行、医院的漫衍式能源上。2020 年 7 月,该公司宣布了与三星重工互助,将产物应用于船舶电源的计划,预计到 2022 年,船舶应用的年装机量可达 300 M W。该公司一直获得美国联邦政府和各州政府的鼎力大举支持,近年 来,每年以 50%左右的速度快速增长。

日本三菱日立电力系统公司 2018 年宣布实现商用 250 kW 和 1 MW 规格的团结发电产物,面向商业和工业市 场,应用于漫衍式能源,大幅度降低碳排放[9]。该 技术接纳 SOFC 和燃气 涡轮团结发电机组,经由了多年的实地验证,2018 年,新一代产物发电效率约 55%,2019 年,在 东京安装了其商用以来的第一套系统。日本京瓷在 2017 年宣布推出 3 kW 的 SOFC 系统,应用在 小型商业领 域[10]。

该技术接纳平板管状电池技术门路,发电效率可达 54%,综合热电联产效率可达 90%以上。此前,有 媒体报道了日本京瓷公司凌驾 10 年寿 命的电堆技 术,展示了 SOFC 在长寿命上的优势。爱信精机和 大阪燃气接纳日本京瓷电堆,至 2019 年,总共安 装了凌驾 20 万台 700 W 的 家用热电联 供 SOFC 系 统。

德国博世努力结构 SOFC 的全产 业链,2018和 2019 年两次 投资英国电 堆生产商 Ceres Power,引进电堆生产线,而且开发 10 kW 的 SOFC 热电联供系统[11], 发电效率到达 60%,主要针对的应用市场是小型的工商业和数据中心。澳大利亚公司 CFCL 早在 2010 年 就在欧洲推出了 1.5 kW 的 家用热电联 供 SOFC 系 统,发电效率高达 68%, 热电联供综 合效率凌驾 85%[12]。

现在在欧洲安装凌驾 1500 套 ,由于成本 较高,其市场规模仍然不大。蓬勃国家都纷纷接纳了对 SOFC 的政策支持和补助。美国政府 2018 年修订的《两党预算法案》,包罗了对燃料电池投资税收抵免(ITC)。凭据 ITC 政策,将在五年内逐步淘汰 30%的税收抵免,最终确保燃料电 池产物到达其它清洁能源技术同等生长水平。

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早在 2009 年,美国政府通 过《美国苏醒与再投资法案》,又称“激励法案”,开始对燃料电池购置者给予补助。2012 年修订的 ITC 政策,凭据燃料电池的发电效率予以 30-50%的税收抵免;此外,美国一些州政府,如加州、康涅狄格州和纽约州等,都出台了相关的燃料电池生长的支持政策。日本经济商业工业省(METI)为新能源和工业技术生长组织(NEDO)提供资金,主导支持 SOFC 生长计划。

NEDO 津贴在 Ene-farm 计划下住民用 CHP 燃料电池设备。计划到 2020 年销售140 万台家用燃料电池系统,目的价钱降低至100 万日元。韩国政府 2010 年推出的绿色家园项目,计划至 2020 年,100 万个家庭使用新能源的发电模式,划定至少 10%是用燃料电池发电,并出台了相关的激励政策;2012 年,在韩国的可再生能源组合尺度(RPS)进一步推动下,所有发电容量凌驾 500 MW 的电厂,需要配套可再生能源和“新”技术(包罗燃料电池和动力电池),比例需要从 2012 年的2%增加至 2023 年的 10%。

欧盟 2008 年出台燃料电池与氢团结行动计划项目(FCH-JU),吸引了 250 余个互助同伴,启动了 70 余个工业项目;2012 年,欧洲 12 个欧盟成员国计划团结实施了 Ene-filed 项目,该项目支持 9 家燃料电池系统制造商及 1000 套微型 CHP 系统;2017 年,欧盟启动 PACE 项目,用来接棒Ene-field。德国联邦政府另外出台 KfW433 计划,补助小型家用的 SOFC CHP 系统。

世界各国的鼎力大举扶持正在助力 SOFC 新技术走向应用。3 我国 SOFC 工业的生长情况 从上世纪 90 年月开始,我国一些高校和研究所在科技部的支持下开始 SOFC 技术的研究事情。最早到场开发研究的单元包罗中国科学院上海硅酸盐研究所、宁波质料研究所、大连物理化学研究所及中国矿业大学(北京)等。经由多年的研究,积累了大量的结果[13-22],对 SOFC 技术背后的机理研究已经很是透彻,影响衰减、可靠性等技术问题的认识逐渐成熟,建设的理论模型可以探索和指导进一步的技术提升。

随着技术成熟度逐步提高,越来越多的企业到场到该工业。潮州三环(团体)股份有限公司是较为突出的一家,该公司是我国电子陶瓷领域的龙头企业,从 2004 年开始开展 SOFC 相关技术的开发和量产事情,现在,已经成为全球最大的 SOFC 电解质隔膜供应商和欧洲市场上最大的 SOFC 单电池供应商,该公司自 2015 年开始开展 SOFC 电堆焦点部件的开发和生产事情,现在,电堆发电效率达 68%以上,预计寿命可到达 5 年,具有良好的可靠性。

此外,潍柴动力股份有限公司也在努力结构燃料电池的业务,2018 年成为英国 Ceres Power 的第一大股东,进入 SOFC 领域。徐州华清京昆能源有限公司、宁波索福人能源技术有限公司也在努力开展 SOFC 的工业化事情。

即便如此,海内 SOFC 工业与美国、日本和欧洲的先进水平相比,另有较大的差距,主要体现在以下方面: (1) 尚未泛起商业化的 SOFC 系统。我国的 SOFC 系统开发,都还是停留在实验室和样机阶段,没有商业化的 SOFC 引领,工业的到场度较低; (2) SOFC 工业链还不完整。SOFC 事情温度高,所用的换热器、燃烧器、预重整器、水蒸气发生器、电源、电控系统都是高度定制化的产物,现在,海内还没有专业厂家供应相关的焦点零部件; (3) 到场的企业较少,技术气力不强。

海内到场 SOFC 的开发和工业化的企业不多,除了潮州三环(团体)股份有限公司、潍柴动力股份有限公司经济实力较强,其他到场的公司规模较小,而日本、欧洲到场该技术开发都是大型的知名企业。4 海内 SOFC 的应用展望4.1 SOFC 应用的市场前景 我国不仅是能源消耗大国,同时还面临较严峻的情况问题,因此,SOFC 具有很是辽阔的应用市场前景,包罗以下方面:(1) 漫衍式能源:SOFC 在发电效率上具有很大的优势,而且无噪音、无排放,安装所在灵活,可在小区内、修建物里、楼顶等区域安装。SOFC 漫衍式能源的普及,也有利于国家能源战略宁静。

(2) 充电站:现在,随着电动车的普及,充电站的电源需求对电网造成很大的打击,而且面临的压力越来越大,SOFC 可以为充电桩的电源供应提供有力的支撑和增补。(3) 汽船、海岛及边远地域:现有柴油发电机的领域,都可以接纳绿色、无污染、无噪音的SOFC,其发电成本比柴油内燃机越发经济;2020 年 5 月,广东省开展了内河流域船舶 LNG 动力革新的计划,将接纳 LNG 大幅度降低内河船的 SOx、 NOx 的排放。在替代柴油机的领域,SOFC 有较大的优势。(4) 数据中心:供电集中,可以接纳以 SOFC 为焦点的冷热电三联供,能源的综合使用效率可 以凌驾 85%。

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SOFC 的推广,对于改善我国的能源结构风险、降低情况污染,具有很是显著的促进作用。4.2 SOFC 应用的技术瓶颈 4.2.1 大功率 SOFC 系统适合我国国情的应用是靠近 100 kW 的大功率 SOFC 系统,现在,这个功率段的系统在我国还是一片空缺。涉及到的焦点技术有 4 项:(1)大功率的电堆模组设计和开发;(2)高效的热平衡系统的设计和开发,包罗换热器、燃烧器、水蒸气发生器、预重整器、气流歧管和隔热部件设计;(3)电源系统的设计开发,包罗直流升压和逆变;(4)控制计谋开发,使系统能够应对种种工况,包罗正常的升降温、发电工况,以及突发的气绝、超温、泄漏、掉负荷等突发工况。大功率系统的乐成开发,是工业化生长的前提。

4.2.2 不停提高功率密度 SOFC 单电池的功率密度可以测到 2000 mW/cm2 以上,可是,现在世界主流的 SOFC 厂家,电堆的功率密度运行在 200-300 mW/cm2 之间,远远没有发挥 SOFC 单电池的性能。主要原因是电堆中的热治理难题,功率密度增加之后,电堆发生的焦耳热大幅度提高,依靠空气冷却电堆需要的能量大幅提高,系统总输出和发电效率下降。

提高电堆的高效热治理能力,是不停提高功率密度的关键。德国纽伦堡大学 Marius和 Juergen 提出的平面热管技术或许是一个解决方案,该技术通过在 SOFC 单电池层间设置平板型的热管,将电堆事情历程发生的热量快速转移到电堆外部,大幅度降低电堆的温度梯度,淘汰冷却空气的使用,以进一步改善电堆热治理能 力,显著提高电堆的热效率。

不停提高功率密度,才气不停提高 SOFC 与其他技术的竞争力。4.3 SOFC 应用的配套工业 SOFC 的生长离不开相关的配套工业。在质料领域,种种功效陶瓷,耐高温金属、隔热质料等质料供应,以及相应的成型和防护涂层技术;在热工机械领域,事情温度高达 800 ℃左右的高温换热器、燃烧器、水蒸气发生器、预重整器、气流歧管等部件的设计、盘算、加工和测试;在催化与热工领域,燃料的脱硫、重整处置惩罚、隔热处置惩罚、尾气处置惩罚等;在电控领域,风机、DC/DC 和 DC/AC 电源模块等,及其控制逻辑。

SOFC 是个涉及综合学科的工业,涉及到许多的行业,需要众多的厂家配合到场,降低 SOFC 部件的生产制造成本。4.4 SOFC 应用的工业政策 我国是能源消耗大国,生长 SOFC 对我国解决情况与能源之间的矛盾具有重要的意义。对比蓬勃国家,我国已经出台了详细的政策 SOFC 生长目的和相应的补助政策,我国在工业政策方面相对落伍。

希望未来国家和各地政府也能出台相关政策,如在产物开发阶段,给予漫衍式能源、船舶电源等示范工程类项目;在工业化初期,凭据安装功率给予一定比例的补助;在天然气价钱、上网电价上给予一定的倾斜,支持 SOFC 的生长。预计在未来的几年,随着工业的生长和国家的逐步重视,支持 SOFC 的政策会泛起,同时引导工业链上的企业关注和投入,而强有力的资源整合单元也会陆续介入,配合推动 SOFC 的生长,实现我国化石能源的清洁使用。5 总 结 固体氧化物燃料电池可通过高温电化学反映,将燃料中的化学能直接转换为电能,由于具有发电效率高,平静无噪音、绿色低排放、燃料泉源广泛等优点,具有辽阔的应用前景。

现在,多个蓬勃国家已开发出商用的 SOFC 发电系统,但我国的 SOFC 工业与其相比仍有一定差距。市场方面需要开拓适合 SOFC 初期推广应用的商业场景;技术方面需要开发满足应用场景的 SOFC 系统、继续提高功率密度等技术气力;工业链方面需要相关的配套工业的加入;政策方面需要国家的支持。这样才气够在全方位推动 SOFC 的生长,促进我国能源转型与化石能源的清洁使用。

陶瓷学报,2020年05期,陈烁烁 (潮州三环(团体)股份有限公司)。


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