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华能清研院程健:熔融碳酸盐燃料电池的研究进展与应用前景分析

作者:中国储能电站网 来源:中国储能网 时间:2019-05-21 浏览:

中国储能电站网讯:4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月26日上午的“氢能与燃料电池“专场,中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司清洁能源设计优化部副主任程健在会上分享了主题报告《熔融碳酸盐燃料电池的研究进展与应用前景分析》,以下为演讲实录:

程健:各位来宾,各位专家,早上好!刚才各位专家对固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池的介绍比较多,今天我主要介绍一下目前技术比较成熟的熔融碳酸盐燃料电池的研究和应用情况。

讲熔融碳酸盐燃料电池,首先从能源革命开始。人类文明是随着技术进步在逐步发展的,从最初的薪柴到煤炭的利用,蒸汽机的出现促进了工业革命的发展,石油与天然气的大量使用,促进了内燃机的发展,但是化石能源的大量使用带来了环境和大气的严重污染。进入新时代我们需要洁净的空气和优美的环境,就需要能源革命来改变目前的生产和消费模式,需要互联网和新能源来达到我们的需求。风能光伏等新的能源出现就有一个氢储能的问题。氢是未来低碳社会理想的能源载体,据国际氢能委员会预测,在未来的2050年的氢能社会中发电占了11.7%的比例,交通占了28.6%的比例,发电和交通利用氢能的终端技术都是燃料电池。

目前氢能在燃料电池上运用得比较广泛。燃料电池有很多的优势,主要是跟常规发电方式比,它的化学能直接转换成电能,效率是比较高的。成熟应用的主要是质子交换膜燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池,固体氧化物燃料电池。质子交换膜燃料电池因为常温启动,比较迅速比较快,主要运用在备用电源、应急电源和车用方面。熔融碳酸盐燃料电池首先装机容量是目前最大的,主要用在固定电站。熔融碳酸盐燃料电池有它的缺点,首先功率密度比较低,体积比较大。但优点是单电池的面积和功率都比较大,最适合运用于分布式电站和固定电站。固体氧化物燃料电池受单电池面积和功率的制约,主要应用在家用方面和能源数据中心方面。

在所有燃料电池里面的材料体系中,熔融碳酸盐燃料电池是非常简单的。电解质材料只有碳酸锂、碳酸钾;双极板就是普通的316L不锈钢材料,加工比较容易,面积也比较容易放大。熔融碳酸盐燃料电池在国外已经进行了兆瓦级大规模的示范和应用,它的寿命基本上是在四万小时以上。韩国建成世界上最大的59兆瓦的电站,已经开始在韩国京畿道的工业园区示范应用。国内的中广核也投资了的韩国10兆瓦的熔融碳酸盐燃料电池电站,也在示范应用。从目前的应用情况来看,两种电池堆组合方式,其中一个是2.8MW的,由两个发电模块并联组成,效率达到47%;另外一个是3.7MW的电站,由两个模块并联,最后再串联一个小的发电模块,它的效率达到60%。

熔融碳酸盐燃料电池技术一直为发达国家所掌握,我们想买国外的电堆是不可能的,只能靠自主研发。华能集团从2009年开始进行熔融碳酸盐燃料电池的研究从粉末材料到电解质隔膜、电极、双极板以及小电池堆大电池堆的组装开始研究,目前已经掌握了熔融碳酸盐燃料电池的核心关键技术,开发出了20千瓦的熔融碳酸盐燃料电池系统,燃料利用率达到69%,发电效率达到51%。

在核心技术研发方面,首先批量化合成MCFC隔膜核心材料。采用纳米级的碱性氧化铝与碳酸锂合成偏铝酸锂材料,纯度达到96%以上,粉末粒径在微米级以下。将合成的微米级偏铝酸锂材料制备浆料采用流延的方法进行隔膜的批量制备,已经在实验室建成一个连续化的生产线打通了隔膜连续生产的路径。电极也是采用流延的方式来制备的。隔膜与电极制备方法的最大优点是采用水为溶剂,一方面节约成本,一方面非常环保。双极板的制备,国外主要采用冲压焊接的方式,我们目前主要采用组合式,产业化后也可以采用冲压焊接的方式将面积放大道1平方米。

我们下一步的计划在2020年实现20-100kw的系统示范,发电效率达到47%。首先在国内的工业园区或者是制造厂来进行示范推广。

下面我讲一下燃料电池的应用市场分析。谈到能源革命首先是消费和生产。能源革命首先需要技术的支持,我们需要合适的产品,才能进行消费的革命。分析一下2012-2018年国外的固定发电燃料电池市场,固定式发电燃料电池销量保持持续增长。固体氧化物占了很大的比例,已经超过了熔融碳酸盐的比例。为什么?因为国外有日本的ene-Farm计划和美国Bloom energy公司的推动。首先看日本的ENE-farm计划,固体氧化物燃料电池家用热电联产系统的价格是大幅度下降的。单个系统功率700瓦的家用系统2005年的价格是40万人民币,成本非常高。到目前推广销售了25万台,价格降低到了8万人民币。它的最终目标是要降到三万元每台。日本的ENE-Farm计划通过产业化,降低成本是非常迅速的,成本降低了90%。这就说明燃料电池只有产业化和示范应用才能降低它的成本。另外,固体氧化物燃料电池在欧洲和德国也进行了示范应用销售了1500套,基本采用的是日本的技术,但是它的示范应用没有日本的力度大。德国也有计划来进行这样的示范。

我们要分析原因,为什么日本和欧洲要大力推广家用的燃料电池市场?首先看看日本的电网,日本电网分东西两个电网,两个电网之间的频率是不一样的。一个是50赫兹,一个60赫兹。两个电网之间的联系是非常脆弱的。另外,日本是多地震国家,供电稳定性需求非常高。另外日本资源缺乏需要发达高效的能源技术。欧洲国家也面临着解决供暖问题同时面临电网铺设带来高额的投资问题。另外,欧洲的燃气管网是非常发达的,可以用家用的燃料电池系统来进行供电供热。日本和欧洲大量应用固体氧化物燃料电池热电联产家用系统是符合基本国情和需要。

在看看我们国家,我们是社会主义特色的国家,我们的电网非常发达,尤其提倡一带一路,不但要在国内实现联网,要在亚洲也要进行电力输出。我们国家的电网除了新疆、西藏没有彻底联网以外,其他地方都已经有一个完整的国家电网系统。现在采用的是特高压输电。目前农村取暖也是采用政府补贴的方式进行煤改电,城市采用集中供暖方式。国内很难推广和发展一到五千瓦的家用燃料电池冷热联产技术。如果不考虑国情,这个东西很难推广出去。

中国的氢能产业基础设施发展路线图当中,一方面要大力发展氢燃料电池车,另外发电方面2020年要实现20万千瓦燃料电池的发电,2030年要实现一亿万千瓦的发电。再看需求方面,我们的京津冀、长三角、珠三角这些地区都是大气污染防治的重点区域。目前建设了大量工业园区和商业建筑对热冷负荷需求是非常旺盛的。在这些地区可以用燃料电池进行冷热电联产。去年和江苏省做了一个项目。推广分布式电站,采用的是内燃机的方面,但是环评和噪音是通不过的,就考虑到用燃料电池来代替。另外一方面,我们国家天然气的需求在逐年增长。2020年比重要从3%提高到11.3%。这也给燃料电池的发展带来了一个契机。熔融碳酸盐燃料电池在效率、污染物排放、噪音和运维成本方面拥有先天优势。

熔融碳酸盐燃料电池的应用场景方面主要用来发电,百兆瓦级的大型电站可以用来并网发电。熔融碳酸盐燃料电池另外一个优点可以进行二氧化碳的补给、浓缩。另外,可以跟可再生能源结合起来实行调峰制氢和供热的功能。

从市场方面分析来看,我们国家的制氢工业基础良好,每年都有大量的副产氢没有充分利用。另外,氢能作为储能建设能够横跨电力、供热和燃料三个领域,可以促使能源供应端融合,提升能源使用效率。我国的环境压力远远大于其他国家,在绿色低碳能源革命的市场环境下,它具有强大的发展优势。

最后讲一下经济性与应用前景。熔融碳酸盐燃料电池有各种各样的含氢的气体,只需要把这个气体处理到75%的富氢气体就可以利用了。在关键技术方面,完全掌握了电池堆的组装和制备技术,用到楼宇、工业园区、医院和分布式方面。整个产业链是非常完整的。任何一种产品要推向市场,主要是看成本问题。高温燃料电池目前的价格基本上是在9000美元千瓦。这个成本是非常高的。这样一个价格到市场上无法被接受。怎么降成本呢?只有达到和微型燃气轮机、发动机同等水平才能在市场上应用。

熔融碳酸盐燃料电池的成本具有很大的降低空间。目前来说,电堆的成本是1.2万元每千瓦左右,双极板的成本占到了65%,其他的占37%,熔融碳酸盐燃料电池电堆的成本目前大量集中在双极板方面。加工费用是材料成本的三倍,在电池堆成本方面降低空间非常大。随着容量放大和技术进步可以大幅度降低,电堆成本可以达到6000元每千瓦以下,我们对这个非常有信心。    

我们降低成本的步骤,第一步进行百千瓦的示范,系统成本降低到五万元以下,这是最高限额了。所有辅助系统是外购的,电堆成本比较便宜。第二步,建立小型的生产线,进行批量化的制备,降低它的成本,再使系统的生产成本降低到两万元。

最后,展望一下,熔融碳酸盐燃料电池首先是符合中国发展低碳绿色能源革命的国情。熔融碳酸盐燃料电池可应用分布式冷热电联产也可以与可再生能源结合实现绿色低碳能源的智慧供给。财政补贴可以有效补贴大规模的示范项目,成功需要装备成本的降低,可靠性的提高以及打开保守的传统消费市场的商业模式。我们希望和广大的制造商和应用伙伴来共同推动熔融碳酸盐燃料电池在中国的市场化发展,发展我们自己的自主知识产权的节能环保技术。谢谢!

关键字:储能大会

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