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SOFC在分布式能源的研究進展和發(fā)展前景

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2018-11-28     瀏覽次數:    

引言

固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell簡稱SOFC),是一種采用電化學反應發(fā)電的裝置,無卡諾循環(huán),其效率遠高于其他發(fā)電設備,主要產物是CO2和水,是一種低排放的綠色能源來源方式[1],其工作如圖1所示,高溫工作條件下,SOFC陰極側通入的空氣中的O2被陰極催化裂解成O2-,在電化學勢差的作用下,O2-離子穿過離子電導的陶瓷電解質隔膜片,到達陽極,與燃氣發(fā)生還原反應,生成水和CO2,對外放出電流,以H2作為燃料為例,其中:

陽極反應:2H2+2O2-2H2O+4e-

陰極反應:4e-+022O2-

即綜合反應為:2H2+O22H2O,釋放出電子經外電路形成電流,提供電能。

1SOFC在分布式能源應用的優(yōu)點

201410月,國家四部委聯合下發(fā)《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》,文件中指出天然氣分布式能源是指利用天然氣作為燃料,通過冷、熱、電聯供的方式實現能源的梯級利用,綜合能源利用效率在70%以上,同時在負載中心能就近實現能源的供應,是一種現代能源供應方式,是實現天然氣高效利用和結構優(yōu)化的重要途徑。隨著其他鼓勵政策陸續(xù)出臺,天然氣分布式能源獲得巨大的發(fā)展機遇。

目前常見的天然氣分布式能源發(fā)電設備包括:微型燃氣輪機、中小型燃氣輪機、內燃機及燃料電池,表1為常見幾種天然氣分布式能源發(fā)電設備的參數對比。

相比其它天然氣分布式能源發(fā)電設備,SOFC發(fā)電具有以下幾大優(yōu)勢:

發(fā)電效率高。

燃料電池發(fā)電為化學能直接轉換成電能,不受卡諾循環(huán)限制,直流發(fā)電效率可以高達70%以上,交流發(fā)電效率可達65%。相比其它熱機,電效率具有明顯優(yōu)勢,尤其是對于1兆瓦級別的發(fā)電單元,同時,燃料電池作為分布式能源供電,可就近安裝在負載中心臨近位置,避免了電路傳輸損耗和配送損耗。

余熱品質高。

分布式能源應用,不僅應考慮電能的輸出,同時也得考慮冷、熱能源的輸出,OFC發(fā)電余熱溫度較高,約700800℃,同時余熱溫度穩(wěn)定,余熱經過熱回收系統(tǒng)可以以熱水或供暖的形式使用。

無振動低噪音。

SOFC采用電化學反應進行發(fā)電,不存在機械運行,不產生振動,工作噪音在45分貝以下。因此安裝地點非常靈活,可以在工作區(qū)域,休閑區(qū)域安裝,也可在住宅區(qū)域、樓頂安裝。

燃料選用范圍廣。

SOFC可使用的燃料類型非常廣泛,包括天然氣、煤制氣、合成氣、生物質氣、甲醇等。SOFC運行溫度較高,所以方便燃料中高碳化合物的催化重整成H2CO。采用的是賤金屬Ni作為內重整催化劑,成本低,且不怕CO2的毒化。

綠色環(huán)保、低碳排放。

NOxSOx是當今環(huán)境污染的主要污染源之一,而SOFC發(fā)電通入的原料僅為空氣和燃氣。燃氣經過了除S處理,因此尾氣中不含SOx??諝怆m然經過高達800℃的高溫環(huán)境,但由于反應過程在大氣壓力條件下,幾乎無NOx產生。表2為國際能源署2012年關于發(fā)單位功率電不同國家傳統(tǒng)發(fā)電方式與SOFC的溫室氣體排放統(tǒng)計數據,從表中可以看出,SOFC對于減少溫室氣體排放具有非常明顯的優(yōu)勢。

與此同時,因為SOFC的反應產物只有CO2H2O,只需要將水蒸汽冷凝,即可進行CO2氣體捕集,美國能源部SOFC發(fā)展目標之一為達到97%CO2捕集率。

2SOFC行業(yè)主要公司的發(fā)展情況

固體氧化物燃料電池目前商業(yè)化應用較少,僅歐美、日等企業(yè)有開發(fā)出商業(yè)化應用的SOFC發(fā)電系統(tǒng)。

代表性的企業(yè)主要有美國的Bloom Energy公司,GE,日本的三菱日立等企業(yè)。Bloom Energy

公司是目前公認的SOFC行業(yè)內技術力量最強,運作最成功的公司,其采用電解質支撐電池技術,電池技術經過之前西屋公司多年的研發(fā),技術相對成熟,壽命、可靠性較好,但成本相對較高。Bloom Energy公司開發(fā)的SOFC發(fā)電系統(tǒng)規(guī)格在100250kW,主要發(fā)展方向為長壽命、低衰減及大功率系統(tǒng),經過長時期的驗證后,其產品目前已應用在包括蘋果、谷歌、易趣、AT&T、NTT等公司的數據中心,包括其它樓宇、銀行、醫(yī)院都有Bloom EnergySOFC發(fā)電系統(tǒng)。據美國能源部2013年發(fā)布的數據,Bloom Energy在美國的裝機容量有83MW,近年來規(guī)模不斷壯大。

美國通用電氣采用SOFC和燃氣渦輪機的聯合發(fā)電機組,其發(fā)電效率可達70%,其中第一級SOFC發(fā)電效率約50%,剩余燃氣進入第二級燃氣渦輪發(fā)電效率40%,總效率達到70%。電池采用金屬支撐技術,生產成本較低,適合批量化生產,但是金屬支撐電池技術目前還沒經過長時間的壽命及可靠性的驗證數據,目前GE已推出50kW量級的示范機進行展示。

日本三菱日立采用的是管狀結構的SOFC電堆技術,采用SOFC和燃氣渦輪、蒸汽渦輪的聯合發(fā)電機組,據報道電效率約45%,其綜合電效率提升到約60%。管狀式電堆的設計,具有電堆運行衰減較低,可靠性較好,能耐一定熱循環(huán)次數,技術相對成熟的優(yōu)勢,三菱日立2015年開始進行250千瓦的示范機運行試驗,20162017年安裝運行4250千瓦的樣機。

除了上述具有代表性的企業(yè)之外,還有包括Sunfire、Elcogen、HexisSolidpower、京瓷眾多企業(yè)均在SOFC電堆方面取得較大的進展。

3SOFC發(fā)展存在的問題

SOFC技術雖然持續(xù)不斷在發(fā)展進步中,但目前市場商業(yè)化應用的SOFC發(fā)電系統(tǒng)還非常少,僅歐美幾家公司有商業(yè)化的SOFC發(fā)電系統(tǒng),其存在的主要問題為技術問題和成本問題。其中,技術問題又分為可靠性問題和壽命問題。

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SOFC發(fā)展技術難點

SOFC發(fā)展最核心的技術難點在于電堆和熱平衡系統(tǒng)(Hot Balance of Plant)。

電堆涉及到的主要技術難點包括以下方面:

單電池方面,SOFC電堆性能直接由單電池性能來決定,因此單電池材料選擇,電池結構設計等直接關系到SOFC電堆的使用壽命及衰減情況,如何選擇高離子電導、氣密性良好的電解質材料,高催化活性并具有長壽命、抗毒化的陰、陽極材料,以及如何進行界面結構設計來降低電池極化,提升電池性能,是SOFC發(fā)展過程需要持續(xù)改進的問題[6-9]。

電堆方面,主要包括高穩(wěn)定性、高密封性的密封材料的開發(fā),防止不銹鋼材料Cr揮發(fā)的涂層材料及制備工藝研究,高燃料利用率、低熱應力、熱梯度、低成本、高可靠性的電堆設技術,目前全球僅少數公司掌握長壽命、高可靠性電堆的設計和生產技術[10-14]。

熱平衡系統(tǒng)是SOFC的另一項核心技術。包括進/出氣的熱交換、燃氣/空氣氣流分配、未反應燃氣的尾氣燃燒、廢熱利用等功能。是電堆工作溫度、溫度梯度的關鍵熱管理部件,是保證電堆高效、穩(wěn)定運行的關鍵。

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SOFC電堆可靠性問題

商業(yè)化的SOFC電堆首先要解決可靠性的問題,主要包括:

1)單電池的氣密性,單電池氣密性對電解質材料提出了嚴苛的要求,單電池輕微的泄漏會導致電堆中燃氣與空氣直接接觸、燃燒,重則使SOFC燒毀,輕則加速運行過程中的電堆衰減,影響壽命。

2)密封材料的可靠性,SOFC電堆密封材料起到防止電池陰、陽極交叉泄漏及外部泄漏的作用,因此密封材料的可靠性非常關鍵,密封材料除了要具有高密封性外,還需要在空氣、燃氣及水蒸氣環(huán)境下保持結構穩(wěn)定,并能耐一定數量的熱循環(huán)。

3)電堆的熱梯度和熱應力。電堆的熱梯度主要受電堆流道設計、電堆壓差及耐高溫金屬材料導熱率等因素影響,目前商業(yè)化平板式SOFC電堆流道設計較常采用同流(co-f low)和錯流(crossflow)的流道設計方案[16],電堆熱梯度會隨著電堆使用壽命延長而增大,是SOFC系統(tǒng)設計中需要重點考慮的容差問題。

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SOFC的壽命問題

隨著SOFC在高溫下運行,產品產生衰減,影響壽命。衰減通常來源于幾個方面:

1)鉻中毒,常用的SOFC連接體材料、管道、支架為耐高溫金屬材料,含有大量的Cr元素,Cr在空氣中容易揮發(fā),到達電池陰極處與陰極反應,造成電池衰減。耐高溫金屬材料的連接體Cr揮發(fā)是毒害電池的重要因素,因此如何設計連接體材料防Cr揮發(fā)的涂層至關重要,涂層材料除能有效防止Cr揮發(fā)之外,還需跟金屬基體具有較好的結合力,而且具有良好的電導率。

2)硫中毒。燃料中因為純度不高,或者有意加臭引入的S元素,長時間運行會沉積在電池的陽極,堵塞孔道,降低三相界面,對電池造成衰減。因此,對燃料的除S處理,確保進入電堆S含量在非常低的水平,是保證長壽命系統(tǒng)的重要要求。

3)硼中毒。在高溫金屬部件釬焊過程,以及電堆的玻璃高溫封接材料中,含有大量的B元素,B元素在工作過程中會揮發(fā)毒害陰極和陽極材料,使電池性能衰減。開發(fā)低B/B或者B揮發(fā)率低的釬焊材料和封接材料,是提高SOFC壽命的方法。

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SOFC的成本問題

SOFC總體的成本較高,由幾方面的原因造成。

1)產業(yè)處于商業(yè)初期,規(guī)模較小,參與的企業(yè)較少,配套不足,各種零部件,包括除硫器、單電池、電堆、熱交換器、燃燒器、氣流分配系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、逆變器、電源管理器等等,都是高度定制的產品,導致了SOFC系統(tǒng)價格高企。

2)工作溫度高,壽命要求高。SOFC的工作溫度高達650900℃,工業(yè)級的SOFC產品要求有數萬小時的壽命,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。

3)研發(fā)投入高。因為SOFC沒有高加速老化測試條件,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盡管面臨著各種技術問題,但是日本、歐洲的企業(yè)和研究機構,均有運行超過10年的SOFC系統(tǒng),展示了良好的可靠性和SOFC技術超長的壽命。

成本方面,即使目前面臨許多問題,但因為沒有用到專用的加工工藝、特種加工裝備和昂貴稀缺的材料,根據測算,只要有100MW以上的年產量,制造成本可大幅度下降至1.5萬元/kW以下,甚至更低。

4SOFC應用于分布式能源的展望

國家政策引導

我國是能源消耗大國,SOFC具有非常廣闊的應用市場前景,雖然SOFC具有很多優(yōu)點,國內科研院所研發(fā)也具備一定基礎,國內在SOFC領域發(fā)表的期刊最近十年呈現飛速增長,但國內產業(yè)配套不足,導致SOFC商業(yè)應用滯后于世界先進水平。同時,發(fā)達國家目前已經出臺了詳細的SOFC發(fā)展目標,并且制定了相應的補貼政策,如表3所示,希望未來國家和各地政府也能有相關的支持政策出臺。

更多的市場主體介入

SOFC的發(fā)展離不開相關配套產業(yè)的支持。如上文所講,SOFC系統(tǒng)包含的零部件較多。包括除硫器、空氣過濾器、風機、陶瓷成型燒結部件、單電池、電堆、耐高溫抗氧化合金/不銹鋼材料、金屬型材、高溫焊接技術和設備、隔熱材料、可燃性氣體傳感器、流量計、水過濾系統(tǒng)、DC-DC模塊、逆變器等等。涉及到許許多多的行業(yè),其中有很多零部件是特殊定制化的產品,需要眾多的上游廠家一同參與,降低SOFC部件的生產制造成本。在系統(tǒng)端,需要具備燃氣重整、熱管理、新能源項目管理、工程集成方面背景的企業(yè),有運作分布式能源經驗的企業(yè)共同參與,共同促進國內SOFC商業(yè)應用的發(fā)展和推廣。同時推動SOFC在分布式能源的規(guī)?;瘧?,與其他清潔能源如太陽能、風能實現互補應用。

5總結

SOFC應用于分布式能源具有發(fā)電效率高、余熱品質高、無振動及噪音低、綠色排放等優(yōu)勢,近年來國外幾個發(fā)達國家的大公司在SOFC商業(yè)化應用取得了較大發(fā)展,但目前還存在使用成本較高問題,影響了產業(yè)化的進展。三環(huán)集團十幾年來在SOFC電池及電堆技術上取得了一些進展,希望未來與其他市場主體一道,共同努力,促進國內SOFC技術的發(fā)展。

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