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SOFC在分布式能源的研究进展和发展前景

文字:[大][中][小] 发布时间:2018-11-28  浏览次数:934

引言

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell简称SOFC),是一种采用电化学反应发电的装置,无卡诺循环,其效率远高于其他发电设备,主要产物是CO2和水,是一种低排放的绿色能源来源方式[1],其工作如图1所示,高温工作条件下,SOFC阴极侧通入的空气中的O2被阴极催化裂解成O2-,在电化学势差的作用下,O2-离子穿过离子电导的陶瓷电解质隔膜片,到达阳极,与燃气发生还原反应,生成水和CO2,对外放出电流,以H2作为燃料为例,其中:

阳极反应:2H2+2O2-2H2O+4e-

阴极反应:4e-+022O2-

即综合反应为:2H2+O22H2O,释放出电子经外电路形成电流,提供电能。

1SOFC在分布式能源应用的优点

201410月,国家四部委联合下发《关于发展天然气分布式能源的指导意见》,文件中指出天然气分布式能源是指利用天然气作为燃料,通过冷、热、电联供的方式实现能源的梯级利用,综合能源利用效率在70%以上,同时在负载中心能就近实现能源的供应,是一种现代能源供应方式,是实现天然气高效利用和结构优化的重要途径。随着其他鼓励政策陆续出台,天然气分布式能源获得巨大的发展机遇。

目前常见的天然气分布式能源发电设备包括:微型燃气轮机、中小型燃气轮机、内燃机及燃料电池,表1为常见几种天然气分布式能源发电设备的参数对比。

相比其它天然气分布式能源发电设备,SOFC发电具有以下几大优势:

发电效率高。

燃料电池发电为化学能直接转换成电能,不受卡诺循环限制,直流发电效率可以高达70%以上,交流发电效率可达65%。相比其它热机,电效率具有明显优势,尤其是对于1兆瓦级别的发电单元,同时,燃料电池作为分布式能源供电,可就近安装在负载中心临近位置,避免了电路传输损耗和配送损耗。

余热品质高。

分布式能源应用,不仅应考虑电能的输出,同时也得考虑冷、热能源的输出,OFC发电余热温度较高,约700800℃,同时余热温度稳定,余热经过热回收系统可以以热水或供暖的形式使用。

无振动低噪音。

SOFC采用电化学反应进行发电,不存在机械运行,不产生振动,工作噪音在45分贝以下。因此安装地点非常灵活,可以在工作区域,休闲区域安装,也可在住宅区域、楼顶安装。

燃料选用范围广。

SOFC可使用的燃料类型非常广泛,包括天然气、煤制气、合成气、生物质气、甲醇等。SOFC运行温度较高,所以方便燃料中高碳化合物的催化重整成H2CO。采用的是贱金属Ni作为内重整催化剂,成本低,且不怕CO2的毒化。

绿色环保、低碳排放。

NOxSOx是当今环境污染的主要污染源之一,而SOFC发电通入的原料仅为空气和燃气。燃气经过了除S处理,因此尾气中不含SOx。空气虽然经过高达800℃的高温环境,但由于反应过程在大气压力条件下,几乎无NOx产生。表2为国际能源署2012年关于发单位功率电不同国家传统发电方式与SOFC的温室气体排放统计数据,从表中可以看出,SOFC对于减少温室气体排放具有非常明显的优势。

与此同时,因为SOFC的反应产物只有CO2H2O,只需要将水蒸汽冷凝,即可进行CO2气体捕集,美国能源部SOFC发展目标之一为达到97%CO2捕集率。

2SOFC行业主要公司的发展情况

固体氧化物燃料电池目前商业化应用较少,仅欧美、日等企业有开发出商业化应用的SOFC发电系统。

代表性的企业主要有美国的Bloom Energy公司,GE,日本的三菱日立等企业。Bloom Energy

公司是目前公认的SOFC行业内技术力量最强,运作最成功的公司,其采用电解质支撑电池技术,电池技术经过之前西屋公司多年的研发,技术相对成熟,寿命、可靠性较好,但成本相对较高。Bloom Energy公司开发的SOFC发电系统规格在100250kW,主要发展方向为长寿命、低衰减及大功率系统,经过长时期的验证后,其产品目前已应用在包括苹果、谷歌、易趣、AT&TNTT等公司的数据中心,包括其它楼宇、银行、医院都有Bloom EnergySOFC发电系统。据美国能源部2013年发布的数据,Bloom Energy在美国的装机容量有83MW,近年来规模不断壮大。

美国通用电气采用SOFC和燃气涡轮机的联合发电机组,其发电效率可达70%,其中第一级SOFC发电效率约50%,剩余燃气进入第二级燃气涡轮发电效率40%,总效率达到70%。电池采用金属支撑技术,生产成本较低,适合批量化生产,但是金属支撑电池技术目前还没经过长时间的寿命及可靠性的验证数据,目前GE已推出50kW量级的示范机进行展示。

日本三菱日立采用的是管状结构的SOFC电堆技术,采用SOFC和燃气涡轮、蒸汽涡轮的联合发电机组,据报道电效率约45%,其综合电效率提升到约60%。管状式电堆的设计,具有电堆运行衰减较低,可靠性较好,能耐一定热循环次数,技术相对成熟的优势,三菱日立2015年开始进行250千瓦的示范机运行试验,20162017年安装运行4250千瓦的样机。

除了上述具有代表性的企业之外,还有包括SunfireElcogenHexisSolidpower、京瓷众多企业均在SOFC电堆方面取得较大的进展。

3SOFC发展存在的问题

SOFC技术虽然持续不断在发展进步中,但目前市场商业化应用的SOFC发电系统还非常少,仅欧美几家公司有商业化的SOFC发电系统,其存在的主要问题为技术问题和成本问题。其中,技术问题又分为可靠性问题和寿命问题。

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SOFC发展技术难点

SOFC发展最核心的技术难点在于电堆和热平衡系统(Hot Balance of Plant)。

电堆涉及到的主要技术难点包括以下方面:

单电池方面,SOFC电堆性能直接由单电池性能来决定,因此单电池材料选择,电池结构设计等直接关系到SOFC电堆的使用寿命及衰减情况,如何选择高离子电导、气密性良好的电解质材料,高催化活性并具有长寿命、抗毒化的阴、阳极材料,以及如何进行界面结构设计来降低电池极化,提升电池性能,是SOFC发展过程需要持续改进的问题[6-9]

电堆方面,主要包括高稳定性、高密封性的密封材料的开发,防止不锈钢材料Cr挥发的涂层材料及制备工艺研究,高燃料利用率、低热应力、热梯度、低成本、高可靠性的电堆设技术,目前全球仅少数公司掌握长寿命、高可靠性电堆的设计和生产技术[10-14]

热平衡系统是SOFC的另一项核心技术。包括进/出气的热交换、燃气/空气气流分配、未反应燃气的尾气燃烧、废热利用等功能。是电堆工作温度、温度梯度的关键热管理部件,是保证电堆高效、稳定运行的关键。

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SOFC电堆可靠性问题

商业化的SOFC电堆首先要解决可靠性的问题,主要包括:

1)单电池的气密性,单电池气密性对电解质材料提出了严苛的要求,单电池轻微的泄漏会导致电堆中燃气与空气直接接触、燃烧,重则使SOFC烧毁,轻则加速运行过程中的电堆衰减,影响寿命。

2)密封材料的可靠性SOFC电堆密封材料起到防止电池阴、阳极交叉泄漏及外部泄漏的作用,因此密封材料的可靠性非常关键,密封材料除了要具有高密封性外,还需要在空气、燃气及水蒸气环境下保持结构稳定,并能耐一定数量的热循环。

3)电堆的热梯度和热应力。电堆的热梯度主要受电堆流道设计、电堆压差及耐高温金属材料导热率等因素影响,目前商业化平板式SOFC电堆流道设计较常采用同流(co-f low)和错流(crossflow)的流道设计方案[16],电堆热梯度会随着电堆使用寿命延长而增大,是SOFC系统设计中需要重点考虑的容差问题。

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SOFC的寿命问题

随着SOFC在高温下运行,产品产生衰减,影响寿命。衰减通常来源于几个方面:

1)铬中毒,常用的SOFC连接体材料、管道、支架为耐高温金属材料,含有大量的Cr元素,Cr在空气中容易挥发,到达电池阴极处与阴极反应,造成电池衰减。耐高温金属材料的连接体Cr挥发是毒害电池的重要因素,因此如何设计连接体材料防Cr挥发的涂层至关重要,涂层材料除能有效防止Cr挥发之外,还需跟金属基体具有较好的结合力,而且具有良好的电导率。

2)硫中毒。燃料中因为纯度不高,或者有意加臭引入的S元素,长时间运行会沉积在电池的阳极,堵塞孔道,降低三相界面,对电池造成衰减。因此,对燃料的除S处理,确保进入电堆S含量在非常低的水平,是保证长寿命系统的重要要求。

3)硼中毒。在高温金属部件钎焊过程,以及电堆的玻璃高温封接材料中,含有大量的B元素,B元素在工作过程中会挥发毒害阴极和阳极材料,使电池性能衰减。开发低B/B或者B挥发率低的钎焊材料和封接材料,是提高SOFC寿命的方法。

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SOFC的成本问题

SOFC总体的成本较高,由几方面的原因造成。

1)产业处于商业初期,规模较小,参与的企业较少,配套不足,各种零部件,包括除硫器、单电池、电堆、热交换器、燃烧器、气流分配系统、水处理系统、逆变器、电源管理器等等,都是高度定制的产品,导致了SOFC系统价格高企。

2)工作温度高,寿命要求高。SOFC的工作温度高达650900℃,工业级的SOFC产品要求有数万小时的寿命,且常年不间断运行,对各种部件、材料、涂层的耐高温老化性能要求极高,推高了材料及工艺成本。

3)研发投入高。因为SOFC没有高加速老化测试条件,任何的技术改进均需要相当长的时间进行验证。在产业初期,研发投入折算的成本非常高尽管面临着各种技术问题,但是日本、欧洲的企业和研究机构,均有运行超过10年的SOFC系统,展示了良好的可靠性和SOFC技术超长的寿命。

成本方面,即使目前面临许多问题,但因为没有用到专用的加工工艺、特种加工装备和昂贵稀缺的材料,根据测算,只要有100MW以上的年产量,制造成本可大幅度下降至1.5万元/kW以下,甚至更低。

4SOFC应用于分布式能源的展望

国家政策引导

我国是能源消耗大国,SOFC具有非常广阔的应用市场前景,虽然SOFC具有很多优点,国内科研院所研发也具备一定基础,国内在SOFC领域发表的期刊最近十年呈现飞速增长,但国内产业配套不足,导致SOFC商业应用滞后于世界先进水平。同时,发达国家目前已经出台了详细的SOFC发展目标,并且制定了相应的补贴政策,如表3所示,希望未来国家和各地政府也能有相关的支持政策出台。

更多的市场主体介入

SOFC的发展离不开相关配套产业的支持。如上文所讲,SOFC系统包含的零部件较多。包括除硫器、空气过滤器、风机、陶瓷成型烧结部件、单电池、电堆、耐高温抗氧化合金/不锈钢材料、金属型材、高温焊接技术和设备、隔热材料、可燃性气体传感器、流量计、水过滤系统、DC-DC模块、逆变器等等。涉及到许许多多的行业,其中有很多零部件是特殊定制化的产品,需要众多的上游厂家一同参与,降低SOFC部件的生产制造成本。在系统端,需要具备燃气重整、热管理、新能源项目管理、工程集成方面背景的企业,有运作分布式能源经验的企业共同参与,共同促进国内SOFC商业应用的发展和推广。同时推动SOFC在分布式能源的规模化应用,与其他清洁能源如太阳能、风能实现互补应用。

5总结

SOFC应用于分布式能源具有发电效率高、余热品质高、无振动及噪音低、绿色排放等优势,近年来国外几个发达国家的大公司在SOFC商业化应用取得了较大发展,但目前还存在使用成本较高问题,影响了产业化的进展。三环集团十几年来在SOFC电池及电堆技术上取得了一些进展,希望未来与其他市场主体一道,共同努力,促进国内SOFC技术的发展。