鉅大LARGE | 點擊量：1369次 | 2022年11月07日
熔融碳酸鹽燃料動力電池的研究進展及應(yīng)用前景
4月24-26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會主辦的第九屆中國國際儲能大會在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月26日上午的“氫能與燃料電池“專場，中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司清潔能源設(shè)計優(yōu)化部副主任程健在會上分享了主題報告《熔融碳酸鹽燃料電池的研究進展與應(yīng)用前景分析》，以下為演講實錄：
程?。焊魑粊碣e，各位專家，早上好！剛才各位專家對固體氧化物燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池的介紹比較多，今天我主要介紹一下目前技術(shù)比較成熟的熔融碳酸鹽燃料電池的研究和應(yīng)用情況。
講熔融碳酸鹽燃料電池，首先從能源革命開始。人類文明是隨著技術(shù)進步在逐步發(fā)展的，從最初的薪柴到煤炭的利用，蒸汽機的出現(xiàn)促進了工業(yè)革命的發(fā)展，石油與天然氣的大量使用，促進了內(nèi)燃機的發(fā)展，但是化石能源的大量使用帶來了環(huán)境和大氣的嚴(yán)重污染。進入新時代我們需要潔凈的空氣和優(yōu)美的環(huán)境，就需要能源革命來改變目前的生產(chǎn)和消費模式，需要互聯(lián)網(wǎng)和新能源來達到我們的需求。風(fēng)能光伏等新的能源出現(xiàn)就有一個氫儲能的問題。氫是未來低碳社會理想的能源載體，據(jù)國際氫能委員會預(yù)測，在未來的2050年的氫能社會中發(fā)電占了11.7%的比例，交通占了28.6%的比例，發(fā)電和交通利用氫能的終端技術(shù)都是燃料電池。
目前氫能在燃料電池上運用得比較廣泛。燃料電池有很多的優(yōu)勢，主要是跟常規(guī)發(fā)電方式比，它的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，效率是比較高的。成熟應(yīng)用的主要是質(zhì)子交換膜燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池因為常溫啟動，比較迅速比較快，主要運用在備用電源、應(yīng)急電源和車用方面。熔融碳酸鹽燃料電池首先裝機容量是目前最大的，主要用在固定電站。熔融碳酸鹽燃料電池有它的缺點，首先功率密度比較低，體積比較大。但優(yōu)點是單電池的面積和功率都比較大，最適合運用于分布式電站和固定電站。固體氧化物燃料電池受單電池面積和功率的制約，主要應(yīng)用在家用方面和能源數(shù)據(jù)中心方面。
在所有燃料電池里面的材料體系中，熔融碳酸鹽燃料電池是非常簡單的。電解質(zhì)材料只有碳酸鋰、碳酸鉀；雙極板就是普通的316L不銹鋼材料，加工比較容易，面積也比較容易放大。熔融碳酸鹽燃料電池在國外已經(jīng)進行了兆瓦級大規(guī)模的示范和應(yīng)用，它的壽命基本上是在四萬小時以上。韓國建成世界上最大的59兆瓦的電站，已經(jīng)開始在韓國京畿道的工業(yè)園區(qū)示范應(yīng)用。國內(nèi)的中廣核也投資了的韓國10兆瓦的熔融碳酸鹽燃料電池電站，也在示范應(yīng)用。從目前的應(yīng)用情況來看，兩種電池堆組合方式，其中一個是2.8MW的，由兩個發(fā)電模塊并聯(lián)組成，效率達到47%；另外一個是3.7MW的電站，由兩個模塊并聯(lián)，最后再串聯(lián)一個小的發(fā)電模塊，它的效率達到60%。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)一直為發(fā)達國家所掌握，我們想買國外的電堆是不可能的，只能靠自主研發(fā)。華能集團從2009年開始進行熔融碳酸鹽燃料電池的研究從粉末材料到電解質(zhì)隔膜、電極、雙極板以及小電池堆大電池堆的組裝開始研究，目前已經(jīng)掌握了熔融碳酸鹽燃料電池的核心關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出了20千瓦的熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)，燃料利用率達到69%，發(fā)電效率達到51%。
在核心技術(shù)研發(fā)方面，首先批量化合成MCFC隔膜核心材料。采用納米級的堿性氧化鋁與碳酸鋰合成偏鋁酸鋰材料，純度達到96%以上，粉末粒徑在微米級以下。將合成的微米級偏鋁酸鋰材料制備漿料采用流延的方法進行隔膜的批量制備，已經(jīng)在實驗室建成一個連續(xù)化的生產(chǎn)線打通了隔膜連續(xù)生產(chǎn)的路徑。電極也是采用流延的方式來制備的。隔膜與電極制備方法的最大優(yōu)點是采用水為溶劑，一方面節(jié)約成本，一方面非常環(huán)保。雙極板的制備，國外主要采用沖壓焊接的方式，我們目前主要采用組合式，產(chǎn)業(yè)化后也可以采用沖壓焊接的方式將面積放大道1平方米。
我們下一步的計劃在2020年實現(xiàn)20-100kw的系統(tǒng)示范，發(fā)電效率達到47%。首先在國內(nèi)的工業(yè)園區(qū)或者是制造廠來進行示范推廣。
下面我講一下燃料電池的應(yīng)用市場分析。談到能源革命首先是消費和生產(chǎn)。能源革命首先需要技術(shù)的支持，我們需要合適的產(chǎn)品，才能進行消費的革命。分析一下2012-2018年國外的固定發(fā)電燃料電池市場，固定式發(fā)電燃料電池銷量保持持續(xù)增長。固體氧化物占了很大的比例，已經(jīng)超過了熔融碳酸鹽的比例。為什么？因為國外有日本的ene-Farm計劃和美國Bloomenergy公司的推動。首先看日本的ENE-farm計劃，固體氧化物燃料電池家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的價格是大幅度下降的。單個系統(tǒng)功率700瓦的家用系統(tǒng)2005年的價格是40萬人民幣，成本非常高。到目前推廣銷售了25萬臺，價格降低到了8萬人民幣。它的最終目標(biāo)是要降到三萬元每臺。日本的ENE-Farm計劃通過產(chǎn)業(yè)化，降低成本是非常迅速的，成本降低了90%。這就說明燃料電池只有產(chǎn)業(yè)化和示范應(yīng)用才能降低它的成本。另外，固體氧化物燃料電池在歐洲和德國也進行了示范應(yīng)用銷售了1500套，基本采用的是日本的技術(shù)，但是它的示范應(yīng)用沒有日本的力度大。德國也有計劃來進行這樣的示范。
我們要分析原因，為什么日本和歐洲要大力推廣家用的燃料電池市場？首先看看日本的電網(wǎng)，日本電網(wǎng)分東西兩個電網(wǎng)，兩個電網(wǎng)之間的頻率是不一樣的。一個是50赫茲，一個60赫茲。兩個電網(wǎng)之間的聯(lián)系是非常脆弱的。另外，日本是多地震國家，供電穩(wěn)定性需求非常高。另外日本資源缺乏需要發(fā)達高效的能源技術(shù)。歐洲國家也面臨著解決供暖問題同時面臨電網(wǎng)鋪設(shè)帶來高額的投資問題。另外，歐洲的燃氣管網(wǎng)是非常發(fā)達的，可以用家用的燃料電池系統(tǒng)來進行供電供熱。日本和歐洲大量應(yīng)用固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)家用系統(tǒng)是符合基本國情和需要。
在看看我們國家，我們是社會主義特色的國家，我們的電網(wǎng)非常發(fā)達，尤其提倡一帶一路，不但要在國內(nèi)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，要在亞洲也要進行電力輸出。我們國家的電網(wǎng)除了新疆、西藏沒有徹底聯(lián)網(wǎng)以外，其他地方都已經(jīng)有一個完整的國家電網(wǎng)系統(tǒng)。現(xiàn)在采用的是特高壓輸電。目前農(nóng)村取暖也是采用政府補貼的方式進行煤改電，城市采用集中供暖方式。國內(nèi)很難推廣和發(fā)展一到五千瓦的家用燃料電池冷熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。如果不考慮國情，這個東西很難推廣出去。
中國的氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展路線圖當(dāng)中，一方面要大力發(fā)展氫燃料電池車，另外發(fā)電方面2020年要實現(xiàn)20萬千瓦燃料電池的發(fā)電，2030年要實現(xiàn)一億萬千瓦的發(fā)電。再看需求方面，我們的京津冀、長三角、珠三角這些地區(qū)都是大氣污染防治的重點區(qū)域。目前建設(shè)了大量工業(yè)園區(qū)和商業(yè)建筑對熱冷負荷需求是非常旺盛的。在這些地區(qū)可以用燃料電池進行冷熱電聯(lián)產(chǎn)。去年和江蘇省做了一個項目。推廣分布式電站，采用的是內(nèi)燃機的方面，但是環(huán)評和噪音是通不過的，就考慮到用燃料電池來代替。另外一方面，我們國家天然氣的需求在逐年增長。2020年比重要從3%提高到11.3%。這也給燃料電池的發(fā)展帶來了一個契機。熔融碳酸鹽燃料電池在效率、污染物排放、噪音和運維成本方面擁有先天優(yōu)勢。
熔融碳酸鹽燃料電池的應(yīng)用場景方面主要用來發(fā)電，百兆瓦級的大型電站可以用來并網(wǎng)發(fā)電。熔融碳酸鹽燃料電池另外一個優(yōu)點可以進行二氧化碳的補給、濃縮。另外，可以跟可再生能源結(jié)合起來實行調(diào)峰制氫和供熱的功能。
從市場方面分析來看，我們國家的制氫工業(yè)基礎(chǔ)良好，每年都有大量的副產(chǎn)氫沒有充分利用。另外，氫能作為儲能建設(shè)能夠橫跨電力、供熱和燃料三個領(lǐng)域，可以促使能源供應(yīng)端融合，提升能源使用效率。我國的環(huán)境壓力遠遠大于其他國家，在綠色低碳能源革命的市場環(huán)境下，它具有強大的發(fā)展優(yōu)勢。
最后講一下經(jīng)濟性與應(yīng)用前景。熔融碳酸鹽燃料電池有各種各樣的含氫的氣體，只需要把這個氣體處理到75%的富氫氣體就可以利用了。在關(guān)鍵技術(shù)方面，完全掌握了電池堆的組裝和制備技術(shù)，用到樓宇、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院和分布式方面。整個產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)欠浅Ｍ暾?。任何一種產(chǎn)品要推向市場，主要是看成本問題。高溫燃料電池目前的價格基本上是在9000美元千瓦。這個成本是非常高的。這樣一個價格到市場上無法被接受。怎么降成本呢？只有達到和微型燃氣輪機、發(fā)動機同等水平才能在市場上應(yīng)用。
熔融碳酸鹽燃料電池的成本具有很大的降低空間。目前來說，電堆的成本是1.2萬元每千瓦左右，雙極板的成本占到了65%，其他的占37%，熔融碳酸鹽燃料電池電堆的成本目前大量集中在雙極板方面。加工費用是材料成本的三倍，在電池堆成本方面降低空間非常大。隨著容量放大和技術(shù)進步可以大幅度降低，電堆成本可以達到6000元每千瓦以下，我們對這個非常有信心。
我們降低成本的步驟，第一步進行百千瓦的示范，系統(tǒng)成本降低到五萬元以下，這是最高限額了。所有輔助系統(tǒng)是外購的，電堆成本比較便宜。第二步，建立小型的生產(chǎn)線，進行批量化的制備，降低它的成本，再使系統(tǒng)的生產(chǎn)成本降低到兩萬元。
最后，展望一下，熔融碳酸鹽燃料電池首先是符合中國發(fā)展低碳綠色能源革命的國情。熔融碳酸鹽燃料電池可應(yīng)用分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)也可以與可再生能源結(jié)合實現(xiàn)綠色低碳能源的智慧供給。財政補貼可以有效補貼大規(guī)模的示范項目，成功需要裝備成本的降低，可靠性的提高以及打開保守的傳統(tǒng)消費市場的商業(yè)模式。我們希望和廣大的制造商和應(yīng)用伙伴來共同推動熔融碳酸鹽燃料電池在中國的市場化發(fā)展，發(fā)展我們自己的自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。謝謝。
