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李曦:固体氧化物燃料电池(SOFC)系统

   日期:2018-09-12     来源:中国储能网    浏览:2796    评论:0    
 9月9日,第二届储能电池技术发展方向研讨会在京召开。

本次会议由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会与中国科学院电工研究所储能技术研究组联合主办,北京好风光储能技术有限公司、浙江南都电源动力股份有限公司、中天储能科技有限公司、长兴太湖能谷科技有限公司及合肥博澳国兴能源技术有限公司等单位联合支持。


华中科技大学自动化学院教授李曦出席了本次会议,并发表了题为《固体氧化物燃料电池(SOFC)系统》的报告,以下为演讲全文:

李曦:各位领导、各位专家大家上午好!我是来自华中科技大学自动化学院的李曦,今天给大家汇报的题目是固体氧化物燃料电池系统,简称SOFC系统。

在大家所拿到的宣传册上本报告提到了七个方面,考虑到时间关系我把它浓缩成五个方面。

第一个方面是固体氧化物燃料电池的背景:我们国家作为一个煤碳消费大国,传统的发电采用煤碳、火力发电这几种能源获取方式,这些方式会导致生态环境的破坏、能源利用率低下,以及非可再生能源匮乏等问题,针对这些问题,在最近的几年尤其最近五六年国家逐步展开部署,陆续由工信部、发改委以及能源局联合发布《分布式发电能源技术革命的创新行动》,还有三部委联合发布的《中国制造2025》等政策导向性文件,寻求一种新的发电技术及新能源装备。燃料电池可能和大家刚才报告中所讲的电池类型,以及我们这个大会的主题听起来感觉有一点点异类,我们这个燃料电池和储能电池还有一点不一样。储能电池主要是从电能存储下来,再去把电能释放出来。

我们这个燃料电池是利用燃料里面的内能,通过电化学转化的方式产生电能,是一种绿色发电装置,它的电化学反应机理是不一样的。谈到燃料电池这两年大家可能感觉有一点风口上的感觉,尤其是谈到各种燃料电车、新能源车,一谈到燃料电池大家会感觉就是用到车上的燃料电池,实际上,燃料电池在最近几十年的发展中,按其电解质、工作温度以及燃料的来源,主要可分为五大类。包括固体氧化物燃料电池、磷酸盐、熔融碳酸盐、碱性与质子交换膜燃料电池等。但当前国际和国内主流市场主要包括两种燃料电池,一种是新能源电池车上作为动力用的质子交换膜燃料电池,是一种低温燃料电池;另外一种能用在分布式电站和汽车辅助动力等领域的类型就是今天要给大家讲的固体氧化物燃料电池。这种燃料电池将外部的燃料直接转化成电能,不需要像传统的燃料去燃烧驱动蒸汽轮机或者涡轮机发电,传统燃烧式的发电会受到卡诺循环限制,导致电能量效率转换较低,我们这种燃料电池发电转换效率可以高达60%。同时,把产生的热充分利用形成热电联供可以达到80%的效率,我们这种燃料电池发电效率比较高,没有噪音,甚至产生的反应物主要是水这种对环境没有污染的低排放物质。

右下角是我们今天要讲的固体电池基本反应原理,在600-800摄氏度环境下面,通过空气中的氧得到电子,传输通过电解质到阳极中的燃料来源如氢气、一氧化碳,把阳极中燃料失去电子后的离子,与氧离子反应生成水、二氧化碳,驱动外部的负载,其是一个发电装置。

刚才只是看到了我们这个固体氧化物燃料电池的反应原理。要形成一个发电装备,一个绿色的发电机,要把这个燃料电池首先基于单电池的反应载体(包括阴极、阳极、电解质三层结构),围绕它的大功率需求进行堆落,形成一个电池堆。还要集成它外围的辅助单元,如燃料的重整、供气、热管理、电管理和相应的控制系统,形成一个独立的发电装备,这个发电装备就是我们讲的固体氧化物燃料电池系统。在600-800摄氏度环境下,如图发电系统上面有高温区在上半部分,底部是这个系统的冷区,包括控制系统,供气系统等等。以上是我们的一个研究背景,希望形成这么一个发电装备,同时,也给大家进一步介绍一下国内外针对这个发电装备是怎么使用的,有什么存在的问题。

类似于我们储能电池,或者电站,作为一个发电装备,也存在高效率低排放,高能量密度比这样一些优点,也可以应用在很多领域,比方说交通,固定电站军事领域等都可以应用。看国际上面,在固体氧化物电池的示范,商业化应用。目前在商业化应用领域主要还是在美国、日本、欧洲发达地区。美国大功率如百千瓦级的固定电站,以及便携式电源,出现了几家固体氧化燃料电池的独角兽企业,后面还会简单介绍。还有几十千瓦的水下的无人探测器,以及水下的鱼雷。日本主要定位在千瓦级家庭热电联供系统,美国五千瓦级家用系统。图中是他们一个几百瓦级别的系统,以上是在国际上面的商业化应用。我们国内现在还处在一种跟跑的阶段,在国内能够做到千瓦级的发电装备技术,主要是在高校和科研院所,华中科技大学,大家依托高校转化到外面,组建华科福赛;清华的技术转化到苏州华清京昆,中科院几家单位,宁波所,上海硅所,大连物理化学所,可以做到千瓦级SOFC。

SOFC在海陆空这几个领域都有相应的商业化应用,图中是在今年4月份美国的洛克希德马丁公司开发300瓦级无人机,应用固体氧化物燃料电池,可以在空中飞行8个小时以上,是传统锂电池续航能量密度比的4倍。电动车领域,这个图大家都见过,今年5月份咱们总理到丰田去考察所看到的燃料电池车,这是丰田的“未来者”,用的低温燃料电池(PEMFC),。中间这个是日产的尼桑,他做了一个定位在增程而不是主动力的SOFC系统,增程和锂电形成一个混动的,它可以续航差不多600公里。未来者跑了500公里,特斯拉跑了400多公里。尼桑现在推的一款基于固体氧化物燃料电池,它的续航能力更具有挑战性,燃料来源更为广泛,不用改变原有的车的配置结构,从未来者我们可以看到,总体上这个车把原有的燃油箱变成清洁罐。从燃料的来源广泛程度和普适性上面看,尼桑推的这一款现在更具有竞争力。在接下来咱们看看国内的潍柴,因为看到了这一个领域的亮点,尼桑所使用的这个固体氧化物燃料电池来自于英国Ceres Power公司,今年潍柴差不多投了四千万英镑,认购了Ceres Power20%股份,在行业内掀起了很大波澜,明年上半年在潍坊开发这种压缩天然气作为原料的固体氧化物燃料电池动力系统。

刚才讲了日本主要推出千瓦级的家庭热电联供系统,他们2011年推出了700瓦的固体氧化物燃料电池,现在已经运行了三万小时,在去年的5月份又推出了5000瓦的系统,这个已经在市面上商业化应用达到几百套,验证了这么一个固体氧化物燃料电池在千瓦级的示范领域是可行的。

在大功率电站上面,三菱定位在250千瓦,这个图是两个星期前科技部长王志刚到日本九州大学考察,佐佐木副校长介绍250千瓦发电示范,咱们国家开始重视固体氧化物燃料电池在产业上面应用。三菱250千瓦系统从2009年到现在运行,还非常稳定。这个是目前固体氧化物燃料电池在商业化做的最成功的美国的Bloomenergy,在谷歌、沃尔玛、苹果已经进行大量商业化示范应用,这是他们在一个多月以前,这个公司已经上市了,现在在行业里面也是引起了非常大的轰动。但是从不管是国内也好,还是国际上面已经在做商业化示范的应用,他们存在的问题并不是说一直会持续运行,不会出现什么问题,尤其是我们国内在处于跟跑情况下,主要存在三个关键问题,这个也是我们今年国家科技部列了一个相关项目的重点专项,就是关于高效固体氧化物燃料电池机理,主要有三个层面的问题,一个是电池,还一个电堆,再一个系统,整体实现高效长寿命管控。

国内我们华中科技大学这个团队,围绕固体氧化物燃料电池系统从材料到整个发电系统进行研究。有从事材料的、结构的、机械的、化学的与自动化等,围绕固体氧化物燃料电池整个生产线,整个技术环节已经全部打通了,性能验证上面已经得到了原理和技术上面的验证,从材料、电堆测试到长寿命预测,尤其是电池性能上面的验证。图中这是我们主要定位的10厘米见方电池和15厘米见方的电池,针对这两种进行了长寿命的测试与验证。这个图是在2013年3月份-8月份进行四千小时的一个单电池性能稳定测试。在国际上美国人提过一个标准,每千小时衰减1%,证明这个电池是可以商业化的。这是我们团队做的一个电池,当时衰减率每千小时衰减0.81%,当时我们电池在意大利罗马、台湾等地,他们对我们电池进行过一个长寿命测试,测试四千小时,有三千小时,他们测的衰减率比我们测的还要低,每千小时测的0.3%。所以从这个性能上面,可以说是已经达到了国际上面可以进行商业化认可的一个技术水平,为了获得更高的功率,将单电池堆垛形成电堆之后,我们也测过四千多小时,这当时测的一个衰减率,在每千小时1.5%。

把堆最后形成系统,我们经过了“十一五”“十二五”两个阶段的攻关,我们在“十二五”的时候,我们五千瓦发电系统效率可以做到46.5%,这是我们当时做示范演示验收的一个场景。基于我们这个技术,也开发过从几百瓦到5000瓦范应用,比如说300瓦系统,有用到1000瓦的外部重整,也做过几套示范应用,和国内几个研究所和企业有过相应的合作。我们也把自己的技术进行产业化,成立一个武汉华科福赛新能源有限公司,我们也开发了这种1000瓦-5000瓦测试系统。

要解决里面的问题,怎么提高长寿命高效,尤其从堆的长寿命,电池长寿命。形成系统之后,尤其形成独立发电系统之后,当外部的负载变动,用在车上面功率波动会导致系统的热和电之间的相互耦合,会导致整个系统的寿命衰减急剧下降,怎么样让堆固有性能能够充分发挥出来,在这个系统的集成和控制上面解决了这四个关键问题:怎么避免燃料亏空,温度安全约束,系统效率优化,提高发电效率。这个是我们最近做了几千小时的一个转化到公司的发电系统测试场景,另外一个是我们做的一个1.5千瓦的系统样机。这个图是我们在去年8月份-9月份先期做了一个500小时长寿命测试,在不同工况下测试电池在系统下面的一个衰减情况和破坏性实验,怎么样看电堆系统里面怎么衰变机制。包括刚才需要解决的几个关键问题,燃料亏空,温度约束,高效率和快速的跟踪,这几个问题解决了之后我们又在2017年10月-12月做了将近54天长寿命的衰减的提供高效一个测试,这是当时我们做的一个持续抗衰减的测试,当时从400瓦-1000瓦进行变载,系统性能衰减不到2%,这个图是当时测的一个实验结果。

现在我们实验仍然在进行,如果能够测试中成功连续运行到3000小时5000小时,我们在国网也好,在铁塔也好,在这些领域有相应的示范去应用,也可以去形成一个可供商业化的系统样机。接下来要做的就是把我们的千瓦级发电系统怎么做到尽可能集约化,以及电管理这一块,因为能量密度比较高之后形成低电压大电流特性,高转化效率上面对于功率变换器,可做到95%以上。测试系统的同时,保证寿命还有一个评测、诊断、故障分析、预判,我们另一方面正在研制针对高温燃料电池的仪器,所以我们系统的测试,性能的衰减,寿命的提升,形成样机示范的同时,进行行业推广应用,还形成了测试装备评估仪器,这是我们现在正在做的一个事情。

刚才把我们团队的一些工作给各位领导和专家做了一个汇报,谢谢大家。
 
标签: 李曦 燃料电池

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