10.张钟平-燃料电池分布式能源发展现状及关键技术.pdf-solarbe文库

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求真务实专业纯粹汇报人张钟平二 O一九年四月燃料电池分布式能源现状及关键技术华电电力科学研究院有限公司国家能源分布式能源技术研发（实验）中心目录 CONTENTS 燃料电池介绍 Introduction of Fuel Cells 01 燃料电池分布式能源 Fuel Cell Distributed Energy 02 国内外发展现状 Current Situation of Development 03 燃料电池关键技术 Key Technologies of Fuel Cells 04 工程应用分析 Application analysis 05 燃料电池介绍 Introduction of Fuel Cells 1 4 01 燃料电池介绍（ 2）燃料电池分类按照电解质类型划分燃料电池是一种不经燃烧过程而直接将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，其工作方式与常规化学电源不同，类似于汽油机或柴油机，即燃料电池的燃料和氧化剂不存储在电池内部，电池发电时燃料和氧化剂由外部装置连续不断地送入电池内部。 5 02 燃料电池分类电池类型质子交换膜燃料电池固体氧化物燃料电池熔盐碳酸盐燃料电池磷酸燃料电池碱性燃料电池导电离子氢离子氧离子碳酸根离子氢离子氢氧根离子燃料氢气、重整净化气氢气、重整净化气氢气、重整净化气氢气、重整净化气纯氢比功率 /（ W·kg-1） 340-3000 15-20 30-40 120-180 150-200 发电效率 40-60 50-60 45-60 37-42 60-70 启动时间 30min 30min 几分钟几分钟寿命水平 /h 分布式发电 80000；管式 80000；板式80000 20000 40000 8000 应用领域分布式电站、移动电源、汽车、潜艇分布式供电分布式供电分布式供电航天按照电解质类型划分燃料电池主要有以下几大类碱性燃料电池（ AFC）、磷酸型燃料电池（ PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（ MCFC）、质子交换膜燃料电池（ PEMFC）、固体氧化物燃料电池（ SOFC）等。 6 03 燃料电池产业模式传统燃料（煤炭、石油等）生物质（甲烷、甲醇等）氢气（煤电制氢可再生能源制氢核电制氢天然气发电制氢）燃料电池 PEMFC SOFC DMFC AFC MCFC PAFC 固定式电源 1、一次能源，热电联产（居民、商业、工业供电） 2、备用电源交通用电源 1、汽车、客车 2、航空器 3、卡车、火车燃料范围广应用市场大燃料电池分布式能源 Fuel Cell Distributed Energy 2 8 01 燃料电池热电联供系统分布式能源是一种位于用户侧，优先满足用户需求，发电总装机规模较小，能源综合效率高，而燃料电池热电联产分布式能源应用更广、效率更高。微型家庭燃料电池供能系统商业和工业用户燃料电池供能系统燃料电池热电联供系统燃料电池供能站 9 02 燃料电池分布式能源对比项目燃料电池微型燃气轮机内燃机单机容量（ kW） 1-300 25-300 0.005-10000 发电效率 50-60 25-30 21-42 综合效率 80-95 60-80 80 热电比 0.5-1.0 1.4-2.0 0.83-2.0 噪音（ 1m 处） /dB 85 60 寿命 /h 10000-80000 45000 30000-60000 启动时间 30s-2d 60s 10s 应用场合家用、分布式微小型发电系统百千瓦及以上冷热电联供系统楼宇分布式能源系统燃料电池与传统分布式能源对比 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 燃料电池与传统发电效率对比 10 03 燃料电池分布式能源优点仅发电效率可达到 5060％ . 氮氧化物排放量低于 0.002‰，硫氧化物排放量低于 0.001‰ 燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气和天然气变负荷率可达到每分钟 8％ 10％小型高效，供电可靠模块设计，结构紧凑能量转化率高环境保护性多种燃料变负荷率高低噪声模块灵活配置在距发电设备 1 m处噪声小于 60dB（ A）按照电解质类型划分综合对比燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化、电力质量好等突出特点，是理想的分布式能源国内外发展现状 Current Situation of Development 3 12 01 国内燃料电池发展（ 2）燃料电池分类按照电解质类型划分中国的燃料电池研究始于 1958年，但研究与市场应用进展缓慢，燃料电池总体技术水平和应用来看，与发达国家尚有较大差距。 2014年，国务院办公厅印发的能源发展战略行动计划 2014-2020年、国家发改委能源技术革命创新行动计划（ 2016-2030年）、能源技术革命重点创新行动路线图、能源局中国制造 2025能源装备实施方案等提出燃料电池作为重点发展领域，包含燃料电池技术创新、燃料电池分布式发电、燃料电池汽车等。 13 02 世界燃料电池发展根据 BP 预测显示世界氢能市场规模在 2020 年将超过 10 万亿日元，在 2050 年将达 160 万亿日元。美国能源局在最新的预测中表明燃料电池市场规模将以每年 10的增长率发展，到 2022 年将是 2017 年规模的两倍。商业和工业用燃料电池的市场开拓，北美地区最为发达，其次是韩国，他们将燃料电池发电作为国家政策。世界氢能市场规模预测商业和工业用燃料电池市场预测 14 2017 年日本发布了 2030-2050年氢能发展目标，到 2030 年实现氢燃料发电商业化。而分布式发电领域，日本目标是使家用燃料电池，发电时产生的废热用来烧水，供泡澡和地暖使用，总能量效率超过 90，预计在 2020 年达到 140 万台，在 2030 年达到 530 万台，约占 10的家庭。经 BP预测 2020 年系统投资在 7-8年内回收，到 2030年时投资可在 5 年内回收。世界家用燃料电池预测日本燃料电池系统 02 世界燃料电池发展 -日本 15 美国是世界上较早研究燃料电池国家， 1992年开始美国能源部就拨款数十亿美元用于燃料电池的研制和开发， 2000年的悉尼奥运会通用汽车用液氢作燃料电池汽车作为运动场工作车。 Plug Power公司也是最大的燃料电池叉车公司，该公司迄今已向市场提供了超过 25000个燃料电池，运行时间超过 1.8亿小时。美国 FuelCell Energy公司是全球领先的燃料电池供应商，该公司于 2018年 11月，签署德比镇布置一个 14.8兆瓦的燃料电池，在全球已经安装部署了超过 300 MW的发电设备。德国的 Siemens、 DomierGmbH及 ABB研究公司致力于开发千瓦级平板式 SOFC发电装置。 ebay总部 Bloom Energy燃料电池西门子燃料电池系统 Plug Power30kW氢燃料发电机 03 世界燃料电池发展 -欧美国家 16 04 燃料电池分布式能源部分项目厂商燃料电池类型功率 /（ MW）案例 Nedstack 质子交换膜 2 2016年，中国营创三征清洁利用，联合荷兰 Nedstack[7]和 MTSA 等公司建设 2 MW 1 2012年，比利时 Solvay化工集团 Hydrogenics 质子交换膜 1 2013年，德国 EON公司欧盟 P2G示范项目 Ballard 质子交换膜 1 2012年，丰田美工总部分布式发电示范项目斗山能源磷酸燃料电池 1.6 2010年，美国 COX通信电缆公司 700W生物质气清洁发电浦项制铁熔盐碳酸盐 360 韩国平泽旅游园区和浦升工业园区大规模供电供热项目 Fuel Cell Energy 熔盐碳酸盐 5.6 2016年，美国辉瑞制药研发中心项目 Bloom Energy 固体氧化物 1 2013年，本田美国总部 200kW分布式电站燃料电池关键技术 Key Technologies of Fuel Cells 4 18 01 电堆材料与装备关键技术电解质具备热力学稳定、体积稳定、致密性以及有足够的机械强度等特性，电解质的特性很大程度上决定了燃料电池的特性。电池堆材料主要包括连接体材料、密封材料和界面材料。连接体对金属材料的一般要求是抗氧化性、导电性、高温机械强度、热膨胀系数匹配以及与相接触材料间的化学相容性等等。在密封材料方面，需解决电池组件热膨胀系数匹配问题和密封的成功率等难题，使电池堆的冷热循环实现平衡，要求和相邻组元间不发生化学反应和内部扩散。 19 02 系统管理技术供气管理系统、水管理系统和控制管理系统。燃料电池的耐久性是很关键的指标。要提高耐久性，一方面要提高材料和关键部件的可靠性；另一方面是控制技术，制定并优化燃料电池启停、动态工况、动力电池匹配及水热管理的控制策略。启动准备逻辑启动点火控制逻辑 20 03 系统测试技术测试燃料电池是研究开发过程中必不可少的重要环节，其目的是评估相关部件的材料、设计和性能，为进一步优化单电池和电堆综合性能提供依据，同时国内缺少相关标准和规程。单电池测试，主要是评估单电池的材料、性能和衰减速率；评估连接体材料和密封材料的性能以及各界面之间的结合情况。在测试的过程，将判断工作温度、气体成分、气流量、电流密度、热循环、燃料利用率等多个参数对性能的作用机制，并探索出提高热循环和稳态寿命的方法。电堆和系统测试，主要是评估部件间的连接情况和相互适应、连接体和气体流场的设计、热循环特性以及长时间性能衰减速率。工程应用分析 Application analysis 5 22 01 国家能源分布式能源研发中心（ 2）燃料电池分类按照电解质类型划分华电电力科学研究院有限公司国家能源分布式能源研发中心，建设完成一套 25kW固体氧化物燃料电池发电系统，主要包含电池堆、 BOP热换系统、汽化器、燃料除硫系统、控制系统和并网系统等，发电效率超过 50。 25kW固体氧化物燃料电池发电系统分布式能源研发中心 23 额定工作参数发电功率（ MAX） 25kW 堆区发电效率 50 OCV 730～ 780V 额定功率输出工作电压 600V，工作电流 38A。电堆燃料管路天然气 78SLM； 0.2～ 0.4MPa。电堆空气流量 2000SLM；背压 1025kPa。水去离子水， 240ml/min。外接电源 AC380V,三相五线 ,安装容量 10kW。排气参数室外或无背压环境，设计排气温度 150℃ ，成分 H₂O、 CO2、 N₂、 O₂。无保温，会快速冷却，由水凝结问题。燃料电池 SOFC额定工作参数 02 设计参数 24 燃料电池燃料供给管路燃料电池供水系统燃料电池供气系统 03 系统连接 25 燃料电池启动燃烧器流程启动燃烧器连接启动燃烧器布置 03 系统连接 26 并网运行状态燃料电池并网逆变器 04 发电并网 27 05 系统全过程测试燃料电池不同输出功率下参数分析 28 06 系统总结（ 2）燃料电池分类分析结果表明（ 1）输出功率受燃料电池多个内部参数和条件影响，存在控制策略多样化及不确定性的特点；（ 2）燃料电池在输出功率为额定功率的 70及以上时，发电效率可达 40以上，额定功率下发电效率近 60；（ 3）重整甲烷流量、水蒸汽流量与温度、空气流量等参数直接影响燃料电池的输出特性；求真务实专业纯粹谢谢