10.张钟平-燃料电池分布式能源发展现状及关键技术.pdf

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 /（ Wkg-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