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  • 固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被公认为21世纪绿色能源技术。 武汉华科福赛新能源有限责任公司是中国目前少数有能力从事SOFC设计制造的专业厂家。

    概述

     

  • SOFC发电系统主要由电堆和外围BOP两大部分组成:多片电池串联形成一定功率输出的SOFC电堆,外围BOP主要包含供气部分、尾气回收部分、控制系统以及功率变换部分。供气部分能够管理燃料、空气流量并进行燃料处理;尾气回收部分能够将电堆未反应完的燃料进行回收,并预热系统输入的冷空气与燃料;控制系统进行系统的协调管控,在完成安全、快速负载跟踪的同时实现温度的优化管理;功率变换部分则将电堆的低电压大电流输出功率转换成日常使用的直流电或交流电,并进行能量管理。外围BOP系统的主要目标是为电堆提供稳定、理想的工作环境,让整个SOFC独立发电系统能够高效、长寿命地服役。

    原理

  • 1、发电效率高。燃料电池的能量转换效率高,不受卡诺效率限制,是目前以碳基化合物(如天然气)为燃料的燃料电池中发电效率最高的一种,发电效率超过60%,热电联供效率超过90%。
    2、清洁、环保、静音。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放;没有机械运动过程,是一种安静的发电技术。
    3、燃料使用范围广 。 可使用氢气、天然气、煤气、生物质气、烃类、醇类等碳氢化合物作为燃料。
    4、余热利用价值高。优质的余热可以用于热电联供(CHP) 。
    5、全固态的结构。可进行模块化设计和放大,还避免了液态电解质所带来的腐蚀等问题。

    优点

  • 对比

    1.AFC:与其它燃料电池相比,AFC功率密度和比功率较高,性能可靠。但它要以纯氢做燃料,纯氧做氧化剂,必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂,价格昂贵。电解质的腐蚀严重,寿命较短,这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用,不适合于民用。

     

    2.PEFC:运行温度较低(约80℃),它的启动时间很短,在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比,电流密度和比功率都较高,发电效率也较高(45%一50%(LHV)),对CO的容许值较高(<10ppm)。PEFC的余热温度较低,热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比,它具有寿命长,运行可靠的特点。PEFC是理想的可移动电源,是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前,在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场,不适合做大容量中心电站。

     

    3.PAFC:以磷酸做为电解质,可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180℃一210℃运行,燃料气和空气的处理系统大大简化,加压运行时,可组成热电联产。但是,PAFC的发电效率目前仅能达到40%一45%(LHV),它需要贵金属铂做电催化剂;燃料必须外重整:而且,燃料气中C0的浓度必须小于1%(175℃)一2%(200℃),否则会使催化剂中毒;酸性电解液的腐蚀作用,使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟,产品也进入商业化,做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源,PAFC还有市场,但用作大容量集中发电站比较困难。

     

    4.MCFC:在650℃一700℃运行,可采用镍做电催化剂,而不必使用贵重金属:燃料可实现内重整,使发电效率提高,系统简化;CO可直接用作燃料;余热的温度较高,可组成燃气/蒸汽联合循环,使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比,MCFC的优点是:操作温度较低,可使用价格较低的金属材料,电极、隔膜、双极板的制造工艺简单,密封和组装的技术难度相对较小,大容量化容易,造价较低。缺点是:必须配置C02循环系统;要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM;熔融碳酸盐具有腐蚀性,而且易挥发;与SOFC相比,寿命较短;组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比,MCFC的缺点是启动时间较长,不适合作备用电源。MCFC己接近商业化,示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看,MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。

     

    5.SOFC:电解质是固体,可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比,SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题,电池的寿命较长(已达到70000小时)。CO可做为燃料,使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右,燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高,要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比,SOFC的启动时间较长,不适合作应急电源。与MCFC相比,SOFC组成联合循环的效率更高,寿命更长(可大于40000小时);但SOFC面临技术难度较大,价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一,既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW),也可用作大容量的中心电站(>l00MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范,将使SOFC的优越性进一步得到体现。

  • 燃料电池有三大类主要市场:固定电源、交通运输和便携式电源。

     

    固定电源市场包括所有的在固定的位置运行的作为主电源、备用电源或者热电联产的燃料电池,比如分布式发电及余热供热等。固定燃料电池被用于商业、工业及住宅主要和备份能发电,它还可以作为动力源可以安装在偏远位置,如航天器、远端气象站、气压站、大型公园及游乐园、通讯中心、农村及偏远地带,对于一些科学研究站和某些军事应用非常重要。固定电源应用在燃料电池主流应用中占比最大,其中美国市场目渗透率略高,大型企业的数据中心使用量呈较明显的上升趋势。除用于发电之外,热电联产(CHP)燃料电池系统还可以同时为工业或家庭供电和供热。

     

    交通运输市场包括为乘用车、巴士/客车、叉车以及其他以燃料电池作为动力的车辆提供的燃料电池,例如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅助供电装置等,近年来,在政府扶持、丰田等厂商拉动、系统成本下降等因素带动下,汽车燃料电池应用开始爆发。

     

    便携式电源市场包括非固定安装的或者移动设备中使用的燃料电池,主要应用于军事领域。

     

    全球范围(主要是欧美日韩)内很多新能源公司已经将其产品应用到了实际的生产生活中。而我国燃料电池的实际应用尚处于摸索,萌芽阶段,产业化的程度远远落后,随着国家政策在燃料电池领域的扶持力度越来越大,燃料电池的推广应用,将迎来一个好的契机。

    应用