固體氧化物燃料電池在天然氣市場(chǎng)開發(fā)應(yīng)用的探討

摘 要

摘要：分析、介紹了固體氧化物電池(Solid Oxide Fuel Cell簡(jiǎn)稱SOFC)的發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)，并對(duì)其工作原理及效率進(jìn)行分析，最后對(duì)固體氧化物燃料電池在天然氣市場(chǎng)的開發(fā)應(yīng)用提出了一
摘要：分析、介紹了固體氧化物電池(Solid Oxide Fuel Cell簡(jiǎn)稱SOFC)的發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)，并對(duì)其工作原理及效率進(jìn)行分析，最后對(duì)固體氧化物燃料電池在天然氣市場(chǎng)的開發(fā)應(yīng)用提出了一點(diǎn)建議。
關(guān)鍵詞：固體氧化物燃料電池；效率；天然氣應(yīng)用
The Research on the SOFC in the Natural Gas Market
Ningbo Xingguang Gas Company Jin Xingqun
Abstract：This article analyzes the development and the characteristics of SOFC，its working principle and efficiency are also analyzed.Lastly，some protection suggestions are put forward into SOFC in the Natural Gas Market.
Keywords：SOFC；Efficiency；the Application of Gas
1 引言
   近幾年來，有關(guān)天然氣分布式供能(冷熱電三聯(lián)供)應(yīng)用是比較熱門的話題，其主要設(shè)備也集中在內(nèi)燃機(jī)、微燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等機(jī)械設(shè)備，絕少涉及燃料電池這一領(lǐng)域。其實(shí)固體氧化物燃料電池的高發(fā)電效率(理論可達(dá)60%)及高排氣溫度(可達(dá)800℃)，可能更適合在天然氣冷熱電三聯(lián)供方面的應(yīng)用。盡管燃料電池的研發(fā)和應(yīng)用有較長(zhǎng)的歷史，但對(duì)我們從事燃?xì)庑袠I(yè)的工作人員而言，燃料電池則是較為前沿的概念。本文將結(jié)合近幾年來筆者對(duì)燃料電池，特別是同體氧化物燃料電池的學(xué)習(xí)和了解，對(duì)同體氧化物燃料電池在天然氣市場(chǎng)的開發(fā)和應(yīng)用方面作些介紹及探討，以拋磚引玉。
2 固體氧化物燃料電池發(fā)展的基本情況
    燃料電池除了同體氧化物燃料電池(SOFC)外，還有熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)，堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等類型，因此要了解固體氧化物燃料電池的發(fā)展情況及特點(diǎn)，應(yīng)同時(shí)了解燃料電池的一些基本情況。
2.1 世界各國燃料電池研發(fā)情況
    美國是研發(fā)燃料電池最早的國家，早在上世紀(jì)60年代的美國國家航空航天局(簡(jiǎn)稱NASA)就開始將燃料電池作為航天器的動(dòng)力源。日本對(duì)燃料電池的研發(fā)也有30多年的歷史，特別是近幾年成果顯著，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)在家庭方面的應(yīng)用已商業(yè)化。歐洲各國研發(fā)燃料電池的歷史雖然較美國和日本短，但進(jìn)步很快，多個(gè)項(xiàng)目已開始進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用方面的示范演示。
    我國的燃料電池研制開發(fā)起步并不晚，但進(jìn)展緩慢。上世紀(jì)70年代，為配合航天事業(yè)的發(fā)展，我國在堿性燃料電池方面取得了一定進(jìn)步，但到上世紀(jì)80年代由于資金原因研發(fā)放慢，直至90年代又開始新一輪的研發(fā)及商業(yè)嘗試。
2.2 固體氧化燃料電池發(fā)展概況
    當(dāng)今世界隨著能源和環(huán)境的壓力越來越大，世界各國積極發(fā)展固體氧化燃料電池，SOFC的商業(yè)化進(jìn)程正在加速實(shí)施，以下是部分建成的SOFC燃料電池廠。
    美國Westinghouse公司1998年前建成11套3kW～25kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)；
    美國Westinghouse公司1999年建成2套100kW管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；
   德國Siemens Westinghouse公司2002年建成220kW SOFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；
   德國Siemens Westinghouse公司2003年建成250kW SOFC示范電廠；
   德國Siemens Westinghouse公司2003年建成4座5kW SOFC電廠；
    日本三菱重工1991年成功示范1kW SOFC電池堆；
    日本三菱重工1993年成功示范新型1kW SOFC電池堆；
    日本三菱重工1998年示范10kW SOFC系統(tǒng)；
    日本三菱重工2001年成功示范10kW加壓管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；
    日本JGU公司1995年支持示范的25kW SOFC發(fā)電裝置；
    瑞士Sulzer Hexis公司2001年起400套1kW生物質(zhì)SOFC發(fā)電系統(tǒng)；
    美國ZTEK公司1995年示范運(yùn)行1kW平板式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；
    美國ZTEK公司1998年示范運(yùn)行25kW平板式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；
    中國上海硅酸鹽研究所示范的5kW平板式中溫SOFC電廠；
    中國科學(xué)院過程工程所示范的列管式不密封無聯(lián)接極SOFC發(fā)電系統(tǒng)。
3 固體氧化物燃料電池(SOFC)的特點(diǎn)
    相對(duì)于其他燃料電池而言，固體氧化物燃料電池有其優(yōu)點(diǎn)，但作為一種還有待于進(jìn)一步成熟的技術(shù)，缺點(diǎn)也是明顯的。
3.1 固體氧化物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)
    首先，發(fā)電效率高和能源綜合利用程度高是其最顯著的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)多種文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，固體氧化物燃料電池的發(fā)電效率最高可達(dá)60%。即使扣除各種損耗，45%～55%的發(fā)電效率也是目前現(xiàn)有的各種分布式能源發(fā)電系統(tǒng)中最高的。目前只有最先進(jìn)的大型集中式發(fā)電系統(tǒng)的效率能夠超越固體氧化燃料電池。同時(shí)固體氧化物燃料電池所產(chǎn)生的廢熱非常清潔，基本上就是水蒸氣和熱空氣，而且廢熱的溫度很高，如此高品位的廢熱可進(jìn)行冷熱電聯(lián)產(chǎn)，或者與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)用，總能量轉(zhuǎn)化效率可進(jìn)一步提升至80%～90%。
    其次，燃料適應(yīng)性廣。對(duì)固體氧化物燃料電池而言，它的燃料來源比較廣，氫氣、天然氣、水煤氣、液化石油氣以及沼氣等皆可作為其燃料。另外甲醇、乙醇甚至汽油、柴油等高碳鏈的液體燃料也可作為燃料。當(dāng)然這些燃料也不是直接就可以使用，需要對(duì)這些原料進(jìn)行重整。但由于固體氧化物燃料電池可使用含有C0的燃料，因此無論對(duì)燃料的要求還是對(duì)重整系統(tǒng)的要求都不如質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)嚴(yán)格。對(duì)于已在城市和工業(yè)區(qū)都相當(dāng)普及天然氣管道來說，固體氧化物燃料電池適應(yīng)性更強(qiáng)。
    環(huán)保也是一大特點(diǎn)。由于固體氧化物燃料電池可以使用脫硫等處理后的天然氣作為燃料，以天然氣為原料的電化學(xué)反應(yīng)其產(chǎn)物只有C02和H20，因此不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。另外固體氧化物燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，與燃?xì)廨啓C(jī)不同，其內(nèi)部沒有任何活動(dòng)部件，不會(huì)發(fā)出任何噪聲。通過盡量降低其它動(dòng)力裝置(如泵等)的噪聲與振動(dòng)后，SOFC系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的噪聲和振動(dòng)是非常低的。
    模塊化也是燃料電池的一大特點(diǎn)。與燃?xì)廨啓C(jī)等不同，燃料電池的發(fā)電效率不隨規(guī)模的變化而變化，也就是說幾千瓦的燃料電池的發(fā)電效率與幾兆瓦的燃料電池的發(fā)電效率是一樣的。燃料電池廠家可以生產(chǎn)出幾種標(biāo)準(zhǔn)的燃料電池模塊，然后根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行自由靈活的組合。
3.2 固體燃料電池的缺點(diǎn)
作為還沒有商業(yè)化的技術(shù)，技術(shù)沒有完全成熟是最大的不足，同時(shí)由于沒有形成批量生產(chǎn)，這也帶來了單位千瓦造價(jià)的居高不下。從表1可以了解各類燃料電池的一般特點(diǎn)。
表1 各類燃料電池的一些特點(diǎn)比較
選項(xiàng)
SOFC
(固體氧化物)
MCFC
(熔融碳酸型)
AFC
(堿液型)
PAFC
(磷酸型)
PEMFC
(質(zhì)子交換膜)
優(yōu)點(diǎn)
1、燃料適應(yīng)性廣；
2、采用非貴金屬作為催化劑；
3、高品位余熱可用于熱電聯(lián)供；
4、模塊化；
5、較高的功率密度。
1、燃料適應(yīng)性
2、使用非貴金屬催化劑；
3、高品位余熱可用于熱電聯(lián)供。
1、陰極性能得到改善；
2、可以不使用貴金屬作為催化劑；
3、材料成本低，電解質(zhì)成本非常低廉。
1、電解質(zhì)價(jià)廉，使用酸性的電解液；
2、能夠直接使用烴類化合物轉(zhuǎn)換的含有C02的富氫氣體作為燃料；
3、技術(shù)成熟可靠性
高，長(zhǎng)期運(yùn)行性能好。
1、所有燃料電池中功率密度最高；
2、較好的起停能
力；
3、低操作溫度使其更適應(yīng)便攜式應(yīng)用。
缺點(diǎn)
1、材料在高溫下運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一系列問題；
2、密封問題；
3、電池部件制造成本高。
1、C02必須再循環(huán)：
2、熔融碳酸鹽電
解質(zhì)具有腐蝕性；
3、退化/壽命問題；
4、材料昂貴。
1、必須使用純的H2和02；
2、需周期性地更換KOH電解質(zhì)；
3、必須從陽極及時(shí)除水；
4、電鋸質(zhì)容易C02中毒。
1、效率只有40%；
2、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)；
3、鉑催化劑昂貴；
4、對(duì)C0和S中毒敏感；
5、電解質(zhì)是有腐蝕性的液體，運(yùn)行時(shí)必須及時(shí)補(bǔ)充電解質(zhì)。
1、采用昂貴的鉑催化劑；
2、聚合物膜和輔助組件昂貴；
3、經(jīng)常需要水管理；
4、非常差的C0和S容許度。
造價(jià)(包括安裝費(fèi)用，美元/kW)
3000
2600
2700
2100
1400
4 固體氧化燃料電池的工作原理及效率分析
4.1 工作原理
    固體氧化物燃料電池的工作原理是通過燃料與空氣的電化學(xué)反應(yīng)而非燃燒直接獲得電能。固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質(zhì)(electrolyte)、陽極或燃料極(anode，fuel electrode)、陰極或空氣極(cathode，air electrode)和連接體(interconnect)或雙極板(bipolar separator)組成。陽極為燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。
工作時(shí)，在固體氧化物燃料電池的陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)?2-，在化學(xué)勢(shì)的作用下，02-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極，如圖1所示。

4.2 能量利用效率分析
    對(duì)于燃料電池，以燃料的化學(xué)反應(yīng)的熱焓的減少(-△H)來代表輸入能量，以吉布斯自由能的減少(-△G)作為獲得的最大電能，于是對(duì)于任何固體氧化燃料電池體系的熱力學(xué)效率可以用下式來表示：
    η電池=△G/(-△H)    (1)
    標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃料氣體氧化反應(yīng)的吉布斯自由能變(△G)和焓變(△H)可以查相關(guān)資料，下表列出了一些常見燃料電池燃料的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，從表2也可以看出燃料電池的熱力學(xué)效率非常之高，而熱機(jī)由于受到卡諾定理的限制，即使工作溫度在800%時(shí)其熱力學(xué)效率也只有46%，說明燃料電池在理論上具有很大的效率優(yōu)勢(shì)。
    而圖2列舉了上述3種燃料氣體在不同溫度下的熱力學(xué)理論效率，以CH4為燃料的SOFC效率隨反應(yīng)溫度的升高而升高，并幾乎達(dá)到100%的效率。
5 固體氧化燃料電池應(yīng)用的一些思考
    由于太陽能、風(fēng)能等新能源總量受到一定限制，在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間仍然會(huì)以化石燃料作為主要的能源。隨著化石燃料的逐漸減少，提高能源的利用效率成為能源產(chǎn)業(yè)的一個(gè)主要發(fā)展方向。從能源利用效率上來講，固體氧化物燃料電池技術(shù)是一種被公認(rèn)為理論效率和實(shí)際效率均最高的發(fā)電技術(shù)。從其所使用的燃料上來講，固體氧化物燃料電池可以大量使用煤制合成氣、城市管網(wǎng)天然氣等主要化石燃料，是一種典型的主力能源技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展無論是作為分布式能源還是集中式能源，均有利于主力能源產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，并帶動(dòng)一批配套產(chǎn)業(yè)。
    固體氧化物燃料電池本身是以電化學(xué)反應(yīng)取代燃燒，幾乎不產(chǎn)生NOx、SOx和其他污染物質(zhì)，內(nèi)部也沒有任何活動(dòng)部件，不會(huì)發(fā)出任何噪聲。與傳統(tǒng)的火電機(jī)組相比，C02排放量可減少40%～60%，是名副其實(shí)的清潔能源生產(chǎn)方式。大規(guī)模應(yīng)用固體氧化物燃料電池可以有效改善目前火力發(fā)電對(duì)環(huán)境污染大的狀況。
固體氧化物燃料電池由于其本身具備的良好的熱力學(xué)特性(高發(fā)電效率和高排熱溫度)，可能使其比內(nèi)燃機(jī)更易開發(fā)天然氣。應(yīng)當(dāng)說，50%的發(fā)電效率將為高價(jià)天然氣的應(yīng)用提供切實(shí)支撐。而800%左右的高品位尾氣，比內(nèi)燃機(jī)400%。500%排煙具有更加廣泛的適用性。800%左右的高品位尾氣不但可以轉(zhuǎn)換成冷和熱，進(jìn)行冷熱電三聯(lián)供，而且可以供有些工業(yè)中的烘烤工藝使用。這樣，尾氣就變成了產(chǎn)品，對(duì)固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的推廣應(yīng)用極其有利。表3對(duì)SOFC可能應(yīng)用作了簡(jiǎn)單的歸納。
 
    當(dāng)然，以上的應(yīng)用基于SOFC燃料電池技術(shù)完全成熟并得到推廣應(yīng)用，而這將有賴于燃料電池系統(tǒng)整體技術(shù)的解決，比如燃料電池的壽命和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的控制等關(guān)鍵技術(shù)。
6 總結(jié)
    作為天然氣的高效利用系統(tǒng)，固體氧化物燃料電池系統(tǒng)雖然還處在示范階段，但其理論上的優(yōu)勢(shì)及當(dāng)前演示過程顯示出的高效性，可以預(yù)見在國家建設(shè)智能電網(wǎng)、節(jié)能減排的背景下，固體氧化物燃料電池將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，但就當(dāng)前而言，還有政策(如與電網(wǎng)的并網(wǎng)、上網(wǎng)問題)、資金、觀念、技術(shù)等很多困難有待克服。
參考文獻(xiàn)
1 哈特科普夫，潘毅群，吳剛等.固體氧化燃料電池在建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào).2003.1
2 王剛，朱承飛，薛金華等.固體氧化物燃料電池的效率分析[J].電源技術(shù).2008.6
3 倪維斗.清華大學(xué)燃料電池講座.2009.7
4 固體氧化物燃料電池的發(fā)展.今日材料所.2011.1
 
(本文作者：金醒群 寧波興光燃?xì)饧瘓F(tuán)公司 315000)