華能清能院：高溫燃料電池可實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供 熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供效率能達(dá)90%以上

北極星儲能網(wǎng)訊:燃料電池為什么要搞中高溫的燃料電池，低溫的質(zhì)子膜燃料電池對燃料的要求比較高，純度要求很高，對內(nèi)部的硫，鹵化物和粉塵要求比較高，最核心的還是要用鉑作為催化劑，非常昂貴，還一個是壽命和造價這方面的需求，所以都在開發(fā)中高溫的燃料電池，中高溫的燃料電池主要有兩種，一種是熔融碳酸鹽燃料電池，一種是固體氧化物燃料電池，應(yīng)該說這化學(xué)過程里有一條普遍的規(guī)律，在溫度和催化劑之間的選擇。

高溫燃料電池在400度以上運(yùn)行，可以實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供，發(fā)電效率也都可以達(dá)到50%以上，甚至最高的可以達(dá)到65%以上，熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供效率可以達(dá)到90%以上，這是常規(guī)發(fā)電方式里很難達(dá)到的。

為推動氫能創(chuàng)新、探索技術(shù)應(yīng)用，11月9日，由北京未來科學(xué)城氫能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新平臺主辦的首屆北京未來科學(xué)城氫能與燃料電池技術(shù)發(fā)展大會順利召開，會上華能集團(tuán)清潔能源研究院有限公司董事長許世森做了題為“高溫燃料電池發(fā)電技術(shù)進(jìn)展”的專題報告。

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以下為發(fā)言實錄：

給各位介紹一下關(guān)于燃料電池里中高溫部分的內(nèi)容。制氫這塊前面很多專家都講了，我不講了。研發(fā)的背景也不講了，因為前面幾位專家都講了很多，直接講燃料電池這塊。

燃料電池為什么要搞中高溫的燃料電池，前面幾位專家也講到了，低溫的質(zhì)子膜燃料電池對燃料的要求比較高，純度要求很高，對內(nèi)部的硫，鹵化物和粉塵要求比較高，最核心的還是要用鉑作為催化劑，非常昂貴，還一個是壽命和造價這方面的需求，所以都在開發(fā)中高溫的燃料電池，中高溫的燃料電池主要有兩種，一種是熔融碳酸鹽燃料電池，一種是固體氧化物燃料電池，應(yīng)該說這化學(xué)過程里有一條普遍的規(guī)律，在溫度和催化劑之間的選擇，低溫下要實現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，必須要有比較特殊的催化劑，還有一條途徑就是提高反應(yīng)的溫度，溫度提高以后，對催化劑的要求就會適當(dāng)?shù)慕档停匀魏问虑槎际怯写鷥r的，溫度提高有溫度提高的問題，溫度越高，催化劑的要求越低，但是溫度越高帶來運(yùn)行、開發(fā)包括一系列的問題，高溫燃料電池也有高溫燃料電池的問題。

它的優(yōu)勢就是燃料的適應(yīng)性比較好，現(xiàn)在有一個概念叫氫能和燃料電池，往往我們把氫能和燃料電池放在一起，這里可能特指的還是低溫的燃料電池。低溫的燃料電池和氫能之間是密不可分的，但實際上高溫燃料電池并不是依賴氫，所以剛才前面幾位專家都講到了，制氫、儲氫、運(yùn)氫還有很多障礙，但是高溫燃料電池可以直接運(yùn)用天然氣含氫的燃料，沼氣、甲醇，氫也是最好的原料，這是它的優(yōu)勢。

高溫燃料電池在400度以上運(yùn)行，可以實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供，發(fā)電效率也都可以達(dá)到50%以上，甚至最高的可以達(dá)到65%以上，熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供效率可以達(dá)到90%以上，這是常規(guī)發(fā)電方式里很難達(dá)到的。另外可以用廉價的化石燃料，最便宜的化石燃料就是煤，煤基的化石發(fā)電，應(yīng)該是高溫燃料電池推動的主要的動力，天然氣的高溫燃料電池應(yīng)該是最先的。日本的戰(zhàn)略思考值得我們國家值得借鑒，我們知道日本沒有能源，所以它在提高能效，能源的選擇，包括技術(shù)路線的選擇方面，它考慮的更加深入、更加長遠(yuǎn)，從目前低碳經(jīng)濟(jì)或者是減排二氧化碳的方向，節(jié)能的角度，應(yīng)該說日本把未來提高化石燃料發(fā)電的效率作為它未來不斷追求的目標(biāo)，同時也要實現(xiàn)二氧化碳的低成本的富集，把希望都寄托在高溫燃料電池發(fā)電方向，希望進(jìn)一步提高效率，進(jìn)一步降低造價和降低二氧化碳的成本。應(yīng)該說在左邊的方式上看，高溫的燃料電池，不管是熔融碳酸鹽的燃料電池還是固體氧化物燃料電池，應(yīng)該說在發(fā)電效率方面還是有它突出的優(yōu)勢，這也是這種發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)的動力所在。

關(guān)于二氧化碳這些年我們也做了這方面的工作，常規(guī)化石燃料發(fā)電系統(tǒng)里的二氧化碳的補(bǔ)及和處理成本是很高的，既然用了廉價的化石燃料，但是又排放出大量的二氧化碳，二氧化碳要把它再補(bǔ)及回收處理要花很大的代價。高溫燃料電池有一個關(guān)于二氧化碳低成本富集的功能，在800度以下，400度以上，這個區(qū)間運(yùn)行的時候，反應(yīng)發(fā)電的時候，不產(chǎn)生或者少產(chǎn)生NOx，在化石燃料不產(chǎn)生NOx的情況下，它可以實現(xiàn)二氧化碳的低成本的富集，因為在反應(yīng)過程中最后生成就是水和二氧化碳，把后面的尾氣一冷卻，二氧化碳自己就富集起來。剛才提到熱電聯(lián)供的系統(tǒng)就可以做到，這和所有的化石燃料相比，未來處理二氧化碳的成本是最低的。另外降低空間的成本很大，由于用貴金屬作為催化劑，現(xiàn)在降成液氫合金甚至還有更廉價的技術(shù)氧化物作為催化劑，所以它不存在降低成本的障礙，只要批量化，只要大家都在開發(fā)，成本一定能夠降下來，電力工業(yè)，尤其是發(fā)電，我相信很多工業(yè)過程都證明了這一點。另外，燃料的適用范圍非常廣泛，還有就是現(xiàn)在更多的適應(yīng)于模塊化，靈活性的建設(shè)，現(xiàn)在集中式的，大機(jī)組，集中式的發(fā)電方式經(jīng)過我們國家40多年的改革開放發(fā)展階段以后，更多的需要就是分布式，靈活式的供電供冷和供氣的方式，燃料電池，高溫燃料電池會發(fā)揮它特有的優(yōu)勢，同時它具有負(fù)荷響應(yīng)，跟蹤負(fù)荷非常好的匹配的效率。比如一千瓦的燃料電池發(fā)電機(jī)組或者是發(fā)電模塊，凈效率和百萬等級的超超臨界，最先進(jìn)煤電機(jī)組的效率是相當(dāng)?shù)?，過去我們只能是把機(jī)組做大，才能獲得高效率，現(xiàn)在用燃料電池這種方式，可以在靈活性能，分散式上仍然獲得比較高的效率，這是高溫燃料電池未來應(yīng)用前景。同時，也可以與可再生能源和發(fā)電聯(lián)合應(yīng)用，避免季節(jié)性的調(diào)節(jié)，包括季節(jié)性的棄風(fēng)、棄電、棄光中間的轉(zhuǎn)化裝置。

分布式發(fā)電里面，現(xiàn)在市場上用的比較多的還是內(nèi)燃機(jī)，我們知道備用電源，過去備用電源是內(nèi)燃機(jī)，柴油發(fā)動機(jī)，噪聲非常大，NOx排放也非常高，效率非常低，現(xiàn)在已經(jīng)在很多地方很難適用，微型燃?xì)廨啓C(jī)和中小型燃?xì)廨啓C(jī)也有相關(guān)的問題，一個是容量的問題，還有噪聲的問題，同時也有響應(yīng)的問題，比較而言未來高溫燃料電池在熱電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)里會發(fā)揮越來越重要的作用。

這是現(xiàn)在應(yīng)用的情況，左邊的圖是韓國引進(jìn)的項目，特點就是模塊化，隨著園區(qū)負(fù)荷的增加布置電源，右邊這個是美國的電站，應(yīng)該說現(xiàn)在在國外這種分布式的發(fā)電方式已經(jīng)得到了商業(yè)推廣的應(yīng)用。在固體氧化物方面，在美國、歐洲，包括國內(nèi)應(yīng)該說在這方面也有很重要的進(jìn)展，下午有很多的報告會講到，這里要提一下這家公司，BloomEnergy，在SOFC上面是重要的后起之秀，最標(biāo)志性的就是實現(xiàn)了商業(yè)化，2018年就開始進(jìn)行公開的募股，說明這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展是呈現(xiàn)了良好的狀態(tài)。

前面專家也都提到了家用的，包括日本、歐洲、美國家用的燃料電池，熱電聯(lián)供的系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。大型的固定電站現(xiàn)在也在發(fā)展，應(yīng)該說未來從小到大，發(fā)展的前景還是發(fā)展廣闊的。更大型以后，和一些微型燃機(jī)要進(jìn)行競爭，應(yīng)該說燃料電池發(fā)電系統(tǒng)有它比較合適的應(yīng)用范圍，比方說我們認(rèn)為100兆瓦以下，幾百千瓦到100兆瓦或者50兆瓦以下，有它特殊的意義。熔融碳酸鹽燃料電池是目前實現(xiàn)商業(yè)化程度最高，規(guī)模最大的一種燃料電池，最著名的還是美國Fuelcell這家公司。關(guān)于在熱電聯(lián)產(chǎn)混合發(fā)電，整體煤氣化熔融等方面都有應(yīng)用?，F(xiàn)在國際上也正在開發(fā)剛才說的吃天然氣、沼氣，甚至煤氣化的系統(tǒng)，核心就是要組成一個聯(lián)合循環(huán)的熱電聯(lián)供的系統(tǒng)，發(fā)電效率已經(jīng)達(dá)到了60%，熱電聯(lián)供效率達(dá)到了90%以上。組成一個大的系統(tǒng)，和交通能源用的燃料電池相比，固定電站不追求比功率，就是單位體積和單位重量的功率，所以它可以進(jìn)行系統(tǒng)方面進(jìn)一步的研究和開發(fā)延伸，目標(biāo)是提高效率，延長壽命，降低造價，在這方面現(xiàn)在提升的空間還是比較大的，研究的潛力也是比較大的。

煤基是未來一個非常重要的方向，現(xiàn)在先用天然氣，先用潔凈的燃料，未來還是要開發(fā)煤基的，美國在方面也是走的比較先進(jìn)，在2003年在美國一家IGCC電站建成了IGFC發(fā)電系統(tǒng)，由于后來美國頁巖氣革命以后，帶來了美國天然氣價格的降低，這些技術(shù)的發(fā)展受到了一些限制，但是從美國的戰(zhàn)略看，對這些技術(shù)還是非常重視的。

下面簡單介紹一下我們在這方面做的工作，未來科學(xué)城的創(chuàng)新平臺，華能或者電力系統(tǒng)在燃料電池方面著手還是比較早的，1996年當(dāng)時國家電力部就在研究這方面的方向，當(dāng)時有幸參與這方面的研究，實際上現(xiàn)在走過來也有好幾個五年計劃，這些年走下來還是非常艱辛，燃料電池可能在座的都有同感，燃料電池技術(shù)發(fā)展還是非常難的。另外，西方國家是嚴(yán)格封鎖，合作起來也非常難，但是走過了這些年以后，我們現(xiàn)在主要還是瞄準(zhǔn)熔融碳酸鹽燃料電池方向，能把這個技術(shù)開發(fā)出來，我們認(rèn)為也是不錯的，但是難度還是挺大的，確實沒有其他的精力開發(fā)其他的固體氧化物的燃料電池，當(dāng)然我們有別的團(tuán)隊在開發(fā)。目前已經(jīng)開發(fā)出來10千瓦的基準(zhǔn)堆，同時也在組建100千瓦的單元，現(xiàn)在從材料、膜電極、電解質(zhì)，包括電池堆的組裝，電池系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行，形成了自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)?？梢赃@樣講，熔融碳酸鹽燃料電池，我們團(tuán)隊或者我們國家掌握了最核心的技術(shù)，當(dāng)然跟國外還是有比較大差距，我們認(rèn)為差距是在規(guī)模，在長周期的考驗，現(xiàn)在技術(shù)指標(biāo)我們認(rèn)為應(yīng)該是可以達(dá)到國際上的水平。這是我們開發(fā)的一些東西，10千瓦的堆是我們國內(nèi)第一個，這個是一些試驗的情況。成本的分析是這樣，我們認(rèn)為未來幾年應(yīng)該是可以降到每千瓦8000塊錢以下，因為我們所有的材料都是自主掌握以后，未來是可以實現(xiàn)的，如果我們現(xiàn)在做了一個跟微型燃機(jī)或者跟柴油發(fā)電機(jī)相比較作為分布式發(fā)電，在8000塊錢以下是具有競爭力的，主要原因是它的效率比柴油內(nèi)燃機(jī)高，另外就是NOx和靜音的優(yōu)勢，實際上在比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，京津冀，包括長三角、珠三角一帶還是有廣闊的應(yīng)用前景。

另外，我們跟國家能源集團(tuán)，包括在座很多單位合作，承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃，這是關(guān)于整體燃料電池系統(tǒng)研發(fā)和開發(fā)，國家在2030重點專項里也部署了5兆瓦和50兆瓦的示范，我們也在承擔(dān)國家這個項目，現(xiàn)在也在開發(fā)相關(guān)的技術(shù)，現(xiàn)在的目標(biāo)是在明年和后年把200千瓦或者250千瓦的系統(tǒng)在天津的IGCC示范運(yùn)行。