中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：4月24-26日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)主辦的第九屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在浙江省杭州市洲際酒店召開(kāi)。在4月26日上午的“氫能與燃料電池“專(zhuān)場(chǎng)，中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司清潔能源設(shè)計(jì)優(yōu)化部副主任程健在會(huì)上分享了主題報(bào)告《熔融碳酸鹽燃料電池的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景分析》，以下為演講實(shí)錄：
程健：各位來(lái)賓，各位專(zhuān)家，早上好！剛才各位專(zhuān)家對(duì)固體氧化物燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池的介紹比較多，今天我主要介紹一下目前技術(shù)比較成熟的熔融碳酸鹽燃料電池的研究和應(yīng)用情況。
講熔融碳酸鹽燃料電池，首先從能源革命開(kāi)始。人類(lèi)文明是隨著技術(shù)進(jìn)步在逐步發(fā)展的，從最初的薪柴到煤炭的利用，蒸汽機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了工業(yè)革命的發(fā)展，石油與天然氣的大量使用，促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，但是化石能源的大量使用帶來(lái)了環(huán)境和大氣的嚴(yán)重污染。進(jìn)入新時(shí)代我們需要潔凈的空氣和優(yōu)美的環(huán)境，就需要能源革命來(lái)改變目前的生產(chǎn)和消費(fèi)模式，需要互聯(lián)網(wǎng)和新能源來(lái)達(dá)到我們的需求。風(fēng)能光伏等新的能源出現(xiàn)就有一個(gè)氫儲(chǔ)能的問(wèn)題。氫是未來(lái)低碳社會(huì)理想的能源載體，據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)，在未來(lái)的2050年的氫能社會(huì)中發(fā)電占了11.7%的比例，交通占了28.6%的比例，發(fā)電和交通利用氫能的終端技術(shù)都是燃料電池。
目前氫能在燃料電池上運(yùn)用得比較廣泛。燃料電池有很多的優(yōu)勢(shì)，主要是跟常規(guī)發(fā)電方式比，它的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，效率是比較高的。成熟應(yīng)用的主要是質(zhì)子交換膜燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，固體氧化物燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池因?yàn)槌貑?dòng)，比較迅速比較快，主要運(yùn)用在備用電源、應(yīng)急電源和車(chē)用方面。熔融碳酸鹽燃料電池首先裝機(jī)容量是目前最大的，主要用在固定電站。熔融碳酸鹽燃料電池有它的缺點(diǎn)，首先功率密度比較低，體積比較大。但優(yōu)點(diǎn)是單電池的面積和功率都比較大，最適合運(yùn)用于分布式電站和固定電站。固體氧化物燃料電池受單電池面積和功率的制約，主要應(yīng)用在家用方面和能源數(shù)據(jù)中心方面。
在所有燃料電池里面的材料體系中，熔融碳酸鹽燃料電池是非常簡(jiǎn)單的。電解質(zhì)材料只有碳酸鋰、碳酸鉀；雙極板就是普通的316L不銹鋼材料，加工比較容易，面積也比較容易放大。熔融碳酸鹽燃料電池在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了兆瓦級(jí)大規(guī)模的示范和應(yīng)用，它的壽命基本上是在四萬(wàn)小時(shí)以上。韓國(guó)建成世界上最大的59兆瓦的電站，已經(jīng)開(kāi)始在韓國(guó)京畿道的工業(yè)園區(qū)示范應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的中廣核也投資了的韓國(guó)10兆瓦的熔融碳酸鹽燃料電池電站，也在示范應(yīng)用。從目前的應(yīng)用情況來(lái)看，兩種電池堆組合方式，其中一個(gè)是2.8MW的，由兩個(gè)發(fā)電模塊并聯(lián)組成，效率達(dá)到47%；另外一個(gè)是3.7MW的電站，由兩個(gè)模塊并聯(lián)，最后再串聯(lián)一個(gè)小的發(fā)電模塊，它的效率達(dá)到60%。
熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)一直為發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握，我們想買(mǎi)國(guó)外的電堆是不可能的，只能靠自主研發(fā)。華能集團(tuán)從2009年開(kāi)始進(jìn)行熔融碳酸鹽燃料電池的研究從粉末材料到電解質(zhì)隔膜、電極、雙極板以及小電池堆大電池堆的組裝開(kāi)始研究，目前已經(jīng)掌握了熔融碳酸鹽燃料電池的核心關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了20千瓦的熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)，燃料利用率達(dá)到69%，發(fā)電效率達(dá)到51%。
在核心技術(shù)研發(fā)方面，首先批量化合成MCFC隔膜核心材料。采用納米級(jí)的堿性氧化鋁與碳酸鋰合成偏鋁酸鋰材料，純度達(dá)到96%以上，粉末粒徑在微米級(jí)以下。將合成的微米級(jí)偏鋁酸鋰材料制備漿料采用流延的方法進(jìn)行隔膜的批量制備，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室建成一個(gè)連續(xù)化的生產(chǎn)線打通了隔膜連續(xù)生產(chǎn)的路徑。電極也是采用流延的方式來(lái)制備的。隔膜與電極制備方法的最大優(yōu)點(diǎn)是采用水為溶劑，一方面節(jié)約成本，一方面非常環(huán)保。雙極板的制備，國(guó)外主要采用沖壓焊接的方式，我們目前主要采用組合式，產(chǎn)業(yè)化后也可以采用沖壓焊接的方式將面積放大道1平方米。
我們下一步的計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)20-100kw的系統(tǒng)示范，發(fā)電效率達(dá)到47%。首先在國(guó)內(nèi)的工業(yè)園區(qū)或者是制造廠來(lái)進(jìn)行示范推廣。
下面我講一下燃料電池的應(yīng)用市場(chǎng)分析。談到能源革命首先是消費(fèi)和生產(chǎn)。能源革命首先需要技術(shù)的支持，我們需要合適的產(chǎn)品，才能進(jìn)行消費(fèi)的革命。分析一下2012-2018年國(guó)外的固定發(fā)電燃料電池市場(chǎng)，固定式發(fā)電燃料電池銷(xiāo)量保持持續(xù)增長(zhǎng)。固體氧化物占了很大的比例，已經(jīng)超過(guò)了熔融碳酸鹽的比例。為什么？因?yàn)閲?guó)外有日本的ene-Farm計(jì)劃和美國(guó)Bloom energy公司的推動(dòng)。首先看日本的ENE-farm計(jì)劃，固體氧化物燃料電池家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的價(jià)格是大幅度下降的。單個(gè)系統(tǒng)功率700瓦的家用系統(tǒng)2005年的價(jià)格是40萬(wàn)人民幣，成本非常高。到目前推廣銷(xiāo)售了25萬(wàn)臺(tái)，價(jià)格降低到了8萬(wàn)人民幣。它的最終目標(biāo)是要降到三萬(wàn)元每臺(tái)。日本的ENE-Farm計(jì)劃通過(guò)產(chǎn)業(yè)化，降低成本是非常迅速的，成本降低了90%。這就說(shuō)明燃料電池只有產(chǎn)業(yè)化和示范應(yīng)用才能降低它的成本。另外，固體氧化物燃料電池在歐洲和德國(guó)也進(jìn)行了示范應(yīng)用銷(xiāo)售了1500套，基本采用的是日本的技術(shù)，但是它的示范應(yīng)用沒(méi)有日本的力度大。德國(guó)也有計(jì)劃來(lái)進(jìn)行這樣的示范。
我們要分析原因，為什么日本和歐洲要大力推廣家用的燃料電池市場(chǎng)？首先看看日本的電網(wǎng)，日本電網(wǎng)分東西兩個(gè)電網(wǎng)，兩個(gè)電網(wǎng)之間的頻率是不一樣的。一個(gè)是50赫茲，一個(gè)60赫茲。兩個(gè)電網(wǎng)之間的聯(lián)系是非常脆弱的。另外，日本是多地震國(guó)家，供電穩(wěn)定性需求非常高。另外日本資源缺乏需要發(fā)達(dá)高效的能源技術(shù)。歐洲國(guó)家也面臨著解決供暖問(wèn)題同時(shí)面臨電網(wǎng)鋪設(shè)帶來(lái)高額的投資問(wèn)題。另外，歐洲的燃?xì)夤芫W(wǎng)是非常發(fā)達(dá)的，可以用家用的燃料電池系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行供電供熱。日本和歐洲大量應(yīng)用固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)家用系統(tǒng)是符合基本國(guó)情和需要。
在看看我們國(guó)家，我們是社會(huì)主義特色的國(guó)家，我們的電網(wǎng)非常發(fā)達(dá)，尤其提倡一帶一路，不但要在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，要在亞洲也要進(jìn)行電力輸出。我們國(guó)家的電網(wǎng)除了新疆、西藏沒(méi)有徹底聯(lián)網(wǎng)以外，其他地方都已經(jīng)有一個(gè)完整的國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)?，F(xiàn)在采用的是特高壓輸電。目前農(nóng)村取暖也是采用政府補(bǔ)貼的方式進(jìn)行煤改電，城市采用集中供暖方式。國(guó)內(nèi)很難推廣和發(fā)展一到五千瓦的家用燃料電池冷熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。如果不考慮國(guó)情，這個(gè)東西很難推廣出去。
中國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展路線圖當(dāng)中，一方面要大力發(fā)展氫燃料電池車(chē)，另外發(fā)電方面2020年要實(shí)現(xiàn)20萬(wàn)千瓦燃料電池的發(fā)電，2030年要實(shí)現(xiàn)一億萬(wàn)千瓦的發(fā)電。再看需求方面，我們的京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角這些地區(qū)都是大氣污染防治的重點(diǎn)區(qū)域。目前建設(shè)了大量工業(yè)園區(qū)和商業(yè)建筑對(duì)熱冷負(fù)荷需求是非常旺盛的。在這些地區(qū)可以用燃料電池進(jìn)行冷熱電聯(lián)產(chǎn)。去年和江蘇省做了一個(gè)項(xiàng)目。推廣分布式電站，采用的是內(nèi)燃機(jī)的方面，但是環(huán)評(píng)和噪音是通不過(guò)的，就考慮到用燃料電池來(lái)代替。另外一方面，我們國(guó)家天然氣的需求在逐年增長(zhǎng)。2020年比重要從3%提高到11.3%。這也給燃料電池的發(fā)展帶來(lái)了一個(gè)契機(jī)。熔融碳酸鹽燃料電池在效率、污染物排放、噪音和運(yùn)維成本方面擁有先天優(yōu)勢(shì)。
熔融碳酸鹽燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景方面主要用來(lái)發(fā)電，百兆瓦級(jí)的大型電站可以用來(lái)并網(wǎng)發(fā)電。熔融碳酸鹽燃料電池另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以進(jìn)行二氧化碳的補(bǔ)給、濃縮。另外，可以跟可再生能源結(jié)合起來(lái)實(shí)行調(diào)峰制氫和供熱的功能。
從市場(chǎng)方面分析來(lái)看，我們國(guó)家的制氫工業(yè)基礎(chǔ)良好，每年都有大量的副產(chǎn)氫沒(méi)有充分利用。另外，氫能作為儲(chǔ)能建設(shè)能夠橫跨電力、供熱和燃料三個(gè)領(lǐng)域，可以促使能源供應(yīng)端融合，提升能源使用效率。我國(guó)的環(huán)境壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他國(guó)家，在綠色低碳能源革命的市場(chǎng)環(huán)境下，它具有強(qiáng)大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。
最后講一下經(jīng)濟(jì)性與應(yīng)用前景。熔融碳酸鹽燃料電池有各種各樣的含氫的氣體，只需要把這個(gè)氣體處理到75%的富氫氣體就可以利用了。在關(guān)鍵技術(shù)方面，完全掌握了電池堆的組裝和制備技術(shù)，用到樓宇、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院和分布式方面。整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)欠浅Ｍ暾?。任何一種產(chǎn)品要推向市場(chǎng)，主要是看成本問(wèn)題。高溫燃料電池目前的價(jià)格基本上是在9000美元千瓦。這個(gè)成本是非常高的。這樣一個(gè)價(jià)格到市場(chǎng)上無(wú)法被接受。怎么降成本呢？只有達(dá)到和微型燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)同等水平才能在市場(chǎng)上應(yīng)用。
熔融碳酸鹽燃料電池的成本具有很大的降低空間。目前來(lái)說(shuō)，電堆的成本是1.2萬(wàn)元每千瓦左右，雙極板的成本占到了65%，其他的占37%，熔融碳酸鹽燃料電池電堆的成本目前大量集中在雙極板方面。加工費(fèi)用是材料成本的三倍，在電池堆成本方面降低空間非常大。隨著容量放大和技術(shù)進(jìn)步可以大幅度降低，電堆成本可以達(dá)到6000元每千瓦以下，我們對(duì)這個(gè)非常有信心。
我們降低成本的步驟，第一步進(jìn)行百千瓦的示范，系統(tǒng)成本降低到五萬(wàn)元以下，這是最高限額了。所有輔助系統(tǒng)是外購(gòu)的，電堆成本比較便宜。第二步，建立小型的生產(chǎn)線，進(jìn)行批量化的制備，降低它的成本，再使系統(tǒng)的生產(chǎn)成本降低到兩萬(wàn)元。
最后，展望一下，熔融碳酸鹽燃料電池首先是符合中國(guó)發(fā)展低碳綠色能源革命的國(guó)情。熔融碳酸鹽燃料電池可應(yīng)用分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)也可以與可再生能源結(jié)合實(shí)現(xiàn)綠色低碳能源的智慧供給。財(cái)政補(bǔ)貼可以有效補(bǔ)貼大規(guī)模的示范項(xiàng)目，成功需要裝備成本的降低，可靠性的提高以及打開(kāi)保守的傳統(tǒng)消費(fèi)市場(chǎng)的商業(yè)模式。我們希望和廣大的制造商和應(yīng)用伙伴來(lái)共同推動(dòng)熔融碳酸鹽燃料電池在中國(guó)的市場(chǎng)化發(fā)展，發(fā)展我們自己的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。謝謝！
