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固体氧化物燃料电池的分布式发电和供能将会产生电力和能源行业的革命吗?
日期:2011-07-08
问:什么是固体氧化物燃料电池?固体氧化物燃料电池发电系统有何特点?
王蔚国研究员:固体氧化物燃料电池是燃料电池中的一种,燃料电池里面有碱性燃料电池,磷酸盐燃料电池,质子膜燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池,大类可以分成这五种。这五种又可以分成两部分,一部分叫做低温燃料电池,包括碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池和质子膜燃料电池。它们的工作温度都是在250度以下。另外一种燃料电池是高温燃料电池,包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池这两种。
低温燃料电池和高温燃料电池一个最大的区别就是低温燃料电池需要用纯氢气,因为它不能够催化像一氧化碳这样的燃料。作为高温燃料电池来说,可以通过较为简单的燃料处理来使用天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。
目前磷酸盐燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池的装机容量相对来说都较大,但是磷酸盐燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池有一个缺点就是里面的电解质是液体状态,或者是熔融盐状态。所以它对整个燃料电池的腐蚀比较大,这就导致整个电池的运行寿命相对来说比较短。
现在最热的是质子膜燃料电池和固体氧化物燃料电池,它们里面所有的元部件都是固体的,固体的当然没有这种液体状态的腐蚀性溶液,或者是熔融盐,那么它们的寿命就会相对来说长一些。其中质子膜燃料电池工作温度一般在80度以下,但需要用纯氢作为燃料,而储氢本身是一个很大的问题,这是限制质子膜燃料电池应用的最大障碍。另外质子膜燃料电池本身的寿命和造价都是它应用的一个瓶颈。当然还有加氢站,像加汽油一样的,加氢站本身也要大规模的建设,这就需要庞大的前期投入。
对固体氧化物燃料电池来说,它的应用相对来说容易一些。虽然从技术上它的成熟度比质子膜燃料电池要差一些,但是它今后应用起来会相对来说容易,因为它可以通过用天然气简单重整来制氢,产生的氢气、一氧化碳和少量甲烷可以直接作为燃料。而天然气管道的基础建设,是在很多地方都已建成的。我们很多家庭、工厂、医院或者是银行都有这种天然气管道,用来取暖,产生蒸汽或是直接发电。所以对于固体氧化物燃料电池来说,一旦技术成熟,没有这个基础设施方面的要求,能够很快的接入,投入使用。
目前,由于用户终端的电来自远距离的发电站,电通过长距离输送,经过升压——传输——降压等环节,会有6%到8%的输电损耗,而发电站的发电效率只有40%左右,这就意味着用户终端的电效率只有30%到35%。
而固体氧化物燃料电池属于即发即用。比如一栋大楼需要用电,就可以把固体氧化物燃料电池系统放在你的后院里,你把燃气接到这个系统里面就马上可以发电。所以这个电效率至少可以达到45%以上。如果加上热电联供,提供热水和暖气,或者采用吸收式制冷,那么可以达到80%以上的总体效率。所以整个的电效率、能量利用率就提高了一倍,这可以说是非常大的提高。
从这个角度说,如果以后每家每户都有发电机,这个发电系统既可以供电又可以供暖气和热水,还可以给电网反输电,同中心电站进行对话,双向交流,那个时候,每个家庭既是一个用能单位,又是一个产能单位。这是能源独立、能源安全、能源网络化智能化的一个最主要的组成部分。所以从这个意义上来说,固体氧化物燃料电池的应用将会改变电力和能源行业的结构。
问:固体氧化物燃料电池的主要优点有哪些?
王蔚国研究员:首先,固体氧化物燃料电池的效率是所有发电装置里面最高的,一般至少可以达到45%以上的发电效率,澳大利亚CFCL公司已经报到了60%的直接发电效率。如果加上热电联供,那么可以达到80%以上的总体效率。其次,固体氧化物燃料电池是模块化的,你如果要用100千瓦,可以选择用10个10千瓦,也可以选择用100个1千瓦。所以它既能够放在家里用,又能够放在大型机构里用,还可以作为中心电站发电,就像搭积木一样。另外固体氧化物燃料电池是高温电化学反应,所以它可以用很多燃料。当然这些燃料它也不能直接用,它需要通过一个重整,就是对碳氢化合物燃料气进行燃料处理,然后才能进入电池里面进行发电。但是这个处理相对来说简单一些,比其他的燃料电池要简单得多。
问:固体氧化物燃料电池在未来电网中扮演何种重要的角色?
王蔚国研究员:现在利用能源发电注重低碳低排放,但是目前中国能源结构里面最大的一部分是煤发电,当然现在有再生能源发电,比如说是太阳能、风能。但是太阳能和风能有一个最大的缺点就是它们是间歇式发电(即如果一旦没风,或者一旦是阴天,你的用电可能就没有办法得到保证)。加上风能和太阳能是完全的自然资源,有地域利用上的限制,因此它们在整个能源结构里面的比例不能占得太高。而固体氧化物燃料电池一个很大的特点是用天然气发电,所以它是稳定供电单元,是一个最基础的电力来源。而中国在天然气的应用上,是比例很低的。大概中国的天然气发电比例只有3.3%,而全世界的平均比例是26%。所以我们国家在天然气发电方面还有很大的提升空间。再进一步是用煤发电,中国有大量的煤炭储存,一旦将煤汽化,经过煤汽清洁净化杂质,然后通过固体氧化物燃料电池发电,还可以与燃气轮机进行联合循环,在未来是一个巨大的中心供电单元。这极有可能成为今后50年内最大的产能行业,从而取代现在的火力发电。
问:对于固体氧化物燃料电池,你们事业部的目标是最终能够实现它的商业化和产业化。在实现商业化和产业化过程中,整个事业部已经进行到哪个阶段了?
王蔚国研究员:目前我们事业部对于固体氧化物燃料电池的研发可以说已经进入了实证阶段。因为我们已经在杭州半山电场开始运行一个演示项目(20千瓦的发电系统演示),如果这个项目演示成功,我想可能会有很多公司会感兴趣。当然在整个演示过程中,我想会出各种各样的问题。我们研发是从基础的概念,非常基础的科学问题,到应用基础问题,到应用问题,然后到技术问题,最后到实证,我们也可以说是已经在做技术和实证,就是跟市场已经相当接近了。当然在做技术和实证的同时,并不是排斥,我们就不做最基本的东西,最基本的东西可以说是从另外一条思路来做。因为在整个的价值链、研发链来说,从最早的一个思路和发明创造,到最后的应用,是有一个很长的链条。
问:您认为固体氧化物燃料电池目前最大的问题是什么?
王蔚国研究员:我认为固体氧化物燃料电池在技术还存在一些问题,最主要的是燃料电池的稳定性和寿命,当然还有成本,它的技术还没有完全成熟。我想技术是需要不断完善的,就好像现在的汽车,即使是汽车这样的东西,已经是非常稳定可靠了,它还会出各种各样的问题,还要不断的完善它。而作为整个燃料电池系统来说,它是一个非常复杂的系统,打个比方,它有一千个元部件,如果做成一个好的系统,这一千个元部件,它们首先单独来说是要好的,而且组装在一起也是要很好的。那么在这个运行过程中,它会出各种各样的问题。燃料电池现在只是一个市场刚刚开启的阶段,所以它会有很多问题。通过在运行的过程中不断的改善,不断的实证,不断的验证,不断的演示,我想它会越来越稳定。
那么这里面有很多问题,这就好像是先有鸡还是先有蛋。我们现在做了单电池做了电池堆,如果系统没有大规模应用,那么你生产大量的单电池和生产大量的电池堆就没有用户。而单电池和电池堆价格的下降,有赖于系统的规模应用,这就是说是先有鸡还是先有蛋,到底是先有大规模应用的系统还是有大规模生产的单电池和电池堆,所以两边都要凑。