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固体氧化物燃料电池(SOFC)

2022-12-26 来源:知乎@清茶荟 浏览数:804

围绕贵阳国家经济技术开发区的特色产业“新能源汽车”版块,盈科一品推出“新能源汽车行业研读”系列,了解行业最新资讯和技术发展路径。系列一的主题为“新能源汽车—动力电池”研读,分期介绍燃料电池、锂电池等行业主流动力电池产业链发展现状,后期将推出新能源汽车上游产业链的行业研读。

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1、燃料电池反应环境和构成
 
 
固体氧化物燃料电池(solid oxide fue lcell,SOFC)是最高效率的燃料电池,也称作陶瓷燃料电池,是一种在中高温下将各种燃料气(天然气、垃圾填埋气、煤气、甲醇等)的化学能高效地转化为电能的全固态燃料电池。
 
一般在650度以上SOFC才能实现满负荷运转。系统层面还需要燃料供应系统(预重整器)、供气系统(加热器、压缩机)、控制系统(电压调节器、逆变器)及其他部件保证整个系统的稳定运行。工作效率可以达到65%——80%,由于工作温度较高,其反应活性极高。
 
SOFC由电解质(陶瓷材料)、阳/阴极、连接体(陶瓷或合金)构成单电池,再由多个单电池构成电堆。
 
2、应用场景
 
 
SOFC可应用于分布式发电、备用电源与热电联产,可以在制氢、综合能源补给站、储能、化工节能、交通应用领域(主要是应用在商用车增程器以及船舶辅助电力)等方面。
 
1.燃料选择性多
 
SOFC可采用天然气、合成气(CO、H2等混合气)、生物质气(如沼气)等为原料,也可以采用煤制气、煤层气、页岩气、工业副产气等为原料,促使传统化石能源转化效率提升,降低CO2排放,实现化石能源的清洁高效利用。
 
2.电解效率高
 
SOFC正向运行可以发电,逆向运行即为固体氧化物电解池(SOEC)。SOEC可利用余热与可再生电力,同时高温水蒸气和高温CO₂可以契合SOEC技术大规模应用,电解效率高达85%——95%,远高于其他电解水技术。
 
3.热电联供提升能源利用效率
 
微型热电联供系统的发电规模通常为1——5 kW,可直接将天然气转化的电能和热能供给单个用户使用,当电力富余时可将电力售给电网,这种分散式的热电联供系统大大节省了一次能源消耗,提升了能源利用效率。日本和欧洲是发展微型热电联供系统的两个主要区域,其较为著名的示范项目分别为Ene-farm和Ene-field。
 
4.兼容传统燃料
 
SOFC可以使用传统燃料,但其启动时间较长,适合作为豪华汽车、休闲车及重型卡车的辅助动力装置。
 
5.可用于便携式电源
 
基于SOFC的微型发电系统也在扩展到便携式电源领域,这主要是因为SOFC具有更高的比功率密度[ 比功率密度是描述电池在瞬间能放出较大能量的能力。],微管式SOFC可满足启动迅速的要求。
 
3、国内外发展情况
 
1.国外发展
 
目前SOFC技术在美国、日本为代表的发达国家已日趋成熟,开始进入商业化应用初级阶段。
 
· 美国
 
美国主要扶持大型工/商业用燃料电池发电,代表性企业Bloom Energy是全球范围内最大的SOFC公司,总装机量已经超过350MW,为Google、eBay、Wal Mart等公司提供了数百套燃料电池分布式发电系统,是目前公认的SOFC行业内技术力量最强,运作最成功的公司。其主要产品发电效率可以达到65%。据美国Bloom Energy公司统计,全球SOFC、SOEC市场规模将达2万亿美元。
 
· 日本
 
日本的SOFC发展主要由NEDO(日本新能源产业技术综合开发机构New Energy and Industrial Technology Development Organization Japan)推动,目标为到2024年,SOFC发电效率超过65%(低热),寿命达130000 h。主要项目为SOFC系统重点技术的开发和工业验证,主要研发机构包括爱信精机、大阪燃气、京瓷和丰田汽车等企业。
 
·欧洲
 
欧洲SOFC的发展方向以SOEC电解为主,把可再生电力通过SOEC来制氢,代表性企业是德国Sunfire,建造了总功率2.6MW的SOEC电解水制氢设备,这是世界上最大的电解水制氢设备。欧洲的SOFC主要扶持以SOFC为主的家用燃料电池CHP(热电联产Combined Heat and Power)项目,欧洲主要进行平板式SOFC电池堆及发电系统的研发。目前,德国已累计投放五万多套Micro-CHP,根据输出功率的大小为装置安装提供7050-28200欧元的补助金,是欧洲Micro-CHP投放最多的国家。
 
· 韩国
 
目前韩国SOFC主要应用于公用事业领域,市面上的主流技术来自英国的Ceres Power和美国的Bloom Energy两家公司,由斗山和SK E& C分别引进推广。
 
韩国已成为燃料电池用于公用事业规模发电的全球领导者,2019、2020、2021年分别布署达370.7MW、464MW、605MW。根据韩国贸易、工业和能源部(MOTIE)发布的电力供应需求计划,预计到2022年韩国燃料电池部署量将进一步扩展到800MW。
 
2.国内发展
 
由于国外的SOFC技术和产业一直对中国实施封锁,中国只能走自主开发路线。
 
我国研究燃料电池的机构主要为高校和科研院所。近年来,有潍柴动力、中广核、晋煤集团等大型企业加入SOFC研发阵列,加速商业化步伐。截至2020年底,SOFC相关专利申请8187项,中国5100项排名第一。
 
SOFC产业链主要包括单电池及上游材料、电堆及其辅助设备(BOP)、系统集成和应用部分。
 
电池层面,国内数家单位己经掌握了大面积单电池量产技术,耐久性可达到上万小时,潮州三环尤为突出。
 
在电堆方面,国内企业在电池结构设计、单电池组装方面仍然比较粗放,电池密封和连接体结合强度在电池长期运行中还存在不稳定等问题,这很大程度上影响着SOFC系统的使用寿命。比如,目前国内的水平大概在数千小时到1万小时左右,但SOFC商业化系统的期望是10年以上。
 
在电堆辅助系统(BOP)上,包括预重整器、加热器、压缩机、电压调节器、逆变器、换热器等,目前国内还没有专业生产公司,主要原因是:SOFC市场还未起量、涉足企业的积极性不高,参与SOFC的开发和产业化的企业不多;缺乏相应的配套政策,补贴力度与欧美等国家相比较少。
 
除了配套部件(BOP)产业链问题,还有系统效率优化问题、大功率系统的构建问题、电池寿命问题等。
 
4、示范项目
 
 
国内有潍柴动力、潮州三环、浙江氢邦、中弗新能源、宁波索福人等企业基于不同的应用场景,已打造出1-2个示范应用项目,建立起小批量试用产线。
 
目前国内SOFC发电系统功率范围为1-35kW,MW级产线超过10条。当前SOFC领域相对成熟的是5kW左右的产品,同时在大功率趋势下市场上也已经出现30kW的产品。

5、相关政策
 
 
2022年3月23日,国家发改委发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》,着重提到固体氧化物电解水制氢的技术攻关。
 
《广东省能源发展“十四五”规划》提出基于SOFC电解质隔膜片等核心零部件制造方面全球领先的优势,发展SOFC及其分布式发电成套装备,推广高温燃料电池冷热电三联供应用示范。
 
《北京市氢能产业发展实施方案(2021-2025年)》,明确将SOFC的发展目标列入其中。推广SOFC在热电联供、固定式发电、备用电源以及微电网等领域的应用,开展移动式燃料电池充电装置试点;以新建数据中心和通信基站等为应用场景,推动SOFC技术与产品的试点应用。
 
6、主要企业
 
 
国内生产SOFC的企业主要有潮州三环、浙江氢邦、中弗新能源、宁波索福人、华清京昆、潍柴动力等。
 
阅读上文 >> 重温GLC-F-Cell燃料电池系统
阅读下文 >> “出击”燃料电池固定式发电

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