關(guān)于建立我國(guó)SOFC示范電站的建議

1、關(guān)于建立我國(guó)SOFC示范電站的建議梁廣川 劉文西 陳玉如天津大學(xué)材料學(xué)院 天津 300072摘 要: 固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)，被譽(yù)為21世紀(jì)最有希望的發(fā)電技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了廣泛的研究。西方國(guó)家正在大力開(kāi)發(fā)商業(yè)產(chǎn)品。我國(guó)從90年代初開(kāi)始研究以來(lái)，已取得了不少研究成果，掌握了基本的制造技術(shù)。為發(fā)展我國(guó)的能源產(chǎn)業(yè)，必須開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SOFC技術(shù)。為此，我們提議，在“十五”期間，由國(guó)家及有關(guān)部門、企業(yè)聯(lián)合投資，由多家科研院所和大專院校協(xié)作共同攻關(guān)，建立我國(guó)的SOFC / 燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電示范電站系統(tǒng)并完成性能考核工作，為商業(yè)化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)型電站做好準(zhǔn)備。SOFC技術(shù)應(yīng)以中溫（

2、800）操作類型為主，采用加壓的燃料氣體和氧化氣體，與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)發(fā)電。示范電站規(guī)?？稍?0千瓦左右，總效率應(yīng)達(dá)到60%。這項(xiàng)工作對(duì)改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，最大限度地利用現(xiàn)有的能源、稀土資源，具有重要意義?？稍诓贿h(yuǎn)的將來(lái)取得重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。關(guān)鍵詞：SOFC，熱電聯(lián)產(chǎn)，電站，能源技術(shù)，1 燃料電池簡(jiǎn)介燃料電池結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，是一種將燃料(如天然氣、煤氣、氫氣)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的高效發(fā)電裝置，其理論效率可達(dá)80%。實(shí)際可達(dá)50-70%。其反應(yīng)產(chǎn)物為水和CO2，向大氣中排放的有害物很少。另外，燃料電池占地面積小，可實(shí)行模塊式組裝，建設(shè)周期短，噪音也很小。從九十年代開(kāi)始興起的固體氧化物燃料電

3、池（SOFC）為第三代燃料電池，其工作溫度在800-1000左右，在各種燃料電池系統(tǒng)中是最高的。它有以下特殊優(yōu)點(diǎn)：? 具有高效率和大電流密度；? 正負(fù)電極極化損失可忽略不計(jì)，因?yàn)闃O化損失集中在電解質(zhì)阻力降上； ? 可直接使用甲醇，天然氣等燃料，不必用貴金屬做催化劑；? 固體結(jié)構(gòu)不存在液態(tài)電解質(zhì)腐蝕及封接問(wèn)題，結(jié)構(gòu)緊湊； 高溫排氣，易于實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高；? 電解質(zhì)抗毒性好，便于長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。對(duì)于電站的服役條件來(lái)說(shuō)，創(chuàng)造高溫環(huán)境很容易，熱電聯(lián)產(chǎn)集成空間安排較為自由，系統(tǒng)于固定位置承受靜載。針對(duì)上述情況，可以說(shuō)SOFC是建站的最佳選擇。2 國(guó)外研究開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)目前，SOFC研究大致主攻兩個(gè)方向

4、：對(duì)傳統(tǒng)的ZrO2基SOFC的改進(jìn)技術(shù)和對(duì)新型材料（如中溫電解質(zhì)材料、電極材料等）的研究。后者的研究目的是降低SOFC的操作溫度，進(jìn)一步提高SOFC的性能，降低成本.但到目前為止，尚未大規(guī)模應(yīng)用。目前對(duì)ZrO2基SOFC的的研究趨勢(shì)是：提高系統(tǒng)的可靠性；進(jìn)一步放大電池組規(guī)模；將SOFC與汽輪發(fā)電機(jī)（GT）組成熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用SOFC排出余熱發(fā)電。加壓的SOFC/GT系統(tǒng)，總效率可達(dá)到70%。以下對(duì)加壓SOFC/GT系統(tǒng)做一些簡(jiǎn)要說(shuō)明。加壓的SOFC/GT系統(tǒng)具有較高的熱效率和其他優(yōu)點(diǎn)。在500kW-5MW范圍內(nèi)，此系統(tǒng)發(fā)電效率達(dá)到62-72%，是其他發(fā)電技術(shù)不能達(dá)到的。以西屋公司設(shè)計(jì)的3MW

5、 SOFCGT系統(tǒng)為例：在此系統(tǒng)中，由壓縮機(jī)提供6個(gè)大氣壓的壓縮空氣和燃料氣（如天然氣），天然氣首先進(jìn)行內(nèi)整，生成H2和CO，然后與氧離子反應(yīng)，產(chǎn)生直流電，生成含水和二氧化碳的高溫廢氣。高溫高壓廢氣進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹，推動(dòng)汽輪機(jī)產(chǎn)生交流電。本質(zhì)上，SOFC代替了汽輪機(jī)燃燒室，它產(chǎn)生的廢氣溫度約在850，很適合于汽輪機(jī)的引入。之所以采用加壓技術(shù)，還因?yàn)榧訅涸龃罅薙OFC的發(fā)電能力，可使單電池的輸出功率由1個(gè)大氣壓時(shí)的210W增加到6個(gè)大氣壓時(shí)的250W。SOFC的開(kāi)發(fā)以美國(guó)、日本為首。早在 1937年，Baur等人首先用ZrO2 制做了帶固體電解質(zhì)的SOFC。60年代開(kāi)始，美國(guó)西屋 電氣公司長(zhǎng)期傾注

6、大量的財(cái)力物力研制SOFC。西屋公司自從1992年將兩臺(tái)25千瓦級(jí)的管式SOFC在日本投入試運(yùn)行后，一直在加緊對(duì)商業(yè)應(yīng)用的研究。近十年來(lái)，西屋公司將最初使用的氧化鋯多孔支持管（反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度30cm，面積113cm2）換成空氣陽(yáng)極支持管（反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度150cm，面積834cm2），表1為幾項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的比較：表1西屋公司管式SOFC參數(shù)比較 電池外徑(cm)反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度(cm)反應(yīng)區(qū)面積(cm2)電池管總長(zhǎng)(cm)空氣電極內(nèi)徑/外徑(cm)連接體厚度(m m)電解質(zhì)厚度(m m)燃料陰極厚度(m m)最大功率(W)1987年1.5230113421.29/1.494040100201997年2.2315

7、08341681.76/2.2010040100210(常壓)西屋公司的目標(biāo)是進(jìn)一步放大商業(yè)樣機(jī)的尺寸，計(jì)劃在1999年左右，建立兆瓦級(jí)的商用管式SOFC樣機(jī)。最近該公司的研究方向是：用空氣電極材料制作多孔支撐管并將其放大到實(shí)用尺寸，在常壓和高壓下分別測(cè)試性能；提高電池壽命；簡(jiǎn)化加工工藝。相關(guān)技術(shù)正在25千瓦和100千瓦級(jí)的SOFC上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。西屋公司制定的下一步計(jì)劃是發(fā)展加壓的SOFCGT系統(tǒng)，其商業(yè)產(chǎn)品將覆蓋200千瓦到50兆瓦的范圍，效率將達(dá)到6075，是目前火力發(fā)電廠中最高的。首座此類電站預(yù)計(jì)將于2001年建成，其效率為6065，排放的氮化物和硫化物濃度低于檢測(cè)限。擬建設(shè)的5兆瓦分散型

8、電站正在設(shè)計(jì)中，計(jì)劃將SOFC與汽輪發(fā)電機(jī)聯(lián)產(chǎn)，估計(jì)總效率可達(dá)60%以上。表2是西屋公司設(shè)計(jì)3MW 的SOFCGT系統(tǒng)參數(shù)（設(shè)計(jì)工作壓力6個(gè)大氣壓）。表2 3MW的SOFCGT系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù) 總功率(MW, AC)系統(tǒng)電效率(AC/LHV,%)SOFC功率輸出(MW,DC/AC)GT功率輸出(MW,DC/AC)SOFC組數(shù)每組SOFC功率(MW,DC/AC)每組中電池?cái)?shù)電池直徑(cm)電池反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度(cm)單電池功率(W)3.0631.88/1.801.230.63/0.624962.2150250西屋公司今后發(fā)展計(jì)劃列于表3表3西屋公司研究發(fā)展計(jì)劃 25 kW 示范站（已完成）100 kW 示

9、范站 （在）250kW SOFC/GT 示范站800kW SOFC/GT 示范站1.3MW SOFC/GT 示范站25MW SOFC/GT 示范站技術(shù)改進(jìn)商業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行日期1997,2季度1997,季度1998,3季度1999,2季度2000,1季度2001,季度2001,4季度內(nèi)容現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相容性測(cè)試相容性測(cè)試相容性測(cè)試相容性測(cè)試相容性測(cè)試商業(yè)化生產(chǎn)額定功率25 kW100 kW200 kW500 kW1000 kW2000 kW500 kW500 kW電池直徑16mm22mm22mm22mm22mm22mm22mm22mm反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度500mm1500mm1500mm1500mm1500mm15

10、00mm1500mm1500mm陽(yáng)極制造擠壓，燒結(jié)擠壓，燒結(jié)擠壓，燒結(jié)擠壓，燒結(jié)擠壓，燒結(jié)擠壓，與連接體共燒擠壓，與連接體共燒擠壓，與連接體共燒連接體等離子噴涂等離子噴涂等離子噴涂等離子噴涂等離子噴涂與陽(yáng)極共燒與陽(yáng)極共燒與陽(yáng)極共燒電解質(zhì)EVDEVDEVDEVDEVD部分EVD部分EVD部分EVD陰極制造EVDEVDEVD部分EVD燒結(jié)燒結(jié)燒結(jié)燒結(jié)EVD次數(shù)2221或211或01或01或0日本的SOFC研究也取得了進(jìn)展。例如三洋公司最近制成了板式SOFC，由面積為160cm2的30個(gè)電池串聯(lián)而成，最大輸出功率為1064瓦，經(jīng)1800小時(shí)運(yùn)行后測(cè)定，性能衰退率為4.4% / 1000小時(shí)。德國(guó)西門

11、子公司一直從事板狀SOFC研究，目前年生產(chǎn)能力達(dá)到30,000件5050mm2 和7,000件100100 mm2電解質(zhì)-電極膜材。其設(shè)計(jì)制造的SOFC參數(shù)如表4所示。表 西門子公司SOFC參數(shù) 層數(shù)每層電池 (個(gè))反應(yīng)區(qū)面積(m2)體積(dm3)最大輸出功率 (kW,H2/O2)電流密度 (A/cm2)氣體利用率 (%)801622010.78.40.640-50客觀來(lái)說(shuō)，SOFC在世界范圍還不是成熟商品，產(chǎn)品處于開(kāi)發(fā)階段以西屋公司的管式SOFC為例，目前未形成成熟的批量商品，處于實(shí)驗(yàn)電站階段。另外，從技術(shù)狀況看，雖然管式SOFC制造技術(shù)較為成熟，但技術(shù)指標(biāo)不高，功率密度一般在0.3 W/c

12、m2以下。西屋公司的George等人對(duì)系統(tǒng)造價(jià)進(jìn)行了評(píng)估，并與目前正在研制的最先進(jìn)汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了比較。結(jié)果如表5所示：表5系統(tǒng)造價(jià)預(yù)測(cè) 設(shè)計(jì)功率（MW）發(fā)電效率（%）總安裝費(fèi)用（/kW）發(fā)電成本(/kWh)先進(jìn)汽輪發(fā)電機(jī)442$8004.8美分3MWSOFC/GT系統(tǒng) 363$13004.8美分或略低3 國(guó)內(nèi)研究狀況以及發(fā)展燃料電池的意義從1991年開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始了SOFC的研究工作。1998年1月，在大連召開(kāi)了“九五重大科技攻關(guān)項(xiàng)目燃料電池技術(shù)”的項(xiàng)目論證會(huì)。國(guó)家科技部計(jì)劃投入2千萬(wàn)元資金，進(jìn)行燃料電池的技術(shù)攻關(guān)，目標(biāo)是到2000年底研制出25千瓦級(jí)的PEMFC，并進(jìn)行電動(dòng)汽車的裝車實(shí)

13、驗(yàn)；MCFC要研制出1-5千瓦的電池組，壽命1000小時(shí)；SOFC要研制出1千瓦的平板式電池組，壽命1000小時(shí)；燃料電池是邁向21世紀(jì)的高新技術(shù)，它除了高效能源和清潔環(huán)境的目標(biāo)之外，對(duì)于迎接知識(shí)經(jīng)濟(jì)的到來(lái)，振興民族高技術(shù)產(chǎn)業(yè)有著特殊的意義。SOFC的電解質(zhì)膜、電極和支持體都與稀土元素應(yīng)用有關(guān)雖然我國(guó)的稀土儲(chǔ)量占世界70%以上，但大部分以低檔次產(chǎn)品或原料形式出口。我們開(kāi)發(fā)燃料電池也是為了擁有更多的稀土知識(shí)產(chǎn)權(quán)，保護(hù)和保衛(wèi)我國(guó)珍貴的礦產(chǎn)資源，為知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代在國(guó)際上占有一席之地而努力。所以開(kāi)發(fā)SOFC，對(duì)發(fā)展我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要戰(zhàn)略意義。另外，我國(guó)目前的能源短缺現(xiàn)象依然存在，這樣一個(gè)火力發(fā)電大國(guó)，

14、煤耗很大，據(jù)1994年統(tǒng)計(jì)，當(dāng)年發(fā)電8千億千瓦時(shí)，煤耗達(dá)到12億噸另外污染嚴(yán)重，年排放廢氣10兆立方米。而燃料電池具有的優(yōu)點(diǎn)，為解決這些問(wèn)題提供了直接技術(shù)和光明的前景，因此，必須迅速開(kāi)展SOFC建站工作，為我國(guó)下世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供基本保障。我國(guó)發(fā)展SOFC的優(yōu)勢(shì)在于：我國(guó)稀土資源豐富，具有得天獨(dú)厚的戰(zhàn)略資源優(yōu)勢(shì)；我國(guó)的稀土加工行業(yè)種類齊全，為SOFC的發(fā)展提供了可靠保障；我國(guó)的煤炭和天然氣資源豐富，相應(yīng)的煤制氣技術(shù)、天然氣處理技術(shù)都比較成熟，完全符合SOFC對(duì)燃料的要求。我國(guó)現(xiàn)在起步，可借鑒國(guó)外最先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，具有起點(diǎn)高、彎路少的特點(diǎn)。SOFC應(yīng)用于火力發(fā)電廠，和燃汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組組成聯(lián)合發(fā)

15、電系統(tǒng)，能將發(fā)電效率由目前的40%左右提高到大于60%，因此將發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。SOFC還可用做醫(yī)院、居民區(qū)、礦山、等小區(qū)域的供電電源，也可用于海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)的軍隊(duì)、通信站、海上鉆井平臺(tái)等獨(dú)立機(jī)動(dòng)的電源。特別需要指出的是，SOFC可使用多種燃料，如煤制氣、天然氣、沼氣（甲烷）等，對(duì)燃料氣體有廣泛的適用性，因此極有可能獲得普遍的應(yīng)用，在不久的將來(lái)將創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。4 關(guān)于建立建立我國(guó)SOFC示范電站的建議最近三年，國(guó)際上在大力開(kāi)發(fā)和更新離子交換電解質(zhì)膜，重點(diǎn)在CeO2系和鈣鈦礦化合物類，新品種層出不窮，電導(dǎo)率不斷提高，預(yù)示著SOFC技術(shù)的新突破在此情況下，如果盲目引進(jìn)，引進(jìn)的也只能是十年前的技術(shù)，只能是浪費(fèi)資金，事倍功半鑒于以上，我們認(rèn)為建立SOFC電站必須以自力更生為主，尤其是核心技術(shù)更要自主研究，取得獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)建議采取局部引進(jìn)方針，如引進(jìn)電池集成技術(shù)和個(gè)別關(guān)鍵工藝技術(shù)綜上所述，我們