熔融碳酸鹽燃料電池的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景分析

主要內(nèi)容熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)展概況熔融碳酸鹽燃料電池研究成果燃料電池應(yīng)用市場分析熔融碳酸鹽燃料電池經(jīng)濟(jì)性與應(yīng)用前景發(fā)電交通工業(yè)能源建筑化工原料國際氫能委員會11.728.620.814.324.7國際氫能委員會估計(jì)：2050年氫能將占世界終端能源的18%.中國氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟估計(jì)：2050年氫能將占我國終端能源的10%.能源革命與氫能能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式的根本變革，主要依靠能源技術(shù)的重大突破。新一輪能源革命主要特征是綠色、低碳。氫被認(rèn)為是未來低碳社會理想的能源載體。煤炭石油新能源+互聯(lián)網(wǎng)燃料電池技術(shù)優(yōu)勢熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)展概況燃料電池技術(shù)的應(yīng)用場景質(zhì)子交換膜燃料電池Plug

Power加拿大巴拉德日本豐田國鴻氫能上海重塑熔融碳酸鹽燃料電池Fuel

Cell

Energy意大利安薩爾多日本石川島播磨韓國浦項(xiàng)制鐵固體氧化物燃料電池BloomEnergy日本愛信精機(jī)潮州三環(huán)寧波索福人熔融碳酸鹽燃料電池(Molten

Carbonate

Fuel

Cell，MCFC)電解質(zhì):Li2CO3+K2CO3(mol:62%:38%)或Li2CO3+Na2CO3（mol：53％：47％）電極：陽極－Ni，陰極－NiO雙極板：不銹鋼316L或310S,沖壓焊接成型電池堆組堆方式：平板型單電池堆積連接成堆燃料重整：外重整，內(nèi)重整；氣體分布：內(nèi)分布，外分布。技術(shù)特點(diǎn)：電池部件制備材料體系穩(wěn)定，電池部件制造工藝簡單，反應(yīng)溫度低，密封容易，易于工程放大；熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)展概況工作溫度在650℃，效率可達(dá)50-60%，壽命可達(dá)40000小時(shí)以上，適合于分布式電站。目前在美國、日本、德國、意大利、韓國等得到很好的示范運(yùn)行，功率容量達(dá)到兆瓦級以上。熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)展概況洛杉磯水電總部300kW電站華盛頓廢水處理廠1.5MW電站韓國59MW

電站2MW

煤氣化電站偏鋁酸鋰粉末材料電解質(zhì)隔膜制備工藝電極制備工藝雙極板設(shè)計(jì)及制備工藝電池堆組裝技術(shù)電池堆燒結(jié)技術(shù)電池堆燒運(yùn)行與測試技術(shù)電池堆升溫保溫技術(shù)電池堆系統(tǒng)控制及催化燃燒設(shè)計(jì)技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)一直為發(fā)達(dá)國家所掌握，不能依靠引進(jìn)消化吸收的方式掌握。自主研發(fā)完全掌握熔融碳酸鹽燃料電池研究進(jìn)展批量化合成MCFC隔膜核心材料α-LiAlO2溶膠凝膠固相反應(yīng)法，堿性氧化鋁與碳酸鋰反應(yīng)產(chǎn)物煅燒制備純度高、晶相穩(wěn)定750℃煅燒可制得亞微米級偏鋁酸鋰材料凝膠固相法制備的α-LiAlO2粉末SEM圖750℃堿性氧化鋁與碳酸鋰反應(yīng)產(chǎn)物XRD及粒徑分析熔融碳酸鹽燃料電池研究進(jìn)展隔膜連續(xù)批量制備技術(shù)去離子水為溶劑的隔膜環(huán)保配方，減少隔膜制備過程對環(huán)境的污染；流延的連續(xù)化制備工藝，保證隔膜的厚度均勻性，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)；多張隔膜生坯在400噸壓力條件下熱壓隔膜成型。流延連續(xù)制備隔膜生坯熔融碳酸鹽燃料電池研究進(jìn)展400噸熱壓機(jī)孔徑范圍0.1~0.4μm電極連續(xù)批量制備技術(shù)以水為溶劑的流延制備方法，電極平整度和厚度均勻性得到控制；以氨分解氣氛燒結(jié)爐進(jìn)行電極的燒結(jié)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)；電極孔隙率達(dá)到50～70%，孔徑5～10um。流延電極生坯電極燒結(jié)電極SEM及孔徑分布熔融碳酸鹽燃料電池研究進(jìn)展輕型雙極板雙極板重量由10kg下降到3kg成本降低到機(jī)械加工的1/4采用蛇形流道，氣體分布更均勻面積易于放大。組合式雙極板熔融碳酸鹽燃料電池研究進(jìn)展進(jìn)一步將單電池面積放大至2000cm2，并完成100節(jié)電池堆的組裝與運(yùn)行，輸出功率達(dá)到

10kW以上。熔融碳酸鹽燃料電池研究進(jìn)展進(jìn)一步優(yōu)化隔膜、電極等關(guān)鍵材料，將電流密度提高至

1

2

0

m

A/c

m

2

以上，并組裝了1.5kW的短堆進(jìn)行長周期的可靠性與穩(wěn)定性驗(yàn)證，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過960小時(shí)，性能穩(wěn)定，驗(yàn)證了所制備材料的性能燃料電池堆的發(fā)電效率達(dá)到了

51.9%（低位熱值），陽極燃料利用率69%。先后進(jìn)行了225cm2及

760cm2電池堆的組裝、燒結(jié)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)，電池在0.7V恒壓放電時(shí)，電流密度達(dá)到

110mA/cm22009-20132014開發(fā)出國內(nèi)最大功率的2kW熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，單電池面積為760cm2，峰值輸出功率達(dá)到3.16kW，電流密度達(dá)到80mA/cm2，成功掌握了大面積熔融碳酸鹽燃料電池隔膜、電極以及電池堆組裝等關(guān)鍵技術(shù)。2015進(jìn)一步將單電池面積放大至1000cm2，并完成100節(jié)電池堆的組裝與運(yùn)行，輸出功率達(dá)到5kW以上。201620172014

~

今~……2020年，實(shí)現(xiàn)20-100kW熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)，發(fā)電效率達(dá)到47%，熱電聯(lián)產(chǎn)效率>80%，MCFC混合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率>55%,在國內(nèi)工業(yè)園區(qū)、制造廠等進(jìn)行示范推廣。2019年電池面積0.3m220kW電堆與系統(tǒng)發(fā)電效率45%2020年電池面積0.3m220~100kW發(fā)電系統(tǒng)與示范發(fā)電效率47%熔融碳酸鹽燃料電池研究進(jìn)展能源消費(fèi)革命。抑制不合理能源消費(fèi)，堅(jiān)決控制能源消費(fèi)總量。能源生產(chǎn)革命。建立多元化的能源供應(yīng)體系，降低對煤炭的過度依賴，使能源結(jié)構(gòu)向清潔、低碳方向發(fā)展能源技術(shù)革命。需要技術(shù)的突破，靠技術(shù)的革命，持續(xù)地降低成本，拓展新能源的應(yīng)用領(lǐng)域能源體制革命。還

原能源的商品屬性，形成主要由市場決

定能源價(jià)格的機(jī)制能源國際合作燃料電池應(yīng)用市場分析2012－2018年固定式燃料電池出貨量（MW）燃料電池應(yīng)用市場分析日本Ene－Farm和Bloom公司是固定式燃料電池銷售的主要貢獻(xiàn)者，并且其銷售額仍在增長。ENE-FARM計(jì)劃2020年、2030年分別實(shí)現(xiàn)家用燃料電池累計(jì)裝機(jī)量達(dá)140萬套和530萬套，對應(yīng)成本有望進(jìn)一步下降到50萬日元/套（約3萬元/臺套）。裝置的成本從導(dǎo)入補(bǔ)貼時(shí)超過17萬人民幣的單價(jià)，到目前每套系統(tǒng)補(bǔ)助降低至約1.7萬人民幣，用戶只需再承擔(dān)約7萬人民幣。燃料電池應(yīng)用市場分析燃料電池應(yīng)用市場分析德國，聯(lián)邦政府于2016年發(fā)起了FC

mCHP市場激活計(jì)劃—KfW

433，根據(jù)輸出功率的大小為裝置安裝提供7050-28200歐元的補(bǔ)助金。該項(xiàng)目在2017年的計(jì)劃是支持1500套250W-1.5kW的裝置，長期目標(biāo)是每年為7.5萬套裝置提供補(bǔ)助。歐洲由FCH

JU（燃料電池和氫氣聯(lián)合）實(shí)施了

Ene-field示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目于2017結(jié)束，歷時(shí)5年，共支持了1046套300W-5kW的PEM和SOFC的mCHP系統(tǒng)。PACE項(xiàng)目接棒Ene-field，在2018年在歐洲10個(gè)國家布置至少2500套裝置。日本東西電網(wǎng)由背靠背換流站連接電力傳輸能力不足關(guān)東地區(qū)采用了歐洲標(biāo)準(zhǔn)，50赫茲頻率。關(guān)西地區(qū)采用美國標(biāo)準(zhǔn)，

60赫茲供電。日本的住宅能源需求量很大并且一直保持增長的態(tài)勢。日本是多地震國家，供電穩(wěn)定性欠佳。日本是資源缺乏國家，需要發(fā)展低碳清潔高效的能源技術(shù)。燃料電池應(yīng)用市場分析歐洲國家面臨著解決居民供暖問題的同時(shí)避免電網(wǎng)鋪設(shè)帶來的高額投資的問題，無疑這一技術(shù)是個(gè)看上去不錯(cuò)的解決方案之一。歐洲的燃?xì)赓M(fèi)用相對低廉。中國擁有社會主義特色的強(qiáng)大的安全的統(tǒng)一電網(wǎng)，輸電可以到達(dá)偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村。農(nóng)村冬季取暖采用政府補(bǔ)貼方式進(jìn)行煤改電改造。城市冬季采暖采用集中供暖方式。從中國國情出發(fā)，中國國內(nèi)難以推廣和發(fā)展

1~5kW家用燃料電池冷熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)！燃料電池應(yīng)用市場分析100kW~MW的分布式熱電聯(lián)產(chǎn)燃料電池技術(shù)適合中國的國情。燃料電池應(yīng)用市場分析燃料電池應(yīng)用市場分析京津冀魯、長三角、珠三角等大氣污染防控重點(diǎn)區(qū)域和省級重點(diǎn)城市，工業(yè)園區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、商業(yè)建筑的熱、冷負(fù)荷需求旺盛；國內(nèi)工業(yè)園區(qū)及商業(yè)建筑對燃料電池產(chǎn)品的功率要求在200kW~MW級水平。2020年將天然氣在能源利用中的比重由目前的3%提升到11.3%。對天然氣分布式發(fā)電技術(shù)的需求將會不斷提高。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)無法解決污染物排放的環(huán)保問題和噪音問題。MCFC在效率、污染物排放、噪音、運(yùn)維成本等方面具有先天優(yōu)勢。燃料電池應(yīng)用市場分析燃料電池應(yīng)用市場分析中國制氫工業(yè)基礎(chǔ)良好。中國工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)量充足。氫能作為儲能介質(zhì)能夠橫跨電力、供熱和燃料三個(gè)領(lǐng)域，促使能源供應(yīng)端融合，提升能源使用效率。以氫燃料電池為核心的分布式能源網(wǎng)絡(luò)可提高能源利用效率?？梢砸劳袣淙剂想姵丶夹g(shù)，建立分布式能源網(wǎng)絡(luò)，做到區(qū)域或城市電力、熱能和冷能的聯(lián)合供應(yīng)。

中國的環(huán)境壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他國家，在綠色低碳能源革命的市場環(huán)境下，MCFC在中國無疑具有天時(shí)地利與人和的發(fā)展優(yōu)勢。燃料電池應(yīng)用市場分析熔融碳酸鹽燃料電池經(jīng)濟(jì)性與應(yīng)用前景熔融碳酸鹽燃料電池經(jīng)濟(jì)性與應(yīng)用前景熱電聯(lián)供系統(tǒng)類型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)微型燃?xì)廨啓C(jī)燃料電池系統(tǒng)功率kW503025燃?xì)庥昧縈MBtu/hr0.60000.42200.2354燃?xì)鈨r(jià)格，$/

MMBtu7.437.437.43電價(jià)，$/kWh0.16960.16960.1696系統(tǒng)價(jià)格，$/kW221029709100運(yùn)行&維護(hù)費(fèi)用，$/kWh0.0220.0300.030年使用率0.950.950.95每年電費(fèi)節(jié)省，$/年705604233635280每年供熱費(fèi)節(jié)省，$/年13554135699849每年燃?xì)?運(yùn)行維護(hù)費(fèi)總額，$/年462623359821842使用系統(tǒng)后年能源費(fèi)節(jié)省，$/年378522231623287每度電節(jié)省費(fèi)用，$/kWh0.09100.08940.1119設(shè)備回收期，年2.923.999.77MCFC成本降低空間當(dāng)前，國內(nèi)燃料電池堆成本1.2萬元/kW左右。燃料電池成本隨著容量放大和技術(shù)進(jìn)步可降低50%以上，電池堆成本達(dá)到6000元/kW以下,與微型燃?xì)廨啓C(jī)形成競爭，應(yīng)用于分布式電站。熔融碳酸鹽燃料電池經(jīng)濟(jì)性與應(yīng)用前景MCFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)降低成本的步驟：進(jìn)行100kW小規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示范，系統(tǒng)成本5萬元/KW，驗(yàn)證技術(shù)的可靠性。建設(shè)5MW的小型生產(chǎn)線，對熔融碳酸鹽燃料電池的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，將電池堆的生產(chǎn)成本降低50%，通過集成優(yōu)化其他輔助設(shè)備的成本降低50%，使系統(tǒng)的生產(chǎn)成本降低到2萬元/KW。建設(shè)年產(chǎn)50MW的燃料電池生產(chǎn)線，燃料電池堆生產(chǎn)成本降低到3000-5000元，與燃料處理、電子負(fù)載、尾氣催化燃燒循環(huán)等輔助設(shè)備廠家形成良好的配套，組成完整的MCFC系統(tǒng)集成生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，將成本控制在

1萬元以內(nèi)，與