2024年02月21日 星期三
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家庭用燃料电池 (系列讲座8)

2019/10/16 14:35:372068

一、分布式燃料电池电站

分布式供电是最近兴起的供电方式,是指将发电系统以小规模(数千瓦至50MW的小型模块)、分散式的方式布置在用户附近,可独立地输出电、热或(和)冷能的系统。这个概念1978年由美国公共事业管理政策法公布后正式在美国推广,然后被其他发达国家接受。据专家估计,未来分布式发电将为美国提供将近30%的电力。分布式供电方式最大的优点是不需远距离输配电设备,输电损失显著减少,并可按需要方便、灵活地利用排气热量实现热电联产或冷热电三联产。常规电站发电效率约为35%,供电损失4%,未利用的废热达61%。而燃料电池电站的综合效率可达70%~80%,未利用的废热只有20%~30%,大大提高了能源利用率。直接安置在用户附近的分布式发电装置与大电网配合可大大地提高供电可靠性。2003年在美国、加拿大发生的大范围电网停电事故,使人们对分布式电站格外感兴趣。可再生能源分布式发电系统对能源密度的要求远低于集中供电方式;而且,通过与氢能技术相结合,可以在很大程度上克服可再生能源资源不稳定、能源密度低的缺点。因此,分布式氢燃料电池电站具有较大的优势。燃料电池电站的环境效益比普通火力发电好得多。据统计,CO 排放量减少30%~40%,NO 排放量减少60%~90%,而与之形成鲜明对比的是美国电力公司接受“天价罚单”。2007年10月8日美国主要电力企业——美国电力公司与美国司法部门达成和解协议,同意接受46亿美元罚金。1999年,美国环保局及美国多个州联合状告美国电力公司,没按要求安装污染控制设备,致使排放物形成酸雨,对自由女神像等美国标志性建筑造成无可挽回的污染损害。从罚款协议金额看,这一案件是美国政府在环境问题上作出的最严厉的处罚。

二、社区用分布式热电联供燃料电池电站

社区用分布式热电联供燃料电池电站一般指功率在100kw以上的电站。目前,已经示范的这类电站主要有磷酸盐燃料电池(PAFC)电站、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)电站和固体氧化物燃料电池(SOFC)电站。1 磷酸燃料电池(PAFC)电站(1)磷酸燃料电池电站技术的发展概况20世纪60年代中期美国为了把燃料电池转为民用,美国联合技术公司(UT)和美国32家煤气公司共同开展“目标计划(1967-1975)”,计划发展经济的供家庭用、小型商用及工业用户用的天然气燃料电池供电装置。该计划发电装置的规模为12.5kW(家庭最大用电要求),使用重整后的天然气做燃料,电池组以磷酸燃料电池为主,融熔碳酸盐燃料电池为后备技术。1973年对12.5kW磷酸燃料电池进行了详细评价。1973~1975年间60个12.5kW的PC-11磷酸燃料电池实验电站,在美国、加拿大和日本进行了现场试验,在不同的环境和运行条件下,它们都运行了三个月左右,取得了有关技术、经济、维修、对负载的反应特性、可靠性等方面的宝贵数据。1977~1985年问,美国煤气协会(GRI)继续推进该计划的研究工作,开发了50座40kW的发电站。随后出于经济角度考虑,决定发展200kW发电站,并从1992年开始批量生产。1971年,美国能源部(DOE)委托美国联合技术公司,组织9家电力公司研究燃料电池在电力工业上的应用,称为FCG-1计划,该计划的日标是建立大型燃料电池发电站。1977年建成1MW电站,1980年在纽约建成4.5MW试验电站,1983年在东京建成第二个4.5MW的试验电站,后来又发展成商品PC-23型11MW电站,于1991年3月在东京开始发电。美国是最早发展PAFC电站技术的国家,而日本是PAFC电站技术发展最快的国家,仅用了 10~15年的时间,就和美国并驾齐驱,成为世界上PAFC电站技术发展水平最高的国家。日本政府自1981年开始执行“月光计划”,即国家的燃料电池发展计划(日本政府的燃料电池研究和发展计划自1974年开始作为“阳光计划”的一部分,1981年转成“月光计划”)。在198l~1986年期问,“月光计划”预算拨款4400万美元,其中3000万美元用于发展PAFC系统,用于发展小型分散供电电站和大型集中供电电站。月光计划原为10年计划,1987年改为15年计划(到1995年),总研究与发展经费预算为570亿日元。日本的煤气公司和电力公司从20世纪70年代起,以参加美国的目标计划和FCG-l计划的形式,开始研究和发展燃料电池。他们参加了12.5kW、40kW等PAFC分布式电站的示范试验,并引进了1MW和4.5MW电站,以取得燃料电池的运行、维修等方面的经验;与美国技术台作建造11MW电站并已成功运行。日本制造商在电力公司、煤气公司的通力合作下,已可生产各种规格的PAFC电站,这些公司主要有富士、东芝、三菱、日立。日本在自己能制造各种规格的PAFC电站后,仍然不断购买美国产品,以便更快地掌握了制造、运行PAFC电站的先进技术。欧洲的英国、德国、荷兰、比利时、意大利、丹麦、瑞典、芬兰等九个国家22家公司于1989年9月1日成立了欧洲燃料电池集团(EFCG),总公司设在伦敦。他们购买美国、日本的PAFC电池电站进行示范试验,以取得PAFC在欧洲的运行、维修经验;并利用自己在燃料处理及交、直流电能转化方面的先进技术来开展PAFC电站技术的研究和发展工作。(2)磷酸燃料电池电站技术的现状从美国和日本的情况来看,PAFC电站技术已进入大规模示范阶段,对各种规格型号的PAFC电站都进行了大量的示范试验及场地试验,积累了大量的建造、运行、维修等方面的经验,并针对出现的问题做了改进,PAFC电站发展进入大量投放市场的第三个发展阶段。目前,全球约有260台功率为200kW的PAFC在运行。我国广州也有一台200kW日本产PAFC电站。美国UTC公司的PureCell 200型电站(即以前的PC25 C型PAFC电站),是200kwPAFC产品系列中最先进的一种,可提供200kW的电力,特点是:①环境友好,NO 、SO 排放量极少,且低噪音、低振动;②综台效率高达80%以上,其中电效率40%以上,热效率40%以上;③可用多种燃料,如:天然气、液化石油气、沼气等。

PAFC电站主要由燃料重整部分、燃料电池部分、电源输出和热量输出四部分组成。甲醇、天然气等燃料首先在重整器中制成符合燃料电池要求的氢气,然后进入燃料电池,燃料电池发出的电经逆变转换器,转换成标准交流电输出,与现有的电器设备匹配。燃料电池生成热由热量输出部分转化为所需要的热水或蒸汽供给用户。从外部看, PC25 C型PAFC电站已经一体化装配在一起,只有冷却风机组放在远离主机的地方。整个系统可以由电脑远距离遥控运行。表1给出其详细技术参数。

 

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表1 PC25 C型燃料电池电站技术参数

通过PAFC电站示范试验,人们发现其电效率在35%~4l%之间,容量大的电站效率高些。热电联供时,总效率为71%~85%。环境适应性也很好,PAFC对环境的污染很小。2 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)电站美国能源部(DOE)将MCFC和SOFC定位为即将商业化的分布式电源,并给予大量资助。目前,MCFC电站一般都足250kW,更大容量的电站则采用多台并联的方式。美国FCE(Fuel Cell Energy)公司(原ERC公司)正在进行常压内重整式MCFC燃料电池的开发。FCE公司的250kW电堆由340片电极面积为0.84m 的单电池组成,于2000年6月末停止运行,运转时间长达1180小时,期间还进行了无人看守运行、6次热循环,负荷跟踪运行等试验。这期问最大输出功率为263kW,发电总量为1905MWh,综合效率达75%(LHV)以上,设备利用率越过95%,电池电压平均变化±1.5%,排放的SO 于0.05ppm。FCE公司还设计了与小型燃气轮机耦合的250kW高效率发电设备和40MW超高效率发电设备。2001年初,美国已经在洛杉矶及亚拉巴马州安装了250kW的MCFC电站,并开始运营。日本的1000kW级MCFC电站由4台250kW级电堆、1台重整器及其他设备组成。电站的设计指标是电池工作压力0.49MPa;电池出口温度670℃时,发电端效率为46.7%;送电效率为40.6%。从1999年3月安装完成,到2000年l月结束试验,总运行时问4211小时(电池入口温度达560℃以上开始累计),累计发电时间2669小时,累计额定发电时间1264小时,其中最长连续发电时间793小时,累计发电量2103MWh。

以德国戴姆勒-克莱斯勒公司的子公司MTUFriedrichshafen GmbH(MTU)为中心的财团正在开发250kW级常压内重整式MCFC燃料电池电站(图1)。MTU为了使电池面垂直,把美国FCE公司生产电堆的电池横向排列,并把它装入横置的圆筒内,筒内采用高温空气循环结构。因此,更加小型化和高效率化。2001年春季在Rohm KIinikum医院开始运营。

 

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图1 汉诺威工业博览会上MTU公司展示的250kW MCFC电站

 

韩国以韩国电力公司为中心,正在开发外部改质式电堆。此前,已开发了25kW级电堆。在此基础上提出了到2006年开发出250kW级电堆和到2010年之前开发出1MW级设备的开发计划。我国上海交通大学和火连化学物理研究所,在2001年初分别实现了1kW级MCFC的运转。今后,计划开发50kW级的MCFC电堆。虽然MCFC单电池已有4万小时连续运行的记录,但是要达到实用电堆连续运行4万小时的目标,还需要进一步努力。目前制约电沲寿命的因素是:①氧化镍在空气极溶解和析出而造成的内部镍短路;②不锈钢双极板等金属材料的腐蚀问题;③MCFC运行过程中的电解质损失;④隔膜的粗孔化等等。为了实现商业化,还应该进行更深入的技术开发。3 固体氧化物燃料电池(SOFC)电站在固体氧化物燃料电池(SOFC)的研究开发中,20世纪末最大的事件就是1998年德国西门子公司收购了美国的西屋公司的SOFC分部,组成SWP公司。美国西屋公司的SOFC分部曾是世界上最强的高温SOFC(工作温度高达1000℃)研发单位,它被收购,表示高温SOFC进入市场将更加困难。常压型SOFC混合发电系统最大限度地利用了SOFC高温排气的特性,生产出具有附加值的高温蒸汽,综合热效率达到80%以上。由于没有燃气轮机,所以工作环境非常安静,不需要加压容器,极有可能小型化。SWP公司的常压型SOFC混合发电系统中,空气先由风机(或者压缩机)送往再生器,升到规定的温度后,通过空气预热器加热空气供应给电池模块。天然气经脱硫器脱硫后由风机(或者压缩机)供应给电池模块,通过SOFC进行发电,排出的气体送人系统进行热回收。热回收系统一般由混合发电系统的水蒸气发生器、再生器、热水加热器等构成。SOFC发电产生的直流电,在供给系统等负荷前,送往功率调整系统,变换成交流电。此外,空气预热器在启动时使用。为了控制温度,可以将一部分空气从再生器旁路供给电池模块。电站停机时,必须使用净化系统以保证安全。SWP公司进行示范运行的100kW级常压型SOFC混合发电系统的电池模块由1152个外径为22mm,有效长度为150mm,有效面积为834cm 的圆筒式单电池组成。这个电堆有两组电堆,每组电堆由576个单电池组成。

日本目前可以生产小功率的SOFC电站。2006年在日本爱知县举办的世博会上,日本就采用自产的50kW固体氧化物燃料电池电站(图2)和其他类型的燃料电池电站一起为世博会供电。

 

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图2 2006年日本世博会上的50kW SOFC电站

 

三、家用热电联供燃料电池电站

家用热电联供燃料电池电站主要指功率为千瓦级的燃料电池电站。如图3所示,图左下角是1kW家用电站,高柜子是热水罐。家用电站用城市煤气作燃料,经燃料电站给家庭供电,同时供应热水。由于国情不同,各国的家用燃料电池电站功率相差较大。比如,美国发展5~7kW的燃料电池电站,日本则发展0.7~lkW的家用燃料电池电站。1 北美家用燃料电池电站加拿大巴拉德(Ballard)公司开发了AirGen 不间断电源,可以确保计算机安全工作(图4)。

Ballard公司于2001年开发了Nexa PEMFC电源(图5),其输出功率1200W,22~50V直流电,电流46A,寿命为1500h。使用99.99%的氢,消耗量为18.5标准升/分钟。尺寸为56×25×33(长×宽×高)厘米,重量13公斤。最大排放0.87升水/时,噪音在机器1米处高于72分贝。

 

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1997年成立的普拉格(Plug Power)公司是美国著名的从事家用燃料电池公司,目前主要产品是5kW燃料电池电源,由于家用燃料电池市场不大,这种电池主要用作不间断电源,故未考虑供应热水和交流电输出。GenCore型设计参数为:输出功率5kW,工作电压48V直流或120V直流电。氢气作燃料,在5kW时,氢气耗量为75SLM,可在-40℃~46℃环境下工作,尺寸为1.12米×0.66米×0.61米,重约227公斤。离电站1米远处噪音小于60分贝。2 日本家庭燃料电池电站

日本有多家公司在开发lkW级家用燃料电池电站。2007年在日本东京举办的第2届国际氢能与燃料展上,数家公司展出了他们的展品,如图6所示为3家公司的产品,其中矮柜为燃料电池电站,高柜为热水储罐。

 

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图6 日本1千瓦家用燃料电池电站

 

日本三菱重工开发出了“固体高分子型燃料电池(PEFC)”发电机组。通过把管线嵌入电池封装的底座和侧壁等改进措施,实现了小型化,同时大幅降低了电池本身的发热损耗,有望达到最高水准的系统发电效率。电池本身容积为180L,高1.0m 、宽0.6m 、纵长0.3m,可以放置到公寓阳台上。采用1kW燃料电池,每天可随时起动、关闭,即使输出功率减小也可高效工作。三菱电器公司和Ballard 公司分别研发成功长寿命燃料电池堆。1kW的燃料电池电站,可为家庭供应电力和热水,该电站的寿命已经超过1万小时。到2007 年,日本已经示范近千台这类家用燃料电池电站,收到很好的效果。3 我国发展中的分布式燃料电池电站

我国有数家公司可以制作5kW 级质子交换膜燃料电池(PEMFC)电站,如上海神力公司、北京富原公司、北京飞驰绿能公司等。图7为清华大学核能与新能源技术研究院在2004年世界氢能论坛上展示的5kW质子交换膜燃料电池电站。不过,到目前为止,国产燃料电池电站只能用氢气作燃料,还不能直接使用天然气。

 

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图7 清华大学核能与新能源技术研究院的5kW质子交换膜燃料电池堆

 

据了解目前北京几家单位正在联合攻关研制10kW分布式燃料电池电池,该电站将用天然气为燃料,经电站内的天然气重整器,将天然气转换为氢气,再由质子交换膜燃料电池发电,最后,将燃料电池发出的直流电变为日常生活中用的交流电。如果进展顺利,可望为奥运会添彩。