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关于燃料电池发电手艺科研报告

2019年5月23日,科技部高技术中心“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项办公室(以下简称“专项办”)组织专家组在北京对国家能源投资集团有限责任公司(原神华集团有限责任公司)牵头的“CO2近零排放的煤气化发电技术”项目进行了中期检查。项目推荐单位中国煤炭工业协会代表,项目牵头单位相关负责人,项目负责人彭苏萍院士和骨干成员,专项总体专家组组长姚强教授、副组长张忠孝教授及责任专家、同行专家和财务专家等检查组专家,以及专项办相关人员等60余人参加了会议。

2019年4月28-29日,科技部高技术中心“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项管理办公室(以下简称“专项办”)组织专家组在北京对华北电力大学牵头的“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”项目进行了中期检查。项目推荐单位教育部科技司代表,项目牵头单位管理部门代表,项目负责人、课题负责人和骨干成员,专项总体专家、同行专家和财务专家等检查组专家,以及专项办相关人员约50位代表参加了会议。

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专家组考察了中国矿业大学(北京)的kW级SOFC/SOEC测试系统、及中国华能集团清洁能源技术研究院的20kW级MCFC发电系统。在检查会上,专家组听取了项目负责人彭苏萍院士关于项目基本情况、取得的阶段性进展及成果、人员及经费投入使用情况、项目组织管理、存在的问题及建议等方面的执行情况报告,审阅了检查资料;专家组就项目需解决的关键核心技术如SOFC的基础理论研究深度、系统初步测试结果、量化指标的第三方测评、IGFC关键设备及经济性分析研究等许多研究内容提出了建议。

本次中期检查包括现场检查和会议检查两部分。在现场检查中,专家组详细考察了150kW超高参数二氧化碳流动传热实验台,听取了项目团队建台方案选择、关键部件设计制造及采用“挂图施工”管理工作经验介绍。检查会上,项目负责人徐进良教授对照中期检查要求对项目执行的总体进展、阶段性成果及经费使用情况等进行了介绍;检查专家组审阅了相关材料,经质询研讨与提问,专家组一致认为本项目总体进展正常,执行期内项目目标和考核指标有望实现;同时,专家组还提出加强燃煤发电CO2循环热力系统各种方案比较研究、系统概念设计工程可实现性研究等宝贵和有益的建议。

摘要:本文概述了燃料电池的工作特点和原理,介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状,对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估,展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响,它将使传统的电力系统产生重大的变革,它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。关键词:燃料电池 发电 电网 调峰1.引言能源是经济发展的基础,没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革,从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机,每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。 随着现代文明的发展,人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能,受卡诺循环及现代材料的限制,在机端所获得的效率只有33~35%,一半以上的能量白白地损失掉了;二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说,虽然采用的技术在不断地升级,如开发出了超高压、超临界、超超临界机组,开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术,但这种努力的结果是:机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升,到用户的综合能源效率仍然只有35%左右,大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。1839年英国的Grove发明了燃料电池,并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称,并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上,燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展,英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代,这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始,氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域,同时,兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始,各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能,直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。依据电解质的不同,燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池及质子交换膜燃料电池等。燃料电池不受卡诺循环限制,能量转换效率高,洁净、无污染、噪声低,模块结构、积木性强、比功率高,既可以集中供电,也适合分散供电。大型电站,火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率,但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户,因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要,电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰,有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急,这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上,燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电,是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,没有转动部件,理论上能量转换率为100%,装置无论大小实际发电效率可达40%~60%,可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用,没有输电输热损失,综合能源效率可达80%,装置为集木式结构,容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比,非常灵活。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测,燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏,在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下,研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义,这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。2. 燃料电池的特点与原理由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能,因此,它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化,可以避免中间的转换的损失,达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点: 不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率; 不管装置规模大小均能保持高发电效率; 具有很强的过负载能力; 通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛; 发电出力由电池堆的出力和组数决定,机组的容量的自由度大; 电池本体的负荷响应性好,用于电网调峰优于其他发电方式; 用天然气和煤气等为燃料时,NOX及SOX等排出量少,环境相容性优。 如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。燃料电池按其工作温度是不同,把碱性燃料电池、固体高分子型质子膜燃料电池和磷酸型燃料电池称为低温燃料电池;把熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化型燃料电池称为高温燃料电池,并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的,把PAFC称为第一代燃料电池,把MCFC称为第二代燃料电池,把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。燃料电池其原理是一种电化学装置,其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部,因此,限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给,进行反应。原则上只要反应物不断输入,反应产物不断排除,燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。

专项办相关负责人在总结中提出了几点建议和要求:一是不断总结以往SOFC燃料电池技术研究工作所取得的宝贵经验;二是进一步加强该技术方向的基础研究深度和广度,同时加强经济性分析,推动SOFC技术实实在在的发展;三是不断加强项目组织协调管理,开展项目内的技术交流,并充分发挥燃料电池技术专家的重要咨询作用;四是细化项目下一阶段工作计划,做到有的放矢,推动项目目标的顺利实施。他表示,专项办将继续积极落实相关文件精神,做好精准服务。

专项办有关同志肯定了项目负责人依照项目实施方案编制“甘特图”,并根据项目进展进行优化动态调整,指出采用“挂图施工”是促进项目有效推进实施的重要管理举措之一,希望项目团队在未来工作中针对项目的难点和重点,充分发挥项目专家组的咨询作用,加强学科融合,为下一步的研究奠定基础。

氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电觧水的逆过程。电极应为: 负极: H2 + 2OH- →2H2O + 2e- 正极: 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH- 电池反应:H2 + 1/2O2==H2O

该项目目标是通过研发整体煤气化燃料电池发电(IGFC)系统,实现煤炭清洁、高效发电和CO2捕集,解决煤炭发电因CO2捕集带来的效率下降和成本增加的瓶颈问题。

超高参数二氧化碳(简称“S-CO2”)燃煤发电系统采用高温高压二氧化碳代替水蒸气,实现动力循环和电力生产。本项目以1000MWe级S-CO2燃煤发电系统为研究对象,提出全流程一体化的大型S-CO2燃煤发电系统的概念设计,为我国发展该变革性发电系统提供理论和技术支撑。

另外,只有燃料电池本体还不能工作,必须有一套相应的辅助系统,包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极和空气极、及两侧气体流路构成,气体流路的作用是使燃料气体和空气能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同,经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子相关,发生的反应为:燃料极:H2 =2H+ + 2e- 空气极:2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O 全体:H2+1/2O2 = H2O

氢氧燃料电池组成和反应循环图

在燃料极中,供给的燃料气体中的H2 分解成H+ 和e- ,H+ 移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e- 经由外部的负荷回路,再反回到空气极侧,参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e- 不间断地经由外部回路,因而就构成了发电。并且从上式中的反应式可以看出,由H2 和O2 生成的H2O ,除此以外没有其他的反应,H2 所具有的化学能转变成了电能。但实际上,伴随着电极的反应存在一定的电阻,会引起了部分热能产生,由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件,产生的电压通常低于一伏。因此,为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离,采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件,PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定,电流与电池中的反应面积成比。

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