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春华秋实:随时发电,纵使在戈壁和雪原

iNews 2022-08-01 16:44:00



武汉新能源研究院,已在创新奔跑中,步入第六个年头。


2016年,我们背靠华中科技大学电气学院、能源学院等多个优势学科,以成果转化为核心使命,市校共建了武汉新能源研究院。象征新能源之花的马蹄莲大楼,成为了光谷乃至湖北的创新地标。


过去六年,新能源研究院一直围绕两个大的方向性任务不懈探索:清洁能源的规模化利用和传统能源的清洁高效利用。一批重塑未来格局的源头创新,在这里发生;一批高质量的科技成果转化项目在这里崭露头角。


当前的武汉已全面吹响争创综合性国家科学中心、国家科技创新中心的号角,并启动建设光谷科技创新大走廊、东湖科技城,一批大科学装置规划,都与新能源密不可分。可以说,这是一场关于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共创低碳中国,更是未来城市角逐的主战场。


2022年,我们带着「INEW能见」专栏来了,在这里,每周和你分享我们的创新故事,能见=看见,能源未来。新能源创新发展之路,道阻且长,这是我们的使命,更是新的长征。



华科福赛固体氧化物燃料电池
随时发电,纵使在戈壁和雪原


从煤燃烧发电,到水利发电、太阳能发电、风能发电,直至核电,人类不断寻找着可转化为电能的自然能源。但这些发电方式,都受到不同条件的制约,诸如规模庞大、难以掌控或环境污染。

2010年,华中科技大学燃料电池研究中心传出喜讯:研究中心的李箭教授团队,实现了固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的独立发电。这是我国首次实现SOFC系统独立发电。

作为继火电、水电和核电之后的第四种发电技术,SOFC的出现,以一种新型发电装置,带来了全新的电能变革,让随时随地发电成为了可能,无论是在沙漠、戈壁还是雪域高原。

这个发电装置的核心,仅仅是由一张张电池片所组成的电堆。

与传统发电装置相比,SOFC是通过电化学反应,在750°C高温下将化学能直接转化为电能。只要源源不断地输入燃料在外围对电池片加热,这个“发电站”就能持续地输出电能,是真正的绿色能源。

2015年,该中心在国内率先自主研制出5千瓦级SOFC独立发电系统,并实现了4.82千瓦的功率输出,我国SOFC系统独立发电技术,再迎新突破。与此同时,研究中心承担的“十二五”国家863计划主题项目“燃料电池与分布式发电系统关键技术”课题——“5千瓦中低温平板型SOFC独立发电系统集成技术”,通过科技部验收。

2016年,这项突破性科技成果实现转化,成立武汉华科福赛新能源有限责任公司,在武汉新能源研究院开启了全新的产业化梦想。


革命性的“移动电站”


▲ 华科福赛SOFC单电池


“我手里这片电池片,可以发60瓦的电,神奇吧?”华科福赛总经理李锋拿着一张陶瓷薄片说,这个陶瓷底材上,“印刷”了一层非常薄的氧化锆涂层,高温下,涂层界面上会发生电化学反应。“25片叠在一起就是电堆,能发1000瓦电。”


固体氧化物燃料电池单电池,由多孔的阳极和阴极,以及致密的电解质组成。燃料气体在阳极中与氧离子反应而氧化,释放电子。电子经外路传导至阴极与氧气结合,生成氧离子。氧离子再通过电解质传输至阳极,构成回路,产生电流。


“SOFC发电系统最大的优点,是低排放、高效率、燃料适应性强,同时噪声低,可模块化,寿命长,应用领域广。”


数据显示,蒸汽轮机的转化效率约为25%-35%,普通内燃机效率为30%-45%,而固体氧化物燃料电池效率则可高达40%-60%。热电联供时算上热能贡献,转化效率最高可达90%。 


因为是全固态结构,它还避免了使用液态电解质带来的腐蚀和电解液流失等问题,其电池寿命可达4万至10万小时,相当于连续工作5至11年。


华科福赛联合创始人、首席科学家李箭说,固体氧化物燃料电池包括多种结构设计,其中包括管型或平板型,在平板型当中又可以分为电解质支撑、阴极支撑、阳极支撑,或者是金属支撑。华科福赛所研发的产品是阳极支撑固体氧化物燃料电池。


“在169平方厘米的面积上,我们可以实现功率输出60多瓦,发电效率可以大于55%,将这些单片电池堆摞而成,可以实现更大的功率输出。除此之外,我们公司还具备有金属支撑固体氧化物燃料电池的技术储备。”


他在对比锂电池和氢燃料电池时表示,锂电池是一种储存电能的装置,而SOFC是一种发电装置,两者在功能上有互补性,可以配合使用。氢燃料电池虽也是新型发电装置,但必须使用高纯度的氢为燃料,生产、储存、运输成本都居高不下。SOFC则可以“吃粗粮”,无论氢气、天然气、煤气、甲醇、乙醇、液化石油气还是煤炭,均可作为加热燃料。


风靡巨头公司的SOFC风潮


▲ 美国分布式发电装置


在美国,SOFC系统最先应用于大型科技公司、金融公司或是大学院校。

以全球领先的SOFC清洁能源公司Bloom Energy为例,其主打产品Bloom能源服务器系列产品中,容量1000千瓦的Bloom Box,就可满足3250平方米办公室或100户美国家庭用电需求。

目前,谷歌、苹果、雅虎、摩根士丹利、软银、沃尔玛、联邦快递、AT&T等众多科技和金融巨头,均是SOFC系统的用户。

在摩根士丹利总部楼顶,装有750千瓦的SOFC系统,为办公提供电能;苹果总部更是部署了10兆瓦的超级燃料电池系统;eBay总部早在2009年起,就启用了Bloom Box燃料电池组。

日产曾开发出世界首款SOFC驱动原型车e-NV200,电池容量24千瓦时,能量来源为电力和生物乙醇,油箱容积达30升,SOFC输出功率5千瓦,续航里程超过600公里。

SOFC在日本的应用较为成熟和普遍。在企业级应用中,东京燃气和大阪燃气均建造有企业级的SOFC发电站。在家用市场,日本爱信精机生产的家用SOFC热电联产系统,是目前世界上最小的尺寸系统,综合能源效率高达90%,已在日本居民家庭成规模使用。其中,家用燃料电池热电联供系统“ENE-FARM”,已部署20万套,为全球规模最大、最成功的燃料电池系统。

截至目前,SOFC系统的应用领域,主要为固定电源、交通运输和便携式电源市场,在分布式电站、应急电源、交通运输、军事和海洋等领域,前景广阔。

SOFC系统应用在分布式发电及余热供热领域中占比最大。交通运输主要服务以燃料电池作为动力的乘用车、重卡或船舶。便携式电源包括非固定安装、或移动设备中使用的燃料电池,主要应用于军事领域。


做中国SOFC能源领跑者


▲ 华科福赛联合创始人、首席科学家李箭


李箭是北京钢铁研究总院金属材料专业博士,也是美国伊利诺伊大学陶瓷工程博士,曾在美国工作生活14年,长期从事高温燃料电池、新能源材料、高强度汽车钢等研究工作。


2004年,他回到祖国,成为华中科技大学材料科学与工程学院教授,全心投入SOFC系统的研发。


11年前,在国家863计划及省市支持下,李箭团队在全国率先完成SOFC材料、制备、测试和系统集成等方面的研究开发,研制出的SOFC独立发电系统包括SOFC电堆、供气、热管理、控制单元,及直流—直流—交流功率变换等多个子系统。


6年前,李箭采用双电堆模块和热电协同管控技术,使SOFC系统发电效率达到46.5%,热电联供能量利用率达到79.7%。其中,采用的大面积单电池功率密度高达1.2W/cm²,衰减速率仅为每千小时0.41%,迈入国际先进水平。


如今,华科福赛已形成从原材料到单电池、电池堆、发电系统的完整产品链,并成功研制了1千瓦至5千瓦的独立发电系统及各种规格测试台,成为中国SOFC产业化的领军企业。


李箭说,尽管SOFC独立发电系统代表着清洁能源的方向,华科福赛已为中船、万华等企业小批量供货,但大规模工业级应用尚未落地,产业还不成熟,供应链仍不完备。在产业化道路上,工艺及流程还需通过生产不断检验优化。


“但有一些场景,已经让我们看到了SOFC的趋势和未来。”他说,例如在煤矿行业,煤层气的主要成分是甲烷,当甲烷在空气中的浓度达到5%-16%时,遇明火就会爆炸,这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气若不加以利用,直接排放到大气中,其温室效应约为二氧化碳的21倍。


但与此同时,煤层气又是一种优质、高效、安全、清洁的气体能源,SOFC技术可以使用煤层气作为燃料,用“废气”发电,变废为宝,真正实现绿色发展理念。


固体氧化物电解池制氢研究取得新突破


▲ 研发人员正在进行SOEC测试


今年5月,华科福赛研发的15×15c㎡单电池固体氧化物电解池(SOEC)电堆稳定运行时间已超过1040小时;在800°C工作温度下,最大电解功率达到831瓦,最大电解效率高于97%,每立方米产氢电耗在2.86~3.35度之间,稳定运行电解功率高于600瓦。这些SOEC技术指标在国内公开报道中处于领先水平。


氢气是高热值的二次能源,其利用不产生污染和温室气体。目前,氢气的主要生产技术是天然气重整,会产生CO₂,存在环境污染和温室效应问题。电解水制氢是氢与氧反应生成水的逆过程。


如果利用可再生风、光电和废热,SOEC电解水所生成的氢气为绿氢,不伴随任何污染和温室气体排放。与其他低温电解水技术相比,如碱性水电解槽和质子交换膜电解池,SOEC是一种高温电解水技术,具有更高的转化效率,甚至接近100%。


▲ SOEC工作原理图


该项目的技术团队经过不断的技术攻关,目前在单电池、电堆、发电系统以及测试设备等方面积累了丰富经验,形成了从关键材料、单电池和电堆制备到独立发电系统集成以及测试设备制造的能力。

SOEC的工作原理是SOFC的逆过程。从去年开始,华科福赛在其SOFC技术的基础上,开展了SOEC相关技术的研发。

作为绿色能源技术,SOFC可以利用氢气发电,SOEC可以电解水制氢,它们的结合对风光利用和储能调峰均具有重要的意义,并展示广泛的应用前景。