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于利希研究中心方庆平:欧洲高温燃料电池及其氢储能研究进展

作者:中国国际储能大会 来源:中国国际储能大会 时间:2019-05-24 浏览:

中国国际储能大会:4月24-26日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会主办的第九届中国国际储能大会在浙江省杭州市洲际酒店召开。在4月26日上午的“氢能与燃料电池”专场,德国于利希研究中心高级研究员方庆平在会上分享了主题报告《欧洲高温燃料电池及其氢储能研究进展》,以下为演讲实录:

方庆平:尊敬的各位领导,各位嘉宾,各位朋友们,非常荣幸有这样一个机会跟大家共同探讨一下SOC的可能的应用。今天这个讲题是关于欧洲的SOC研发现状的简介,重点会放在SOC的性能和指标上面,因为宏观的对能源系统、能源结构以及氢能还有新能源的分析可能在座的很多已经做了更多的工作。我们将更多从技术的角度,至少给大家提供一个初步的比较量化的指标,使大家能够了解SOC这样一个技术目前到底处在什么样的地步。

简介部分刚才已经提过了,我会举几个SOC的性能的例子,希望给大家建立一个比较初步的量化印象。总的大环境还是简单提一下,类似的图大家也都见过。这是欧盟28个成员国二氧化碳的排放量。第一个图是2015年排放量,大概有3000多兆吨。如果仅仅通过提高现有技术的效率等手段减少二氧化碳的排放量,到2050年排放量大概能减少50%左右。但是这离巴黎协议关于将大气变暖控制在2度之内的目标还差了很多,离1.5度的目标差的就更远了。那么,这1000多兆吨的缺口该如何填补呢?如果将现有的能源结构换成以氢能为主的结构,至少可以填补大概一半的缺口。

那么为什么是氢能呢?因为氢能是一个最基础的最简单的能源化工材料,里面不含碳,根本不存在减碳的问题。我们现在经常说的储能很大一部分就是把可再生能源产生的不可并网的电以氢气或其他形式存储起来,这就是一个简单的电解水的反应。氢能还有其他优势,不仅是一个很基本的化学原料,可以直接应用到化工厂里面,氢气还可以直接用在燃料电池汽车和家庭和工业取暖供电当中,氢气还可以以一定比例混入现有的天然气管道进行传输。我们在讨论电解水时,没有必要去和其他的储能技术比较电电的转化效率,因为电解水所产生的氢气虽然可以在必要的时候通过燃料电池重新以电的形式加以应用,但这不是电解水所产生的氢气的最主要的应用方式。我们这样去比没有任何意义。既然我们谈到氢气、氢能和电,那么就不可避免地要谈到燃料电池和电解水,因为燃料电池和电解水技术是将氢能和电能结合起来的最直接最有效的方式。在燃料电池中,根据燃料电池的工作温度还有材料的不同,有几种不同的燃料电池种类,我想大家多多少少有听到过一些。比如低温燃料电池,更多用在燃料电池汽车当中。不同的燃料电池种类有不同的应用范围,不同的燃料电池之间应该是相辅相成,互通有无,没有必要是你死我活的竞争关系。今天这个分会场更多谈论的是高温燃料电池或电解水。既然是高温,主要的应用方式就是固定式的应用。我在下面举的这些例子当中也更多针对的是固定式应用。

先简单谈一下欧洲目前在氢能和燃料电池研发中的现状。现在看到的图是欧盟从2008-2017年之间对氢能和燃料电池项目的资助情况。一共大概有两百多个项目。我们看到右边46%左右的资金有三亿多欧元进入到了交通领域包括燃料电池汽车、加氢站的建设。左边是固定式应用,包括制氢、储氢,以及热电联供等等。左边49%的资助项目当中,可以看到将近三分之一用在制氢、储氢。40%左右用于技术的实现,更多是示范性质的项目。只有25%左右用在固定式的应用研发当中。真正用于研发的实际上占得相当少。

下面这个图显示的是从2008年开始每一年资助项目的总数,绿色是高温燃料电池和电解水相关的项目。总体而言欧盟对SOC的资助力度还是比较稳定的。从2014年开始个数有所减少,但其中也是有原因的。当项目涉及到示范性质时,投入资金比较大,也会更加集中。这张图里面是欧盟对固定式应用在科研方面的资助情况。欧盟在对燃料电池的衰减、寿命还有新一代的燃料电池等等方面的支持力度还是比较稳定的。然而在材料的研发方面,2016年开始就已经没有新的项目了。欧盟在燃料电池方面的一个趋势,就是要把燃料电池从实验室里面拉出来,推广到市场当中。在这个过程当中,欧盟最注重的,一个是寿命,一个是成本。总体而言,欧盟目前真正的基础性的材料研发不是很多,当然小规模的材料研发肯定还是有的。

在谈到欧盟的氢能和燃料电池的发展时,就不得不谈到德国,倒不是因为我从德国过来的。在这里简单看两个例子。一个例子是欧盟ene field 项目中小型的家用热电联供系统装机图。总共装了一千多个小型的热电联供系统,超过660个是SOFC。可以清楚的看到,大部分系统都装在德国。右边是欧盟加氢站的情况。德国现有64座在运行中,到2020年加氢站要建一百座,这个计划是不会改变的。剩下的这些数字还只是一个估算,具体可不可以实现还是要根据燃料电池的汽车发展情况和生产情况。目前来说,德国应该是仅次于日本,在加氢站上面处于第二个位置。前面就简单地提一下欧洲的概况。下面更多地还是希望通过举几个例子给大家一些定量的概念。举大概四个例子,因为毕竟是固定式应用,所以更多讨论的是稳定性。一个是燃料电池的稳态运行然后是热循环性、电解池稳定性和系统的结果。这些都是以电堆或者系统的形式来测试的,不是实验室里button cell或者单片的电池的测量结果。

在这里我们看到的是四个短堆,在燃料电池模式下的运行情况。都是在700度的炉温,40%的燃料利用率,底下的时间轴是千小时。这四个电堆都至少运行了两万个小时以上。两个电堆在刚开始时显示了1%/kh的衰减率,另外两个的衰减率在0.3%/kh左右。中间是怎么来实现的?主要是把金属连接体的保护涂层从第一代换到第二代。这条红色曲线是在燃料电池领域比较有名的一个电堆,从2007年开始运行,在有负载的情况下一共运行了九万多个小时。加上无负载OCV的情况一共运行了超过十万个小时。负载运行结束的时候两片电池的OCV都还在1.25V以上。电堆运行了这么长时间更多是从材料的角度,就是要看材料在燃料电池的工作情况下运行这么长时间后到底会处在一个什么样的情况,单纯只看它们的工作电压是没有太大意义的。左边的图是电堆2007年没有烧结前的样子,右边是今年1月23日把电堆打开之后的情况。这个颜色肯定是有变化的,因为金属氧化了。否则基本上从外部看不到这个燃料电池的任何变化。这个电堆昨天刚刚打开,我们现在正在进行后处理分析。希望能够从电池片或者玻璃内部结构更多地分析电堆的性能,来更好的分析和理解这十万个小时的电堆衰减情况。

我们现在看到的是电堆和实验台没有进行过任何清洁后的样子,打开炉子之后就是这种情况。最初还考虑到有可能会有金属氧化层的剥落情况。我们自己对这个情况也非常惊讶。这是一个直接的证明,金属连接体还有封接材料运行十万个小时是有可能的。前面看到的是短的小堆,每一个连接体只有一个十乘十的单电池片。为了提高电堆的功率,现在通过这种形式,在同一层里面集成四片电池的窗式结构来增加电池堆的功率。这样至少有两个好处,一个好处是可以避免或者是减少对大尺寸单电池的依赖性。因为这种尺寸的单电池制造不是那么容易得到,另外大功率的电堆在系统集成方面还是有它的优势所在。下面这两个图显示的是大的窗式结构的电堆,进行热循环下的表现。左边是干燥氢气下的开路电压,右边是有负载情况下的。可以看到进行了80个循环以后,开路电压基本保持在1.15V以上。从有负载情况下的电压来看,基本上没有什么衰减,衰减率非常低。前面看到的是这种比较厚重的或者换个角度来说比较稳定的电堆的设计。性能不错,但是这种电堆从生产工艺和成本的角度来说暂时没有什么太大的优势。

因此,我们希望通过这种薄片式的连接体把电堆的质量和体积都减小,使电堆也有可能在移动式应用中使用。这种设计和前面的厚重式的结构相比,起步略微晚一些。但是这是今后我们更多的工作重点。下面这个图就是刚才说的这种电堆进行热循环的表现图。这个电堆一直还在运行中。我估计到今天应该大概有380多个循环。这也是在炉子中进行的。现在看到的图是大概进行到320个循环的结果。可以看到所有的OCV值都在1.2V以上。在有负载的情况下,衰减率是0.02%每一次循环。这个衰减率是非常低的,基本可以忽略不计。

我们今天更多的讨论是储能,就SOC来讲,实际上就是一个电解水或者共电解。现在看到的就是SOC在燃料电池和电解水形式下可逆的表现。在电解水情况下阻抗会大一些,因为温度低于燃料电池模式,但是确实也跟反应的活化能是有关系的。右边这个图是水和二氧化碳共电解的情况,可以看到没有什么区别。下面展示的是电解水长期稳态运行的结果。这个电堆2014年开始,电解模式下总共运行了将近一万九千个小时。前面是在三个不同的温度下进行的各两千个小时的电解,后来电堆就保持在800℃炉温下继续电解。可以看到总的衰减率是在0.6%/kh。这个衰减更多的是电解质和燃料电极之间镍偏移而引起的。这从阻抗分析和电镜分析中可以得到很清晰的解读。

系统层面,这是一个20千瓦的SOFC系统,实际上在2003年左右,系统的框架就已经搭好了,只是一直在等电堆。2013年,这四个5千瓦的电堆终于建好了,系统才开始测试。这四个塔里每个包括一个五千瓦的电堆和BOP组件。这个系统还是2003年的技术水平。很多设计现在看是落后和多余的,因此系统的效率并不高,只有42%左右。在这个系统的基础上,我们后来又开发了一个5千瓦的可逆系统,5千瓦是在燃料电池情况下的。它带有废气的重新利用这么一个环节,目前也还在试验当中。最初的结果在这里展示给大家。在燃料电池的模式下系统的燃料利用率可以达到97%以上。系统效率是62%。这是氢气的系统,不是天然气的系统。在SOE的情况下,可以达到15千瓦。水蒸气和电堆的加热都还是通过电来实现的。如果可以从外部得到多余的热,这个效率就还可以更进一步地提高。通过这个图可以大致地展示一下。这是电堆在不同电压情况下的效率。也就是说,最右边没有任何热从外部得到的话,效率没有任何区别,保持在74%左右。如果有低温或者高温的热从外部得到,效率可以达到95%以上,包括将氢气压缩到70bar的能耗。。

最后简单地总结一下。总体而言,欧盟需要氢能,因为需要减排。氢能至少提供了一个可能性来达到减排的目标。电解水尤其高温电解水从长期角度来说,它可以作为制氢或者储能的重要手段。当然是从长远的角度来说。因为低温电解水在目前的技术成熟程度会更高一点。我们相信高温SOC会有更广阔的应用潜力。德国毫无疑问在欧洲范围内是氢能和燃料电池技术的重要推手。欧盟目前在氢能和燃料电池的资助重心是产业化。至少从于利希研究中心来讲,可以把SOC的技术进行充分的验证。于利希研究中心下一步的工作重点也是一方面减少电堆的成本和提高稳定性,一方面继续研发SOEC以及低温SOFC。低温SOFC从材料研发角度来说有很大的意义。真正的应用场景或者是应用结果怎么样,还有待进一步的验证。我就讲这么多,非常感谢大家!


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