鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：762次 | 2019年05月23日
歐洲高溫燃料電池及其氫儲(chǔ)能研究有哪些進(jìn)展
4月24-26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)主辦的第九屆中國國際儲(chǔ)能大會(huì)在浙江省杭州市洲際酒店召開。在4月26日上午的“氫能與燃料電池”專場(chǎng)，德國于利希研究中心高級(jí)研究員方慶平在會(huì)上分享了主題報(bào)告《歐洲高溫燃料電池及其氫儲(chǔ)能研究進(jìn)展》，以下為演講實(shí)錄：
方慶平：尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)，各位嘉賓，各位朋友們，非常榮幸有這樣一個(gè)機(jī)會(huì)跟大家共同探討一下SOC的可能的應(yīng)用。今天這個(gè)講題是關(guān)于歐洲的SOC研發(fā)現(xiàn)狀的簡(jiǎn)介，重點(diǎn)會(huì)放在SOC的性能和指標(biāo)上面，因?yàn)楹暧^的對(duì)能源系統(tǒng)、能源結(jié)構(gòu)以及氫能還有新能源的分析可能在座的很多已經(jīng)做了更多的工作。我們將更多從技術(shù)的角度，至少給大家提供一個(gè)初步的比較量化的指標(biāo)，使大家能夠了解SOC這樣一個(gè)技術(shù)目前到底處在什么樣的地步。
簡(jiǎn)介部分剛才已經(jīng)提過了，我會(huì)舉幾個(gè)SOC的性能的例子，希望給大家建立一個(gè)比較初步的量化印象。總的大環(huán)境還是簡(jiǎn)單提一下，類似的圖大家也都見過。這是歐盟28個(gè)成員國二氧化碳的排放量。第一個(gè)圖是2015年排放量，大概有3000多兆噸。如果僅僅通過提高現(xiàn)有技術(shù)的效率等手段減少二氧化碳的排放量，到2050年排放量大概能減少50%左右。但是這離巴黎協(xié)議關(guān)于將大氣變暖控制在2度之內(nèi)的目標(biāo)還差了很多，離1.5度的目標(biāo)差的就更遠(yuǎn)了。那么，這1000多兆噸的缺口該如何填補(bǔ)呢？如果將現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)換成以氫能為主的結(jié)構(gòu)，至少可以填補(bǔ)大概一半的缺口。
那么為什么是氫能呢？因?yàn)闅淠苁且粋€(gè)最基礎(chǔ)的最簡(jiǎn)單的能源化工材料，里面不含碳，根本不存在減碳的問題。我們現(xiàn)在經(jīng)常說的儲(chǔ)能很大一部分就是把可再生能源產(chǎn)生的不可并網(wǎng)的電以氫氣或其他形式存儲(chǔ)起來，這就是一個(gè)簡(jiǎn)單的電解水的反應(yīng)。氫能還有其他優(yōu)勢(shì)，不僅是一個(gè)很基本的化學(xué)原料，可以直接應(yīng)用到化工廠里面，氫氣還可以直接用在燃料電池汽車和家庭和工業(yè)取暖供電當(dāng)中，氫氣還可以以一定比例混入現(xiàn)有的天然氣管道進(jìn)行傳輸。我們?cè)谟懻撾娊馑畷r(shí)，沒有必要去和其他的儲(chǔ)能技術(shù)比較電電的轉(zhuǎn)化效率，因?yàn)殡娊馑a(chǎn)生的氫氣雖然可以在必要的時(shí)候通過燃料電池重新以電的形式加以應(yīng)用，但這不是電解水所產(chǎn)生的氫氣的最主要的應(yīng)用方式。我們這樣去比沒有任何意義。既然我們談到氫氣、氫能和電，那么就不可避免地要談到燃料電池和電解水，因?yàn)槿剂想姵睾碗娊馑夹g(shù)是將氫能和電能結(jié)合起來的最直接最有效的方式。在燃料電池中，根據(jù)燃料電池的工作溫度還有材料的不同，有幾種不同的燃料電池種類，我想大家多多少少有聽到過一些。比如低溫燃料電池，更多用在燃料電池汽車當(dāng)中。不同的燃料電池種類有不同的應(yīng)用范圍，不同的燃料電池之間應(yīng)該是相輔相成，互通有無，沒有必要是你死我活的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。今天這個(gè)分會(huì)場(chǎng)更多談?wù)摰氖歉邷厝剂想姵鼗螂娊馑＜热皇歉邷?，主要的?yīng)用方式就是固定式的應(yīng)用。我在下面舉的這些例子當(dāng)中也更多針對(duì)的是固定式應(yīng)用。
先簡(jiǎn)單談一下歐洲目前在氫能和燃料電池研發(fā)中的現(xiàn)狀?，F(xiàn)在看到的圖是歐盟從2008-2017年之間對(duì)氫能和燃料電池項(xiàng)目的資助情況。一共大概有兩百多個(gè)項(xiàng)目。我們看到右邊46%左右的資金有三億多歐元進(jìn)入到了交通領(lǐng)域包括燃料電池汽車、加氫站的建設(shè)。左邊是固定式應(yīng)用，包括制氫、儲(chǔ)氫，以及熱電聯(lián)供等等。左邊49%的資助項(xiàng)目當(dāng)中，可以看到將近三分之一用在制氫、儲(chǔ)氫。40%左右用于技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，更多是示范性質(zhì)的項(xiàng)目。只有25%左右用在固定式的應(yīng)用研發(fā)當(dāng)中。真正用于研發(fā)的實(shí)際上占得相當(dāng)少。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
下面這個(gè)圖顯示的是從2008年開始每一年資助項(xiàng)目的總數(shù)，綠色是高溫燃料電池和電解水相關(guān)的項(xiàng)目?？傮w而言歐盟對(duì)SOC的資助力度還是比較穩(wěn)定的。從2014年開始個(gè)數(shù)有所減少，但其中也是有原因的。當(dāng)項(xiàng)目涉及到示范性質(zhì)時(shí)，投入資金比較大，也會(huì)更加集中。這張圖里面是歐盟對(duì)固定式應(yīng)用在科研方面的資助情況。歐盟在對(duì)燃料電池的衰減、壽命還有新一代的燃料電池等等方面的支持力度還是比較穩(wěn)定的。然而在材料的研發(fā)方面，2016年開始就已經(jīng)沒有新的項(xiàng)目了。歐盟在燃料電池方面的一個(gè)趨勢(shì)，就是要把燃料電池從實(shí)驗(yàn)室里面拉出來，推廣到市場(chǎng)當(dāng)中。在這個(gè)過程當(dāng)中，歐盟最注重的，一個(gè)是壽命，一個(gè)是成本?？傮w而言，歐盟目前真正的基礎(chǔ)性的材料研發(fā)不是很多，當(dāng)然小規(guī)模的材料研發(fā)肯定還是有的。
在談到歐盟的氫能和燃料電池的發(fā)展時(shí)，就不得不談到德國，倒不是因?yàn)槲覐牡聡^來的。在這里簡(jiǎn)單看兩個(gè)例子。一個(gè)例子是歐盟enefield項(xiàng)目中小型的家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)裝機(jī)圖?？偣惭b了一千多個(gè)小型的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，超過660個(gè)是SOFC。可以清楚的看到，大部分系統(tǒng)都裝在德國。右邊是歐盟加氫站的情況。德國現(xiàn)有64座在運(yùn)行中，到2020年加氫站要建一百座，這個(gè)計(jì)劃是不會(huì)改變的。剩下的這些數(shù)字還只是一個(gè)估算，具體可不可以實(shí)現(xiàn)還是要根據(jù)燃料電池的汽車發(fā)展情況和生產(chǎn)情況。目前來說，德國應(yīng)該是僅次于日本，在加氫站上面處于第二個(gè)位置。前面就簡(jiǎn)單地提一下歐洲的概況。下面更多地還是希望通過舉幾個(gè)例子給大家一些定量的概念。舉大概四個(gè)例子，因?yàn)楫吘故枪潭ㄊ綉?yīng)用，所以更多討論的是穩(wěn)定性。一個(gè)是燃料電池的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行然后是熱循環(huán)性、電解池穩(wěn)定性和系統(tǒng)的結(jié)果。這些都是以電堆或者系統(tǒng)的形式來測(cè)試的，不是實(shí)驗(yàn)室里buttoncell或者單片的電池的測(cè)量結(jié)果。
在這里我們看到的是四個(gè)短堆，在燃料電池模式下的運(yùn)行情況。都是在700度的爐溫，40%的燃料利用率，底下的時(shí)間軸是千小時(shí)。這四個(gè)電堆都至少運(yùn)行了兩萬個(gè)小時(shí)以上。兩個(gè)電堆在剛開始時(shí)顯示了1%/kh的衰減率，另外兩個(gè)的衰減率在0.3%/kh左右。中間是怎么來實(shí)現(xiàn)的？主要是把金屬連接體的保護(hù)涂層從第一代換到第二代。這條紅色曲線是在燃料電池領(lǐng)域比較有名的一個(gè)電堆，從2007年開始運(yùn)行，在有負(fù)載的情況下一共運(yùn)行了九萬多個(gè)小時(shí)。加上無負(fù)載OCV的情況一共運(yùn)行了超過十萬個(gè)小時(shí)。負(fù)載運(yùn)行結(jié)束的時(shí)候兩片電池的OCV都還在1.25V以上。電堆運(yùn)行了這么長(zhǎng)時(shí)間更多是從材料的角度，就是要看材料在燃料電池的工作情況下運(yùn)行這么長(zhǎng)時(shí)間后到底會(huì)處在一個(gè)什么樣的情況，單純只看它們的工作電壓是沒有太大意義的。左邊的圖是電堆2007年沒有燒結(jié)前的樣子，右邊是今年1月23日把電堆打開之后的情況。這個(gè)顏色肯定是有變化的，因?yàn)榻饘傺趸?。否則基本上從外部看不到這個(gè)燃料電池的任何變化。這個(gè)電堆昨天剛剛打開，我們現(xiàn)在正在進(jìn)行后處理分析。希望能夠從電池片或者玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)更多地分析電堆的性能，來更好的分析和理解這十萬個(gè)小時(shí)的電堆衰減情況。
我們現(xiàn)在看到的是電堆和實(shí)驗(yàn)臺(tái)沒有進(jìn)行過任何清潔后的樣子，打開爐子之后就是這種情況。最初還考慮到有可能會(huì)有金屬氧化層的剝落情況。我們自己對(duì)這個(gè)情況也非常驚訝。這是一個(gè)直接的證明，金屬連接體還有封接材料運(yùn)行十萬個(gè)小時(shí)是有可能的。前面看到的是短的小堆，每一個(gè)連接體只有一個(gè)十乘十的單電池片。為了提高電堆的功率，現(xiàn)在通過這種形式，在同一層里面集成四片電池的窗式結(jié)構(gòu)來增加電池堆的功率。這樣至少有兩個(gè)好處，一個(gè)好處是可以避免或者是減少對(duì)大尺寸單電池的依賴性。因?yàn)檫@種尺寸的單電池制造不是那么容易得到，另外大功率的電堆在系統(tǒng)集成方面還是有它的優(yōu)勢(shì)所在。下面這兩個(gè)圖顯示的是大的窗式結(jié)構(gòu)的電堆，進(jìn)行熱循環(huán)下的表現(xiàn)。左邊是干燥氫氣下的開路電壓，右邊是有負(fù)載情況下的?？梢钥吹竭M(jìn)行了80個(gè)循環(huán)以后，開路電壓基本保持在1.15V以上。從有負(fù)載情況下的電壓來看，基本上沒有什么衰減，衰減率非常低。前面看到的是這種比較厚重的或者換個(gè)角度來說比較穩(wěn)定的電堆的設(shè)計(jì)。性能不錯(cuò)，但是這種電堆從生產(chǎn)工藝和成本的角度來說暫時(shí)沒有什么太大的優(yōu)勢(shì)。
因此，我們希望通過這種薄片式的連接體把電堆的質(zhì)量和體積都減小，使電堆也有可能在移動(dòng)式應(yīng)用中使用。這種設(shè)計(jì)和前面的厚重式的結(jié)構(gòu)相比，起步略微晚一些。但是這是今后我們更多的工作重點(diǎn)。下面這個(gè)圖就是剛才說的這種電堆進(jìn)行熱循環(huán)的表現(xiàn)圖。這個(gè)電堆一直還在運(yùn)行中。我估計(jì)到今天應(yīng)該大概有380多個(gè)循環(huán)。這也是在爐子中進(jìn)行的?，F(xiàn)在看到的圖是大概進(jìn)行到320個(gè)循環(huán)的結(jié)果?？梢钥吹剿械腛CV值都在1.2V以上。在有負(fù)載的情況下，衰減率是0.02%每一次循環(huán)。這個(gè)衰減率是非常低的，基本可以忽略不計(jì)。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
我們今天更多的討論是儲(chǔ)能，就SOC來講，實(shí)際上就是一個(gè)電解水或者共電解?，F(xiàn)在看到的就是SOC在燃料電池和電解水形式下可逆的表現(xiàn)。在電解水情況下阻抗會(huì)大一些，因?yàn)闇囟鹊陀谌剂想姵啬Ｊ?，但是確實(shí)也跟反應(yīng)的活化能是有關(guān)系的。右邊這個(gè)圖是水和二氧化碳共電解的情況，可以看到?jīng)]有什么區(qū)別。下面展示的是電解水長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的結(jié)果。這個(gè)電堆2014年開始，電解模式下總共運(yùn)行了將近一萬九千個(gè)小時(shí)。前面是在三個(gè)不同的溫度下進(jìn)行的各兩千個(gè)小時(shí)的電解，后來電堆就保持在800℃爐溫下繼續(xù)電解。可以看到總的衰減率是在0.6%/kh。這個(gè)衰減更多的是電解質(zhì)和燃料電極之間鎳偏移而引起的。這從阻抗分析和電鏡分析中可以得到很清晰的解讀。
系統(tǒng)層面，這是一個(gè)20千瓦的SOFC系統(tǒng)，實(shí)際上在2003年左右，系統(tǒng)的框架就已經(jīng)搭好了，只是一直在等電堆。2013年，這四個(gè)5千瓦的電堆終于建好了，系統(tǒng)才開始測(cè)試。這四個(gè)塔里每個(gè)包括一個(gè)五千瓦的電堆和BOP組件。這個(gè)系統(tǒng)還是2003年的技術(shù)水平。很多設(shè)計(jì)現(xiàn)在看是落后和多余的，因此系統(tǒng)的效率并不高，只有42%左右。在這個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，我們后來又開發(fā)了一個(gè)5千瓦的可逆系統(tǒng)，5千瓦是在燃料電池情況下的。它帶有廢氣的重新利用這么一個(gè)環(huán)節(jié)，目前也還在試驗(yàn)當(dāng)中。最初的結(jié)果在這里展示給大家。在燃料電池的模式下系統(tǒng)的燃料利用率可以達(dá)到97%以上。系統(tǒng)效率是62%。這是氫氣的系統(tǒng)，不是天然氣的系統(tǒng)。在SOE的情況下，可以達(dá)到15千瓦。水蒸氣和電堆的加熱都還是通過電來實(shí)現(xiàn)的。如果可以從外部得到多余的熱，這個(gè)效率就還可以更進(jìn)一步地提高。通過這個(gè)圖可以大致地展示一下。這是電堆在不同電壓情況下的效率。也就是說，最右邊沒有任何熱從外部得到的話，效率沒有任何區(qū)別，保持在74%左右。如果有低溫或者高溫的熱從外部得到，效率可以達(dá)到95%以上，包括將氫氣壓縮到70bar的能耗。。
最后簡(jiǎn)單地總結(jié)一下?？傮w而言，歐盟需要?dú)淠?，因?yàn)樾枰獪p排。氫能至少提供了一個(gè)可能性來達(dá)到減排的目標(biāo)。電解水尤其高溫電解水從長(zhǎng)期角度來說，它可以作為制氫或者儲(chǔ)能的重要手段。當(dāng)然是從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來說。因?yàn)榈蜏仉娊馑谀壳暗募夹g(shù)成熟程度會(huì)更高一點(diǎn)。我們相信高溫SOC會(huì)有更廣闊的應(yīng)用潛力。德國毫無疑問在歐洲范圍內(nèi)是氫能和燃料電池技術(shù)的重要推手。歐盟目前在氫能和燃料電池的資助重心是產(chǎn)業(yè)化。至少從于利希研究中心來講，可以把SOC的技術(shù)進(jìn)行充分的驗(yàn)證。于利希研究中心下一步的工作重點(diǎn)也是一方面減少電堆的成本和提高穩(wěn)定性，一方面繼續(xù)研發(fā)SOEC以及低溫SOFC。低溫SOFC從材料研發(fā)角度來說有很大的意義。真正的應(yīng)用場(chǎng)景或者是應(yīng)用結(jié)果怎么樣，還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。我就講這么多，非常感謝大家！
