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不仅潍柴动力/中广核 这些企业也盯着SOFC

11月22日,潍柴动力在发布的对外投资活动记录中再次强调,氢燃料电池和固态氧化物燃料电池(SOFC)是公司重点发展方向,目前已掌控对应新能源业务优质资源。

无独有偶,11月17日中广核研究院高级工程师张淑兴在“2018中外工程师大会暨中国(深圳)氢能及燃料电池高峰论坛”上也公开表示中广核正在对SOFC进行技术攻关。

SOFC是在中高工作温度下,直接将储存在燃料和氧化集中的化学能转化为电能的全固体化学发电的装置,无需使用Pt(铂)等昂贵的催化剂,且具备对环境友好、污染小、噪音低、燃料适应性广(可用天然气、甲烷、沼气等)发电和热点联产效率高的特点(发电效率可达45%-60%,热点联产效率超80%),是所有碳机燃气最高效的能源利用方式。

此外,SOFC逆向运行制备SOEC 的技术也非常有价值,是实现电能和化学能之间高效转化和存储的关键技术。SOEC不仅可以电解水制氢,也可以电解二氧化碳,助力燃油气实现二氧化碳捕捉和循环利用。

基于以上优点,SOFC可作为小型动力电源、家庭热电联产功能系统、分布式发电系统、大型电站等,功率范围覆盖瓦级到兆瓦级,具有广泛的应用场景。

在家用领域,与更早上市的PEFC产品相比,SOFC不仅发电效率更高,部件个数也将减至1/3左右,由于电池余热品质高,经过热回收系统SOFC可以以热水或供暖的形式使用,进而放宽家用热水罐尺寸限制。

但投入大、研发难度高等因素极大的限制了SOFC的商业化应用,整体来看欧美、日、澳等国对SOFC的研究和应用已逐步完善,陆续实现300W-200kW电池应用。

国内SOFC尚处于技术攻关阶段,SOFC系统集成的多物理场、耦合平衡与控制系统设计两大核心难题还未被妥善解决。

我国关于SOFC的研究最早始于1970年代,1990年以后,在国家科技部、国家发改委、中科院等的资助支持下,多家高校和机构展开了对SOFC关键材料和制备工艺的探索和研究工作。

随着近年来,国内氢能和燃料电池产业扶持政策进一步明确,国内大型企业也逐渐导入SOFC布局,相信随着大型企业和资本的扛鼎入局,国内SOFC电池研发将取得进一步发展。

以下为国内外部分SOFC企业概况:

西门子西屋电力公司(Siemens Westinghouse Power Generation)

Siemens是管式SOFC的先行者,其开发的无密封高温式SOFC具有长寿命、高可靠性和耐热循环等特点,创造了在1000℃运行上万小时无衰减的记录。

早在1986年,Siemens研发的400 W管式SOFC电池组在美国田纳西州运行成功,并后续在东京、荷兰、大阪、加州等地进行了超万小时的实验运行。2000年,Siemens设计制造了世界上第一台220 kW的SOFC /GT联合循环电站。

Siemens不但试验了多个kW级SOFC,而且正在研究MW级SOFC与燃气轮机发电系统。

布卢姆能源公司(Bloom Energy)

Bloom Energy是目前SOFC行业内技术力量最强,运作最成功的公司之一,其采用电解质支撑电池技术,主要生产SOFC分布式电源,产品包括ES5、ES-5700、ES5710等。

其推出的模块化设计类似于一个构建块,可以将任何数量的系统在不同的配置中聚集在一起,每台能源服务器产生200-300kW电力,形成从数百千瓦到数十兆瓦的解决方案。

目前,Bloom Energy公司开发的SOFC发电系统规格覆盖100-250kW,主要发展方向为长寿命、低衰减及大功率系统,已在全球500多个站点,部署了数百兆瓦的解决方案 为包括苹果、谷歌、eBay、易趣、AT&T、NTT等公司在内的客户提供了超200套SOFC系统。

2018年6月,Bloom Energy向美国证券交易委员会提交注册声明,拟在纽约证券交易所上市。

英国锡里斯动力控股有限公司(Ceres Power)

Ceres Power专业从事适用于多种燃料气(石油液化气、天然气、甲醇及氢气等)的SOFC电池堆开发。

其技术源于英国帝国理工大学,采用氧化钆掺杂氧化铈基材料作电解质,不锈钢作为支撑和连接材料,金属支撑体使电池的支撑功能和导电功能分离。

Ceres Power特有的SteelCell®技术,已持续研究开发近16年,拥有约50项专利,具有功率密度高、制造成本低等优势,产品覆盖住宅、数据中心、商业发电和汽车四个应用领域。

2018年5月,潍柴动力拟投资4000余万英镑,持有Ceres Power 20%股权,双方计划2019年前在中国开发和演示CNG燃料SteelCell®SOFC混合动力电动公交车,2020年前在华成立合资公司,加快推动SOFC技术在中国市场的商业化。

通用电气(GE)

GE的SOFC技术源于国家能源技术实验室,主要开发用于兆瓦级集成气化燃料电池动力装置的SOFC。

2017年初,GE表示已经设计、制造和测试了50 kW量级的SOFC先导系统,并已在着手1.3MW HSOFC系统的试点工作。在实际应用过程中,GE的SOFC系统发电效率达60%,电气输出可达1.0MW,具备1-10MW分布式电源模块提供能力,已实现最小站点安装。

此外,GE研发的全新SOFC技术,用不锈钢代替铂和稀土元素,发电效率可达65%,当系统配置为捕获废热时,其总体效率可增长到95%。

加拿大环球热电公司(Global Thermoelectric)

Global在中温平板型 SOFC 研发领域具有重要的地位。其工作温度1023k阴极负载的SOFC,单个燃料电池输出功率密度大于1W/cm2,电池堆输出功率密度大于600mW/cm2,电解质YSZ厚度可达5-10μm。

通过特有的集成制造工艺(TSC II),制造Global的电池能够进行多次热循环和电负载循环。 在6000小时的测试中证明,在0.55A / cm2的电流密度下,每1000小时的长期降解率约为1%。

据称,Global目前能够生产体积相当于5MW/年的电池,产量高达90%,每千瓦电池成本(直接人工和材料)减少65%。

三菱日立(MHPS)


三菱日立采用管状结构的SOFC电堆技术,拥有固体氧化物燃料电池(SOFC)和微型燃气轮机(MGT)的混合系统产品。其SOFC和燃气涡轮、蒸汽涡轮的联合发电机组,电效率约45%,综合电效率约60%。

2015年,三菱日立向九州大学提供的SOFC-MGT混合动力系统原型机,在不损坏燃料电池的情况下持续稳定发电累计超10000小时。2016-2017年三菱日立向丰田、NGK、东京燃气、大成等企业安装运行了4台250kW样机。

通过实际运营验证,三菱日立SOFC-MGT混合动力系统得到简化,系统紧凑(体积和长度减少了23%),系统成本有效降低。

FuelCell Energy

在美国能源部(DOE)的支持下,FuelCell Energy构建并测试了50 kW SOFC概念验证电源系统,该电源系统以55%的效率(HHV)集成到电网中,在1500小时的运行中,堆栈降级率为0.9%/ 1000小时。

2015年,FuelCell Energy的50KW SOFC已在康涅狄格州丹伯里并网运行,互连式100KW SOFC在2016年在丹伯里投入运行,并着手建造400KW的SOFC。

现阶段,FuelCell EnergySOFC技术能够达到60%效率,加上余热利用率可达到80-85%,处于世界领先水平。

晋煤集团

2018年8月,全国首套以煤为原料的15kW SOFC项目在晋煤集团天溪煤制油分公司燃料电池实验室打通全流程,实现了从煤经气化再通过SOFC发电示范。

该项目系晋煤集团承担的山西省重点科技攻关项目,最终目标是建立以煤为原料的SOFC整体示范工程。项目完成了从粉体材料-单电池-电堆-发电系统集成的研究,对电堆、发电系统的各项指标进行了多次试验,实现了SOFC高效、清洁发电。

宁波索福人能源技术有限公司

宁波索福人能源创立于2014年,主要从事SOFC发电系统研发,具备从粉末、电池、电堆到系统的产品提供能力,主要产品有ASC 30电堆(700W)、ASC 30电堆(2kW)、ASC 60电堆等。

据称,其体积增加2倍的30单元电池堆(14cm×14cm×8cm)峰值功率在750℃达到2.6kW,放电电流达到128A,运行功率大于2kW。在电池堆自热运行的条件下,功率达到2.2kW,放电电流90A,电池单体平均电压0.8V,燃料利用率68%时,电效率达到44%,运行时体积功率密度大于1.4kW/L。

苏州华清京昆新能源科技有限公司

华清新能源创建于2010年,SOFC相关产品包括SOFC单电池、电堆、发电系统和千瓦级测试系统等,其中电堆主要有HS-101型、HS-102型、HS-102型等。

目前华清能源已完成产品中试试验,实现SOFC关键材料、电池核心元件、电堆模块集成和独立发电系统技术贯通。

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