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    國際固體氧化物燃料電池堆及系統(tǒng)

    2013-09-21 13:26:30蘇巴辛格爾
    中國工程科學(xué) 2013年2期
    關(guān)鍵詞:平板式燃料電池燃料

    蘇巴辛格爾

    (中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,煤氣化燃料電池聯(lián)合研究中心,北京100083)

    1 前言

    由于卓越的電性能和燃料選擇的靈活性,固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電系統(tǒng)可以在數(shù)瓦到數(shù)兆瓦的很寬泛的功率范圍上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。世界上很多公司正在開發(fā)多種用途的SOFC電池堆和發(fā)電系統(tǒng)。下面將詳細(xì)介紹該領(lǐng)域的一些代表性公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)展示或正在研發(fā)的SOFC電池堆和發(fā)電系統(tǒng)。有關(guān)SOFC技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)在兩個(gè)燃料電池的國際會議中出版的科學(xué)出版物、書籍[1]和會議記錄里進(jìn)行了詳細(xì)介紹。第一個(gè)會議是兩年一度的固體氧化物燃料電池國際會議,該會議始于1989年[2~13]。第二個(gè)是歐洲燃料電池論壇下的固體氧化物燃料電池論壇[14~22]。這兩個(gè)會議反映了在過去25年中SOFC的發(fā)展歷程。本文的內(nèi)容就是從這些出版物、公司網(wǎng)站及其新聞稿中摘錄而來的。

    2 小型SOFC系統(tǒng)(<10 kW)

    1~5 kW級別的SOFC的一個(gè)主要應(yīng)用就是為以天然氣為燃料的用戶提供熱電聯(lián)供(CHP)。早期的SOFC CHP單元由瑞士Hexis AG公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)并實(shí)施檢測。這些單元是基于平板式SOFC系統(tǒng)構(gòu)建的,其內(nèi)部中心有一圓孔作為燃料氣的進(jìn)氣道,燃料氣呈放射狀排出,如圖1所示。空氣經(jīng)過預(yù)加熱過程,經(jīng)由電池堆內(nèi)部金屬連接體上的4個(gè)氣道從外部進(jìn)入,然后轉(zhuǎn)向,呈放射狀排出。未經(jīng)電化學(xué)轉(zhuǎn)化的過剩氣體排出后在電池堆邊緣進(jìn)行富氧燃燒。在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,發(fā)展出名為“Galileo 1000 N”的系統(tǒng),如圖2所示,該系統(tǒng)可以提供1 kW的電力和大約1.8 kW的熱量;電能轉(zhuǎn)化效率約為30%,總體效率超過90%。至今已安裝和展示了80余個(gè)類似的CHP單元。目前Hexis AG正在與德國的鍋爐公司Stiebel Eltron和Hoval合作創(chuàng)立一個(gè)子公司以進(jìn)行相關(guān)的維護(hù)和系統(tǒng)組裝。

    圖1 Hexis AG平板式SOFCFig.1 Hexis AG planar solid oxide fuel cell

    圖2 Hexis AG 1 kW CHP系統(tǒng),Galileo 1000 N Fig.2 Hexis AG 1 kW CHP system,Galileo 1000 N

    英國Ceres Power公司開發(fā)了金屬支撐型的平板式SOFC系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用鈰基電解質(zhì),能為一般英國家庭提供電力并滿足其主要的熱能需求(包括熱水)。金屬支撐的SOFC電池堆可以在一個(gè)相對較低的溫度下(550~600℃)運(yùn)行,并且更輕便。因此,Ceres Power的發(fā)電系統(tǒng)(如圖3所示)結(jié)構(gòu)非常緊湊,可以采取壁掛的形式安裝,從而為熱水器的更換和居民應(yīng)用拓展了一種新的使用方式。Ceres Power已經(jīng)和British Gas公司以及Calor公司進(jìn)行了三方合作并能保證一定量的訂單。2011年,Ceres Power組裝并實(shí)地測試了4組該CHP單元,結(jié)果這些單元卻表現(xiàn)出每百小時(shí)3%的衰減率,通過研究最終發(fā)現(xiàn)性能衰減主要?dú)w咎于實(shí)驗(yàn)設(shè)備里的污染物,消除這些污染物的影響之后可以使衰減率降到每百小時(shí)大約1%。Ceres Power現(xiàn)正在為2016年的商業(yè)化目標(biāo)發(fā)展、推動并測試和優(yōu)化更高功率的CHP系統(tǒng)。

    圖3 Ceres Power壁掛式1 kW CHP單元Fig.3 Ceres Power’s wall-mountable 1 kW CHP unit

    澳大利亞Ceramic Fuel Cells有限公司為一般家用設(shè)計(jì)了1~2 kW的BlueGen單元,采用平板式陽極支撐的SOFC,如圖4所示。該單元大概有200片電池,已經(jīng)運(yùn)行和正在運(yùn)行的BlueGen單元遍布世界各處。這些單元的電能轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到60%,對于小型發(fā)電系統(tǒng)來說已是非??捎^。除了大量的實(shí)驗(yàn),產(chǎn)品研發(fā)、測試和設(shè)備生產(chǎn)也在澳大利亞的Noble Park進(jìn)行。Ceramic Fuel Cells有限公司在英國Bromborough設(shè)有一個(gè)生產(chǎn)ZrO2的工廠,在德國Heinsberg有一套電池堆和組裝的生產(chǎn)設(shè)備。

    圖4 Ceramic Fuel Cell公司的BlueGen單元Fig.4 Ceramic Fuel Cell Ltd.BlueGen unit

    丹麥的Topsoe Fuel Cell A/S與丹麥科技大學(xué)Risoe國家實(shí)驗(yàn)室合作,開發(fā)出陽極支撐和金屬支撐的SOFC,并為微CHP系統(tǒng)組成了1~2 kW規(guī)模的電池堆(作為CHP系統(tǒng)的“動力核心”),如圖5所示。這些電池堆同時(shí)還被應(yīng)用在示范卡車上作為輔助動力單元(APUs)和分布式發(fā)電機(jī)。Topsoe已經(jīng)為一個(gè)20 kW的生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)和一個(gè)20 kW的示范性海運(yùn)APU提供了該種電池堆。此外,Topsoe還與W?rtsil?、Danfoss和AVL合作將電池堆集成到系統(tǒng)中。目前,Topsoe和SK控股公司達(dá)成兩項(xiàng)發(fā)展SOFC技術(shù)商業(yè)化的協(xié)議。一項(xiàng)協(xié)議是發(fā)展CHP系統(tǒng)的商業(yè)化以提供給居民住戶,另一項(xiàng)協(xié)議是發(fā)展大型CHP系統(tǒng)的商業(yè)化。協(xié)議中,Topsoe Fuel Cell提供燃料電池堆,SK控股公司將發(fā)展、制造并部署SOFC發(fā)電系統(tǒng),雙方將在技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行合作。

    圖5 Topsoe Fuel Cell的SOFC堆Fig.5 Topsoe Fuel Cell’s SOFC stacks

    其他公司在研發(fā)電池堆(德國Staxera公司)和組裝基于平板式SOFC的民用CHP系統(tǒng)等方面也都有涉及。目前這些公司主要利用平板式SOFC制作電池堆和發(fā)電系統(tǒng)。由于管式電池堆具有較高的可靠性和長期穩(wěn)定性,它在家用方面也非常具有誘惑力。Kyocera(日本)已研發(fā)出兩種形式的扁管電池,其合作公司已經(jīng)在生產(chǎn)家用單元系統(tǒng)。Kyocera、Osaka Gas、Aisin、Chofu和Toyota日前宣布已完成家用SOFC廢熱發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用,稱為ENEFARM Type S。ENE-FARM Type S是采用陽極支撐扁管SOFC(見圖6)的家用發(fā)電系統(tǒng),其電能轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了46.5%。上述合作公司中,Kyocera負(fù)責(zé)生產(chǎn)電池堆,Aisin負(fù)責(zé)研究發(fā)電部分,Chofu負(fù)責(zé)研究熱水供應(yīng)和利用廢熱加熱,Osaka Gas負(fù)責(zé)系統(tǒng)的銷售(目前只限于日本市場)。公司希望在不久的將來擴(kuò)展它們的生產(chǎn)業(yè)務(wù)。由于該系統(tǒng)的模塊數(shù)量少、排出廢熱少,使得發(fā)電單元和供水、供熱單元可以緊湊地結(jié)合在一起,如圖7所示。Nippon Oil(ENEOS)利用Kyocera的陽極支撐扁管電池制造出了類似的CHP單元。另外,Tokyo Gas(同Rinnai和Gastar合作)利用Kyocera的扁管電池將其分段排列成電池堆(如圖8所示),制造出家用CHP系統(tǒng)。

    圖6 Osaka Gas和Nippon Oil制造家用CHP所采用的Kyocera陽極支撐扁管電池Fig.6 Kyocera’s anode-supported flat tubular cell utilized by Osaka Gas and Nippon Oil for residential CHP units

    圖7 利用Kyocera陽極支撐扁管電池制造的700 W SOFC CHP單元(左:SOFC系統(tǒng);右:熱水箱)Fig.7 A 700 W SOFC CHP unit(left:SOFC system;right:hot water tank)utilizing Kyocera’sanode-supported flat tubular cells

    圖8 Tokyo Gas制造家用CHP單元采用的Kyocera扁管分段排列式電池堆Fig.8 Kyocera’s flat tube segmented-in-series cell-stack used by Tokyo Gas in producing residential CHP units

    日本Toto公司正在生產(chǎn)和測試陰極支撐管式電池組裝的2 kW規(guī)模的CHP單元。美國Siemens公司與加拿大Fuel Cell Technologies公司合作生產(chǎn)和測試了幾十個(gè)利用陰極支撐管式電池組裝的3~5kW規(guī)模的CHP單元,這些單元性能良好,運(yùn)行一年依舊具有穩(wěn)定的性能。讓人遺憾的是這些單位已經(jīng)不再繼續(xù)SOFC方面的業(yè)務(wù)了。盡管如此,SOFC家用系統(tǒng)依然通過與加工公司的合作而加速發(fā)展,尤其是在日本市場和歐洲市場。

    需要補(bǔ)充說明的是,開發(fā)出的小型SOFC系統(tǒng)還被利用在偏遠(yuǎn)地區(qū)以實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電和軍事用途。Acumentrics Corporation(美國)利用管式電池為電網(wǎng)以外的用戶制造出規(guī)模從250 W到10 kW不等的發(fā)電系統(tǒng)。小半徑的管式電池減小了梯度變化,增強(qiáng)了電池的熱循環(huán)性能,并能實(shí)現(xiàn)快速啟動。一個(gè)Acumentrics系統(tǒng)能在30 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)啟動。管式結(jié)構(gòu)能在啟動的同時(shí)進(jìn)行燃料的重整,剔除了板式SOFC中常有的又大又貴的外重整器,如圖9所示。

    圖9 Acumentrics Corporation的小型管式SOFC(a)和電池束(b)Fig.9 Acumentrics Corporation’s small tubular SOFC(a)and cell bundles(b)

    3 大型分散式電站的SOFC系統(tǒng)

    自1986年起,Westinghouse公司(其化石燃料部門1998年被Siemens收購)成功將15個(gè)SOFC系統(tǒng)整合在一起,其功率范圍達(dá)到0.4~220 kW,并在消費(fèi)者使用地進(jìn)行了測試。用時(shí)最長的是一個(gè)100kW空氣氣氛發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)使用的是管式SOFC,如圖10所示。這個(gè)100 kW的廢熱利用系統(tǒng)是首個(gè)以整體形式出現(xiàn)的展示性管式SOFC模塊。該電池堆包含了1 152個(gè)電池(直徑2.2 cm,活性長度150 cm),每24個(gè)電池一束,共48束。該系統(tǒng)在美國、荷蘭、德國和意大利等國以脫硫的天然氣為燃料運(yùn)行了36 750 h,運(yùn)行過程中并未檢測出任何性能衰減,發(fā)電效率一直維持在46%。這是首個(gè)SOFC大規(guī)模發(fā)電的成功范例。

    圖10 Siemens/Westinghouse 100 kW SOFC廢熱利用發(fā)電系統(tǒng)Fig.10 Siemens/Westinghouse 100 kW SOFC cogeneration system

    Siemens公司制造了一個(gè)220 kW的加壓SOFC/氣體渦輪聯(lián)合系統(tǒng)。如圖11所示,該系統(tǒng)在美國California-Irvine大學(xué)國家燃料電池研究中心進(jìn)行了安裝和測試。該系統(tǒng)是首個(gè)SOFC和微渦輪發(fā)電機(jī)耦合的示范,也是承壓SOFC發(fā)電機(jī)中的典型代表。該系統(tǒng)總計(jì)運(yùn)行了3 400 h,利用純交流電換算得到的發(fā)電效率為53%。分析認(rèn)為配備該SOFC/氣體渦輪的聯(lián)合系統(tǒng)在兆瓦級別的系統(tǒng)上的發(fā)電效率可達(dá)到70%。

    圖11 Siemens/Westinghouse 200 kW加壓SOFC/微氣體渦輪混合發(fā)電系統(tǒng)Fig.11 Siemens/Westinghouse 200 kW pressurized SOFC/micro gas turbine hybrid power system

    如前文所述,Siemens/Westinghouse已不再發(fā)展SOFC業(yè)務(wù)。然而,其他公司仍舊繼續(xù)在SOFC大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)的利用上發(fā)展。其中首推美國Versa Power Systems(同F(xiàn)uelCell Energy合作)、美國United Technologies(同Delphi Corporation合作)和Rolls-Royce Fuel Cell System(英國-美國)團(tuán)隊(duì)。這些公司的研發(fā)活動由美國能源部固態(tài)能源轉(zhuǎn)換聯(lián)盟(SECA)項(xiàng)目支持,在2000年發(fā)起,旨在降低SOFC發(fā)電系統(tǒng)的成本。

    總部位于美國Littleton,Colorado,生產(chǎn)線位于加拿大Calgary的Versa Power Systems使用25 cm×25 cm(活性面積550 cm2)的陽極支撐平板式燃料電池組裝成功率為60 kW的電池堆,如圖12所示。美國Fuel Cell Energy公司將這種電池堆整合為數(shù)兆瓦規(guī)模的系統(tǒng),以煤或其他碳?xì)浠衔镒鳛槿剂线M(jìn)行分布式發(fā)電。

    圖12 Versa Power Systems的10 kW(a)和20 kW(b)規(guī)模的SOFC電池堆Fig.12 Versa Power Systems’10 kW(a)and 20 kW(b)size SOFC stacks

    美國Delphi Corporation研發(fā)出陽極支撐平板式電池堆用于運(yùn)輸APUs,這將在本文第4部分進(jìn)行詳細(xì)討論。Delphi同樣與UTC Power合作,UTC Power計(jì)劃采用Delphi的SOFC技術(shù)建造25 kW以及更高功率的電池堆,其最終目的是實(shí)現(xiàn)以煤或者其他碳?xì)浠衔餅槿剂瞎┙o數(shù)兆瓦的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。目前,UTC Power已經(jīng)完成了25 kW電池堆的設(shè)計(jì)、建造和調(diào)試,并提出了有關(guān)atmospheric IGFC系統(tǒng)概念性的設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)利用SOFC/氣體渦輪/汽輪機(jī)的循環(huán),在沒有配備碳捕獲存儲系統(tǒng)(CCS)的情況下,得到了57%(HHV)的電能轉(zhuǎn)化效率。2003年,Delphi在亞拉巴馬州Wilsonville的煤氣化廠(PSDF)以煤氣化氣體為燃料,用一個(gè)5 kW的電池堆驗(yàn)證了SOFC燃料選擇的靈活性。這次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了煤氣化氣體也可以有效地通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能。在PSDF進(jìn)行的煤氣化是在一個(gè)先進(jìn)的循環(huán)流化床下進(jìn)行的。在這次電池測試中添加了一個(gè)氣體凈化裝置,其中包含熱氣體模塊和冷氣體模塊,以保證進(jìn)入電池堆的氣體不含有硫、氯和焦油等。將Delphi的SOFC電池堆加熱到工作溫度750℃以后通入煤氣作為燃料。同時(shí),這個(gè)實(shí)驗(yàn)用第二個(gè)電池堆進(jìn)行了重復(fù)操作。兩個(gè)電池堆均工作了75 h以上。這項(xiàng)成功的測試表明SOFC確實(shí)可以按照預(yù)期采用煤氣進(jìn)行發(fā)電。

    從2009年開始,Rolls-Royce Fuel Cell Systems(RRFCS)開始關(guān)注美國市場并接觸了一些從2007年起就比較知名的SOFC企業(yè)。鑒于材料和電池片的研究在美國進(jìn)行,RRFCS減少了在英國的勞動力,現(xiàn)在該公司主要關(guān)注歐洲的系統(tǒng)方面。RRFCS利用一種整體性的平板式布局,如圖13所示。采取這種設(shè)計(jì)的電池可以得到相對高的電壓,但是其電流相對較低。電池通過低成本的絲印工藝將活性功能層制備在一個(gè)由廉價(jià)MgO+MgAl2O4制成的陶瓷板上。目前,RRFCS仍在優(yōu)化這種設(shè)計(jì),并提出了一個(gè)概念性的方案,如圖14所示。對于一個(gè)參照該方案設(shè)計(jì)出的數(shù)兆瓦的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)采取交流電換算的方式,其發(fā)電效率將可能達(dá)到60%以上。

    圖13 Rolls-Royce Fuel Cell System的整合平板式SOFCFig.13 Rolls-Royce Fuel Cell System’s integrated planar solid oxide fuel cell

    圖14 Rolls-Royce Fuel Cell System數(shù)兆瓦級別SOFC電池堆概念設(shè)計(jì)圖Fig.14 Rolls-Royce Fuel Cell System’s conceptual design of a multi-megawatt class SOFC power system

    Mitsubishi Heavy Industries(日本)從1984年開始在Nagasaki、Kobe和Yokohama著手研發(fā)SOFC。他們研發(fā)了管式(分段集成)和平板式多塊分層(MOLB)電池。2005年,一個(gè)25 kW的MOLBSOFC CHP系統(tǒng)運(yùn)行了3 240 h,另一個(gè)30 kW的MOLB-CHP系統(tǒng)在2005年Aichi世界博覽會上運(yùn)行了3 870 h。目前,研究主要集中在分段集成式的管式電池上。早在2001年該公司就測試了一個(gè)10 kW的加壓管式SOFC,目前正在測試另一個(gè)200 kW的系統(tǒng)。Mitsubishi公司面臨的主要技術(shù)難題集中在燃料氣和空氣的漏氣(由于連接體和電解質(zhì)之間重疊的區(qū)域致密度不夠?qū)е拢┥?,氧氣通過連接體滲漏到陽極含有鎳氧化物的區(qū)域,導(dǎo)致系統(tǒng)體積膨脹,熱應(yīng)力增大以致破裂。Mitsubishi 200 kW級加壓SOFC/氣體渦輪系統(tǒng)已經(jīng)在52%的發(fā)電效率下運(yùn)行了3 000 h,如圖15所示。目前,該公司正致力于研發(fā)300 kW級的混合系統(tǒng),其未來目標(biāo)是現(xiàn)行系統(tǒng)的一半。該系統(tǒng)已于2012年間在Tokyo Gas安裝。

    圖15 Mitsubishi重工200 kW級加壓SOFC/氣體渦輪混合系統(tǒng)Fig.15 Mitsubishi Heavy Industries 200 kW classpressurized SOFC/gas turbine hybrid system

    其他公司也在開發(fā)大規(guī)模的發(fā)電電池堆和系統(tǒng)。韓國的Posco公司正在研發(fā)50 kW陽極支撐大規(guī)模分散發(fā)電系統(tǒng)。作為德國參與合辦項(xiàng)目SOFC20的一部分,德國Fraunhofer陶瓷科技和系統(tǒng)研究中心(IKTS)、澳大利亞Plansee SE、德國AVL List GmbH、德國Schott AG和德國Jülich Research Center正在研究一個(gè)以天然氣為燃料的靜態(tài)系統(tǒng)展示品。Fraunhofer陶瓷科技和系統(tǒng)研究中心設(shè)計(jì)了一個(gè)“熱箱”式系統(tǒng),該系統(tǒng)由8個(gè)SOFC電池堆組成。其在2012年3月的首次測試非常成功。在測試中,該電池堆的輸出功率達(dá)到55 kW。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)采用了模擬天然氣組成的混合氣,該電池堆模塊將被安裝在AVL List GmbH一個(gè)專門為系統(tǒng)開發(fā)的環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行測試,以期得到一個(gè)發(fā)電效率高于50%的結(jié)果。Plansee主要通過目前世界上規(guī)模最大的粉末冶金技術(shù)在130 mm×150 mm的尺度上進(jìn)行連接體涂層的整體加工。Plansee研發(fā)出一種新型Cr、Fe和Y合金,即目前眾所周知的CFY合金,主要用于電解質(zhì)支撐電池的電池堆。這種Cr基合金的熱膨脹系數(shù)與YSZ非常匹配。和其他公司不一樣的是,這種Plansee連接體對于任何想加工連接體的制造商都有售。

    目前最成功的大規(guī)模SOFC發(fā)電系統(tǒng)制造公司當(dāng)屬Bloom Energy(美國),該公司獲得風(fēng)險(xiǎn)投資后于2001年在美國加州Sunnyvale成立。它已經(jīng)制造、銷售和組裝了數(shù)百個(gè)100 kW級的SOFC發(fā)電系統(tǒng),如圖16所示。該公司研發(fā)的電池堆采用平板式SOFC,面向的商業(yè)對象包括Adobe Systems、Bank of America、Cox Enterprises、Coca Cola Company、eBay、FedEx、Google、Safeway、Staples、Walmart等。Bloom Energy現(xiàn)在正在美國東部Delaware建造另一套新的生產(chǎn)設(shè)備以加速他們SOFC發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化。

    圖16 5個(gè)裝配在eBay中心的100 kW規(guī)模SOFC Fig.16 Five 100 kW size SOFC systems installed at eBay Headquarters

    世界范圍內(nèi)對SOFC進(jìn)行的大量相關(guān)研究,目的都是為了降低SOFC發(fā)電系統(tǒng)的成本,尤其是電池制造和電池堆材料成本,以及直流電向交流電的轉(zhuǎn)化和其他各部件的平衡。

    4 便攜式SOFC發(fā)電系統(tǒng)

    便攜式設(shè)備所需要的電力在數(shù)毫瓦到數(shù)百瓦之間。質(zhì)子交換膜燃料電池(包括直接醇燃料電池)由于其質(zhì)量輕、操作溫度低,可以應(yīng)用于此種設(shè)備。基于SOFC的便攜發(fā)電系統(tǒng)也已發(fā)展了在軍工、休閑、緊急情況以及交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用。由于其對燃料的普適性,不要求一定使用氫氣作為燃料。SOFC在采用丙烷、汽油、柴油、煤油、JP-8軍用燃料、乙醇和其他生物質(zhì)能的情況下亦能保證正常運(yùn)行。對于便攜式設(shè)備來說,最大的挑戰(zhàn)在于它必須質(zhì)量輕并且能迅速啟動以及保證蓄熱性能。迅速啟動對便攜式設(shè)備來說尤其重要,但同樣也是非常難實(shí)現(xiàn)的,這主要是由于陶瓷對熱沖擊的不耐受性。一種解決方式是采用微管SOFC,其對熱沖擊具有一定的耐受性。另外,因?yàn)楣β拭芏群凸軓匠煞幢?,微管設(shè)計(jì)也能提供較高的體積功率密度。

    微管SOFC已經(jīng)被美國的Ultra Electronics AMI成功整合在便攜式設(shè)備當(dāng)中。為軍用(士兵、無人空中設(shè)備以及無人陸上設(shè)備)、休閑(不接入電網(wǎng)的露營、爬山以及長距離遠(yuǎn)足等)和緊急電源設(shè)計(jì)制造了小型(50~300 W)SOFC單元。圖17所示為Ultra Electronics AMI 50 W和250 W的可持續(xù)供電系統(tǒng)。50 W的系統(tǒng)采用丙烷驅(qū)動,為地上傳感器、無人飛行器和機(jī)器人提供動力。250 W的系統(tǒng)則采用丙烷或液化石油氣驅(qū)動,用于延長軍事任務(wù)的時(shí)間和為電子設(shè)備、無線電和電腦等提供非電網(wǎng)電力。在便攜式設(shè)備中使用普通廉價(jià)燃料(丙烷、丁烷和液化石油氣)可以減輕后勤供應(yīng)的負(fù)擔(dān)。

    圖17 AMI的50 W(a)和250 W(b)便攜式SOFC系統(tǒng)Fig.17 AMI’s 50 W(a)and 250 W(b)portable SOFC systems

    美國Lilliputian Systems公司基于SOFC和微型機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展出用芯片制造的Silicon Power Cell技術(shù)。該技術(shù)包含一個(gè)基于芯片的SOFC和一個(gè)可循環(huán)的高能燃料匣以提供動力。Lilliputian Systems的產(chǎn)品平臺包含移動電力系統(tǒng)、整合電力系統(tǒng)和嵌入式電力系統(tǒng),可提供從手機(jī)到筆記本電腦功率范圍內(nèi)所需要的電力。Lilliputian Systems最近公布了它的最新產(chǎn)品,一種為用戶設(shè)備提供電力的便攜式充電裝置,如圖18所示。通過和零售商Brookstone有限公司的合作,這種獨(dú)立、便攜、輕量化、無需插電的電源系統(tǒng)可為用戶電子設(shè)備(如手機(jī)、移動手持設(shè)備、MP3音樂/視頻播放器、數(shù)碼相機(jī)等)通過標(biāo)準(zhǔn)USB接口充電。它可通過一個(gè)獨(dú)立循環(huán)裝置提供可“持續(xù)使用”數(shù)星期的便攜電源,持續(xù)時(shí)間比其余的供電方式更長久,花費(fèi)則比之前的備用電池小得多。這種便攜式SOFC發(fā)電系統(tǒng)為手機(jī)電量不足的消費(fèi)者提供了非常吸引人的使用方案和廣泛的便攜性和自由性(無需電源插頭)。此外,該系統(tǒng)還能為多種設(shè)備提供電力,顯著減少了消費(fèi)者外出時(shí)對電線和電源適配器的需要。

    圖18 Lilliputian的便攜式SOFC單元,一個(gè)可換電匣可充滿10~14個(gè)iPhoneFig.18 Lilliputian’s portable SOFC unit that can deliver 10~14 full charges for an iPhone withone replaceable cartridge

    5 基于SOFC的機(jī)載輔助動力裝置

    燃料電池系統(tǒng)的另一應(yīng)用是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域。質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種便攜式裝置,推動了電池在交通領(lǐng)域中對內(nèi)燃機(jī)的取代過程。質(zhì)子交換膜燃料電池需要使用完全不含一氧化碳的純凈氫氣才能穩(wěn)定運(yùn)行。由于當(dāng)前沒有小型的氫氣裝置,在技術(shù)層面上要使隨車攜帶的轉(zhuǎn)化裝置把目前常用的燃料(如汽油、柴油)轉(zhuǎn)化成氫氣也面臨非常大的困難,主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且價(jià)格昂貴。此外,從重整油中分離出一氧化碳也十分困難。相比之下,燃料電池可以將一氧化碳和氫氣一起作為燃料,其較高的工作溫度和陽極側(cè)水的供應(yīng)使得碳?xì)浠衔锟梢栽陔姵乇砻婊騼?nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)化。并且在燃料電池中不需要使用貴金屬催化劑,降低了電池的成本。雖然還沒有在實(shí)際應(yīng)用中推廣,但可以預(yù)見SOFC將用于APUs,這種基于燃料電池的APU將會應(yīng)用于日益增長的豪華電動汽車、休閑車以及包含冰箱、電視、音箱、甚至電腦和微波爐等各種舒適設(shè)備的重型卡車。與上文提到的便攜式裝置一樣,SOFC在機(jī)載輔助動力裝置上面臨的挑戰(zhàn)依舊是實(shí)現(xiàn)SOFC系統(tǒng)的尺寸緊湊、輕質(zhì)量、短啟動時(shí)間、高機(jī)械強(qiáng)度和強(qiáng)熱循環(huán)等性能。

    Delphi公司研發(fā)出用陽極支撐平板式SOFC制造的SOFC APU系統(tǒng)。該APU單元可使用汽油或柴油工作,通過在APU單元內(nèi)的部分氧化進(jìn)行重整。該APU系統(tǒng)包括燃料電池堆、燃料改善子系統(tǒng)、能量恢復(fù)單元、熱量管理子系統(tǒng)、加工氣體供應(yīng)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、電力電子技術(shù)和儲能子系統(tǒng),如圖19所示。2008年,Delphi公司和美國Motors Co.成功展示了Delphi公司的固體燃料電池APU系統(tǒng)在Peterbilt型號386卡車上“旅館式辦公”的負(fù)載應(yīng)用(見圖20)。Delphi SOFC APU為386卡車的電力系統(tǒng)、空調(diào)和卡車的電池提供能量,在整個(gè)測試過程中,卡車的柴油發(fā)動機(jī)始終都處于熄火狀態(tài)。Delphi公司希望在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)此類SOFC APUs的商業(yè)化。

    圖19 SOFC輔助動力裝置的基本構(gòu)成Fig.19 Basic building blocks of an SOFC APU

    圖20 Delphi SOFC APU安裝在Peterbilt汽車下部Fig.20 Delphi’s SOFC APU mounted underneatha Peterbilt’s truck cabin

    如前文所述,Topsoe的燃料電池堆也可以應(yīng)用于APUs。這家公司開發(fā)出了用于APU的3 kW輕量(約6 kg)電池堆(見圖21)。

    圖21 用于APU的Topsoe燃料電池堆概念設(shè)計(jì)Fig.21 Conceptual design of the Topsoe fuel cell stack for APU application

    6 結(jié)語

    本文對世界上面向各種應(yīng)用的SOFC電池堆及SOFC發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)和商業(yè)化進(jìn)行了概述,如住宅熱電聯(lián)供機(jī)組、大型分布式發(fā)電系統(tǒng)、小型便攜式設(shè)備和輔助動力裝置等。在日本,小型民用熱電聯(lián)供的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)啟動。Bloom Energy在美國已經(jīng)向商業(yè)客戶出售了幾百個(gè)100 kW的SOFC發(fā)電系統(tǒng),目前正在提高其生產(chǎn)速度以加快SOFC分布式發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化。世界各地正廣泛致力于降低SOFC發(fā)電系統(tǒng)成本的研究,尤其是在電池制造和電池堆材料方面,以及直流電向交流電的轉(zhuǎn)化和其他各組件的平衡。

    (本文由鞏玉棟、宋世棟、韓敏芳翻譯)

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