二O一九

年

四月燃料電池分布式能源現狀及關鍵技術

目

錄CONTENTS燃料電池介紹IntroductionofFuel

Cells01燃料電池分布式能源FuelCellDistributed

Energy02國內外發展現狀CurrentSituationofDevelopment03燃料電池關鍵技術KeyTechnologiesofFuel

Cells04工程應用分析Application

analysis05

燃料電池介紹IntroductionofFuel

Cells1

01

燃料電池介紹（2燃）料燃電池料是電一池種不分經類燃燒過程而直接將燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的發電裝置，其工作方式與常規化學電源不同，類似于汽油機或柴油機，即燃料按電照池的電燃解料質和類氧型化劑劃不分存：儲在電池內部，電池發電時燃料和氧化劑由外部裝置連續不斷地送入電池內部。

4

02

燃料電池分類電池類型質子交換膜燃料電池固體氧化物燃料電池熔鹽碳酸鹽燃料電池磷酸燃料電池堿性燃料電池導電離子氫離子氧離子碳酸根離子氫離子氫氧根離子燃料氫氣、重整凈化氣氫氣、重整凈化氣氫氣、重整凈化氣氫氣、重整凈化氣純氫比功率/（W·kg-1）340-300015-2030-40120-180150-200發電效率40%-60%50%-60%45%-60%37%-42%60%-70%啟動時間<5s>30min>30min幾分鐘幾分鐘壽命水平/h分布式發電：80000；管式80000；板式8000020000400008000應用領域分布式電站、移動電源、汽車、潛艇分布式供電分布式供電分布式供電航天燃料電池主要有以下幾大類：

堿性燃料電池（

AFC

）、磷酸型燃料電池5（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧按化照物燃電料解電質池（類S型OF劃C）分等：。

03

燃料電池產業模式傳統燃料（煤炭、石油等）

生物質（甲烷、甲醇等）氫氣（煤電制氫可再生能源制氫核電制氫天然氣發電制氫）燃料電池PEMFCSOFCDMFCAFCMCFCPAFC固定式電源1、一次能源，熱電聯產（居民、商業、工業供電）2、備用電源6交通用電源1、汽車、客車2、航空器3、卡車、火車

燃料范圍廣應用市場大

燃料電池分布式能源FuelCellDistributed

Energy2

01

燃料電池熱電聯供系統分布式能源是一種位于用戶側，優先滿足用戶需求，發電總裝機規模較小，能源綜合效率高，而燃料電池熱電聯產分布式能源應用更廣、效率更高。微型家庭燃料電池供能系統燃料電池熱電聯供系統8商業和工業用戶燃料電池供能系統燃料電池供能站

02

燃料電池分布式能源對比項目燃料電池微型燃氣輪機內燃機單機容量（kW）1-30025-3000.005-10000發電效率50%-60%25%-30%21%-42%綜合效率80%-95%60-80%80%熱電比0.5-1.01.4-2.00.83-2.0噪音（1m處）/dB<60>85>60壽命/h10000-800004500030000-60000啟動時間30s-2d60s10s應用場合家用、分布式微小型發電系統百千瓦及以上冷熱電聯供系統樓宇分布式能源系統燃料電池與傳統分布式能源對比100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%燃料電池與傳統發電效率對比9

03

燃料電池分布式能源優點僅發電效率可達到50%~60％.氮氧化物排放量低于0.002‰，硫氧化物排放量低于0.001‰燃料有氫氣、甲醇、煤氣、沼氣和天然氣變負荷率可達到每分鐘8％~10％小型高效，供電可靠模塊設計，結構緊湊能量轉化率高環境保護性多種燃料變負荷率高低噪聲模塊靈活配置在距發電設備1

m處噪聲小于60dB（A）綜合對比：燃料電池具有高效率、低污染、低噪聲、模塊化、電力質按量好照等電突解出質特類點型，劃是分理：想的分布式能源10

國內外發展現狀CurrentSituationof

Development3

01

國內燃料電池發展中國的燃料電池研究始于1958年，但研究與市場應用進展緩慢，燃料電池總體技術水平和（應2用）來看燃，與料發電達國池家尚分有較類大差距?！?201按4年照，電國務解院質辦公類廳型印發劃的分《：能源發展戰略行動計劃(2014-2020年)》、國家發改委能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》、《能源技術革命重點創新行動路線圖》、能源局《中國制造2025—能源裝備實施方案》等提出燃料電池作為重點發展領域，包含燃料電池技術創新、燃料電池分布式發電、燃料電池汽車等。

12

02

世界燃料電池發展根據BP

預測顯示世界氫能市場規模在2020

年將超過10

萬億日元，在2050

年將達160

萬億日元。美國能源局在最新的預測中表明燃料電池市場規模將以每年10%的增長率發展，到2022

年將是2017

年規模的兩倍。商業和工業用燃料電池的市場開拓，北美地區最為發達，其次是韓國，他們將燃料電池發電作為國家政策。世界氫能市場規模預測商業和工業用燃料電池市場預測13

2017

年日本發布了2030-2050年氫能發展目標，到2030

年實現氫燃料發電商業化。而分布式發電領域，日本目標是使家用燃料電池，發電時產生的廢熱用來燒水，供泡澡和地暖使用，總能量效率超過90%，預計在2020年達到140

萬臺，在2030

年達到530

萬臺，約占10%的家庭。經BP預測2020

年系統投資在7-8年內回收，到2030年時投資可在5年內回收。世界家用燃料電池預測14日本燃料電池系統02

世界燃料電池發展-日本

美國是世界上較早研究燃料電池國家，1992年開始美國能源部就撥款數十億美元用于燃料電池的研制和開發，2000年的悉尼奧運會通用汽車用液氫作燃料電池汽車作為運動場工作車。Plug

Power公司也是最大的燃料電池叉車公司，該公司迄今已向市場提供了超過25000個燃料電池，運行時間超過1.8億小時。美國FuelCell

Energy公司是全球領先的燃料電池供應商，該公司于2018年11月，簽署德比鎮布置一個14.8兆瓦的燃料電池，在全球已經安裝部署了超過300

MW的發電設備。德國的Siemens、DomierGmbH及ABB研究公司致力于開發千瓦級平板式SOFC發電裝置。ebay總部Bloom

Energy燃料電池西門子燃料電池系統Plug

Power30kW氫燃料發電機1503

世界燃料電池發展-歐美國家

04

燃料電池分布式能源部分項目16廠商燃料電池類型功率/（MW）案例Nedstack質子交換膜22016年，中國營創三征清潔利用，聯合荷蘭Nedstack[7]和MTSA等公司建設2MW12012年，比利時Solvay化工集團Hydrogenics質子交換膜12013年，德國EON公司歐盟P2G示范項目Ballard質子交換膜12012年，豐田美工總部分布式發電示范項目斗山能源磷酸燃料電池1.62010年，美國COX通信電纜公司700W生物質氣清潔發電浦項制鐵熔鹽碳酸鹽360韓國平澤旅游園區和浦升工業園區大規模供電供熱項目FuelCell

Energy熔鹽碳酸鹽5.62016年，美國輝瑞制藥研發中心項目BloomEnergy固體氧化物12013年，本田美國總部200kW分布式電站

燃料電池關鍵技術KeyTechnologiesofFuel

Cells4

01

電堆材料與裝備關鍵技術電解質具備熱力學穩定、體積穩定、致密性以及有足夠的機械強度等特性，電解質的特性很大程度上決定了燃料電池的特性。電池堆材料主要包括連接體材料、密封材料和界面材料。連接體對金屬材料的一般要求是抗氧化性、導電性、高溫機械強度、熱膨脹系數匹配以及與相接觸材料間的化學相容性等等。在密封材料方面，需解決電池組件熱膨脹系數匹配問題和密封的成功率等難題，使電池堆的冷熱循環實現平衡，要求和相鄰組元間不發生化學反應和內部擴散。18

02

系統管理技術供氣管理系統、水管理系統和控制管理系統。燃料電池的耐久性是很關鍵的指標。要提高耐久性，一方面要提高材料和關鍵部件的可靠性；另一方面是控制技術，制定并優化燃料電池啟停、動態工況、動力電池匹配及水熱管理的控制策略。啟動準備邏輯19啟動點火控制邏輯

03

系統測試技術測試燃料電池是研究開發過程中必不可少的重要環節，其目的是評估相關部件的材料、設計和性能，為進一步優化單電池和電堆綜合性能提供依據，同時國內缺少相關標準和規程。單電池測試，主要是評估單電池的材料、性能和衰減速率；評估連接體材料和密封材料的性能以及各界面之間的結合情況。在測試的過程，將判斷工作溫度、氣體成分、氣流量、電流密度、熱循環、燃料利用率等多個參數對性能的作用機制，并探索出提高熱循環和穩態壽命的方法。電堆和系統測試，主要是評估部件間的連接情況和相互適應、連接體和氣體流場的設計、熱循環特性以及長時間性能衰減速率。

20

工程應用分析Application

analysis5

01

國家能源分布式能源研發中心（2華）電燃電料力科電學池研究分院類有限公司國家能源分布式能源研發中心，建設完成一套25kW固體氧化物燃料電池發電系統，主要包含電池堆、BOP熱換系統、汽化器、燃料除按硫系照統電、解控制質系類統型和并劃網分系：統等，發電效率超過50%。25kW固體氧化物燃料電池發電系統分布式能源研發中心22

額定工作參數發電功率（MAX）25kW堆區發電效率>50%OCV730～780V額定功率輸出工作電壓：600V，工作電流：38A。電堆燃料管路天然氣

78SLM；0.2～0.4MPa。電堆空氣流量：2000SLM；背壓：10~25kPa。水去離子水，240ml/min。外接電源AC380V,三相五線,安裝容量10kW。排氣參數室外或無背壓環境，設計排氣溫度：