燃料电池-熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电系统进展.ppt

1、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电系统进展,工程热力学专题研究之,燃料电池是将燃料的化学能直接转换为电能,并连续输出的发电设备。燃料电池因其效率高、无污染、建设周期短及易维护等优点,被认为是最有希望的洁净发电技术。,与其它燃料电池相比,熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)具有很强的竞争力:(1)MCFC的发电效率高,通常达到50%以上;(2)MCFC余热品位高,可用作燃料的处理和联合发电,或甲烷的内部重整,若电热两方面都利用,效率可提至80%;(3)可用CO作燃料,故可直接用净化煤气或天然气作燃料;(4)以熔融碳酸盐为电解质,不需用铂等贵重金属作为催化剂;(5)相比其它发电方式,当负载指数大于45%

2、,MCFC发电系统年成本最低,尤其适用于中小规模分散型发电系统。,熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 发电系统进展 1.MCFC系统发电原理 2 MCFC发电系统开发要项 3 MCFC系统设计的研究现状 4 MCFC系统的研究前景,1.MCFC系统发电原理 1.1 MCFC单电池 MCFC单电池由燃料极(阳极,Ni多孔体)、空气极(阴极,NiO多孔体)和两电极板之间的电解质板(一般是浸注Li和K的混合碳酸盐的LiAlO2多孔性陶瓷板)组成。 MCFC中的电化学反应在气-液(电解质)-固三相界面进行。MCFC依靠多孔电极内毛细管压力的平衡来建立稳定的三相界面。 1.2 MCFC电堆 由一组电极和电解

3、质板构成的单体电池工作时 输出电压为0.60.8 V,电流密度约150200 mA/cm2。为获得高电压,将多个单电池串联,构成,电堆。相邻单电池间用金属隔板隔开,隔板 起上下单电池串联和气体流路的作用。电堆 安装在圆 形或方形的压力装置中。 1.3 MCFC发电系统 除电堆本身外,最基本的MCFC发电系统还包括从传统燃料(天然气、富氢气体、甲烷或煤)中产生的燃料处理装置,直交流变换位置以及余热利用(联合发电或底层循环)等部分组成。,2 MCFC发电系统开发要项,2.1电池元件(电极和电解质)性能的提高 (1)孔隙 建立稳定的三相界面,使电解质合理分布是提高性能和延长寿命的重要条件。 (2)阳

4、极 阳极要求稳定、不烧结、抗蠕变、成本低、抗硫中毒性能好。 (3)阴级 阴极要求导电性好、强度高,在电解质中溶解度低。,2.2 燃料的处理 MCFC可采用天然气、煤等经过处理装置后作为燃料。 (1)天然气处理 天然气中包含了含硫气体(硫醇、二硫化物等)。由于燃料电池和重整催化剂都不耐硫,必须将其清除。这通常是采用锌氧化除硫器辅以加氢除硫来实现。 (2)煤处理 MCFC的主要燃料气来源于煤的气化。 2.3 余热利用 余热可被用来提供热水、蒸汽,或通过燃气轮机或蒸汽底层循环产生额外的电力。由于余热的温度高,MCFC能够产生大量的高压过热蒸汽。对于100200 MW以上的燃料电池系统,采用汽轮机作为

5、底层循环是可取的。对于加压燃料电池系统,则采用燃气轮机,随后是气体膨胀器、余热回收蒸汽发生器和汽轮机。,2.4 电力调节器和并网 当燃料电池系统的供电对象为DC设备时,电力调节器包括电流和电压控制。商业化的燃料电池系统目标是向电网输出交流电,此时电力调节器包括直流-交流变换器,以及电流、电压和频率控制。 为实现并网,必须估计并网对燃料电池电厂与电网的影响。因此,对逆变器有下列要求:与电网同步,系统故障保护,高效、高稳定性和高可靠性,抑制谐波,输出频率调节,输出电压调节等。 2.5 电池参数的控制与优化 压力、温度、反应气体的组成和利用率共同决定燃料电池的工作曲线,即电压-电流密度曲线。因此加强

6、对电池参数的控制与优化在燃料电池的研究中显得十分重要。,3 MCFC系统设计的研究现状,国内外MCFC技术状况 美国和日本始终领导着MCFC技术的发展。 1995年ERC在加州Santa Clara建立了2 MW试验电厂,1996年夏季运行达5 000 h。该试验电厂共有16个电池组,电能效率为43.6%(7820 Btu/kWhLHV),电力净输出量为1.93 MW。 日本IHI在川越火力发电厂建成了由4个250 kW叠层电池组成的1 MW级试验发电装置,并于1999年成功进行了发电试验,运行时间达4 900多小时。 国内,中科院大连化物所可批量生产隔膜材料LiAlO2粉料,开发成功制备10

7、0cm2LiAlO2隔膜的工艺,已组装了28cm2、110 cm2单电池,现正在进行千瓦级MCFC电池组研制。,4 MCFC系统的研究前景,4.1 今后开发课题 今后对于MCFC的技术开发,最重要的课题是提高可靠性,延长其寿命。单位时间的电压下降率是电池寿命的重要指标,目前每1 000 h的电压下降率约为0.5%,今后目标值是0.25%。 此外,要研制高性能耐热材料,使电池内温度均匀;使系统小型化;为改善电能质量,对交流波形、高次谐波、故障分析和保护等问题作了进一步研究,而采取专门的措施;降低成本,增强与传统发电方式的竞争力。,4.2 多段MCFC系统 现有的设计和试验结果为MCFC技术的发展指明了方向。传统燃料电池系统为了充分利用燃料,通常采用一系列电池模块以提高利用率,或燃烧剩余的燃料提供热量。上述方法下,各模块之间设置换热器,从而使随后的电池工作在期望温度。而在多段燃料电池中,工温度逐段递增,因而无需换热器冷却各段之间气流。从而降低复杂性、成本和损失。 多段方案的另一个优点是减少燃料的未反应部分。各段的电压和电流密度可以不同