熔融碳酸盐燃料电池的研究进展与应用前景分析

主要内容熔融碳酸盐燃料电池发展概况熔融碳酸盐燃料电池研究成果燃料电池应用市场分析熔融碳酸盐燃料电池经济性与应用前景发电交通工业能源建筑化工原料国际氢能委员会11.728.620.814.324.7国际氢能委员会估计：2050年氢能将占世界终端能源的18%.中国氢能与燃料电池产业联盟估计：2050年氢能将占我国终端能源的10%.能源革命与氢能能源生产和消费方式的根本变革，主要依靠能源技术的重大突破。新一轮能源革命主要特征是绿色、低碳。氢被认为是未来低碳社会理想的能源载体。煤炭石油新能源+互联网燃料电池技术优势熔融碳酸盐燃料电池发展概况燃料电池技术的应用场景质子交换膜燃料电池Plug

Power加拿大巴拉德日本丰田国鸿氢能上海重塑熔融碳酸盐燃料电池Fuel

Cell

Energy意大利安萨尔多日本石川岛播磨韩国浦项制铁固体氧化物燃料电池BloomEnergy日本爱信精机潮州三环宁波索福人熔融碳酸盐燃料电池(Molten

Carbonate

Fuel

Cell，MCFC)电解质:Li2CO3+K2CO3(mol:62%:38%)或Li2CO3+Na2CO3（mol：53％：47％）电极：阳极－Ni，阴极－NiO双极板：不锈钢316L或310S,冲压焊接成型电池堆组堆方式：平板型单电池堆积连接成堆燃料重整：外重整，内重整；气体分布：内分布，外分布。技术特点：电池部件制备材料体系稳定，电池部件制造工艺简单，反应温度低，密封容易，易于工程放大；熔融碳酸盐燃料电池发展概况工作温度在650℃，效率可达50-60%，寿命可达40000小时以上，适合于分布式电站。目前在美国、日本、德国、意大利、韩国等得到很好的示范运行，功率容量达到兆瓦级以上。熔融碳酸盐燃料电池发展概况洛杉矶水电总部300kW电站华盛顿废水处理厂1.5MW电站韩国59MW

电站2MW

煤气化电站偏铝酸锂粉末材料电解质隔膜制备工艺电极制备工艺双极板设计及制备工艺电池堆组装技术电池堆烧结技术电池堆烧运行与测试技术电池堆升温保温技术电池堆系统控制及催化燃烧设计技术系统集成技术熔融碳酸盐燃料电池技术一直为发达国家所掌握，不能依靠引进消化吸收的方式掌握。自主研发完全掌握熔融碳酸盐燃料电池研究进展批量化合成MCFC隔膜核心材料α-LiAlO2溶胶凝胶固相反应法，碱性氧化铝与碳酸锂反应产物煅烧制备纯度高、晶相稳定750℃煅烧可制得亚微米级偏铝酸锂材料凝胶固相法制备的α-LiAlO2粉末SEM图750℃碱性氧化铝与碳酸锂反应产物XRD及粒径分析熔融碳酸盐燃料电池研究进展隔膜连续批量制备技术去离子水为溶剂的隔膜环保配方，减少隔膜制备过程对环境的污染；流延的连续化制备工艺，保证隔膜的厚度均匀性，实现连续化生产；多张隔膜生坯在400吨压力条件下热压隔膜成型。流延连续制备隔膜生坯熔融碳酸盐燃料电池研究进展400吨热压机孔径范围0.1~0.4μm电极连续批量制备技术以水为溶剂的流延制备方法，电极平整度和厚度均匀性得到控制；以氨分解气氛烧结炉进行电极的烧结，可实现连续化生产；电极孔隙率达到50～70%，孔径5～10um。流延电极生坯电极烧结电极SEM及孔径分布熔融碳酸盐燃料电池研究进展轻型双极板双极板重量由10kg下降到3kg成本降低到机械加工的1/4采用蛇形流道，气体分布更均匀面积易于放大。组合式双极板熔融碳酸盐燃料电池研究进展进一步将单电池面积放大至2000cm2，并完成100节电池堆的组装与运行，输出功率达到

10kW以上。熔融碳酸盐燃料电池研究进展进一步优化隔膜、电极等关键材料，将电流密度提高至

1

2

0

m

A/c

m

2

以上，并组装了1.5kW的短堆进行长周期的可靠性与稳定性验证，累计运行时间超过960小时，性能稳定，验证了所制备材料的性能燃料电池堆的发电效率达到了

51.9%（低位热值），阳极燃料利用率69%。先后进行了225cm2及

760cm2电池堆的组装、烧结运行关键技术，电池在0.7V恒压放电时，电流密度达到

110mA/cm22009-20132014开发出国内最大功率的2kW熔融碳酸盐燃料电池发电系统，单电池面积为760cm2，峰值输出功率达到3.16kW，电流密度达到80mA/cm2，成功掌握了大面积熔融碳酸盐燃料电池隔膜、电极以及电池堆组装等关键技术。2015进一步将单电池面积放大至1000cm2，并完成100节电池堆的组装与运行，输出功率达到5kW以上。201620172014

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今~……2020年，实现20-100kW熔融碳酸盐燃料电池发电系统的开发，发电效率达到47%，热电联产效率>80%，MCFC混合发电系统发电效率>55%,在国内工业园区、制造厂等进行示范推广。2019年电池面积0.3m220kW电堆与系统发电效率45%2020年电池面积0.3m220~100kW发电系统与示范发电效率47%熔融碳酸盐燃料电池研究进展能源消费革命。抑制不合理能源消费，坚决控制能源消费总量。能源生产革命。建立多元化的能源供应体系，降低对煤炭的过度依赖，使能源结构向清洁、低碳方向发展能源技术革命。需要技术的突破，靠技术的革命，持续地降低成本，拓展新能源的应用领域能源体制革命。还

原能源的商品属性，形成主要由市场决

定能源价格的机制能源国际合作燃料电池应用市场分析2012－2018年固定式燃料电池出货量（MW）燃料电池应用市场分析日本Ene－Farm和Bloom公司是固定式燃料电池销售的主要贡献者，并且其销售额仍在增长。ENE-FARM计划2020年、2030年分别实现家用燃料电池累计装机量达140万套和530万套，对应成本有望进一步下降到50万日元/套（约3万元/台套）。装置的成本从导入补贴时超过17万人民币的单价，到目前每套系统补助降低至约1.7万人民币，用户只需再承担约7万人民币。燃料电池应用市场分析燃料电池应用市场分析德国，联邦政府于2016年发起了FC

mCHP市场激活计划—KfW

433，根据输出功率的大小为装置安装提供7050-28200欧元的补助金。该项目在2017年的计划是支持1500套250W-1.5kW的装置，长期目标是每年为7.5万套装置提供补助。欧洲由FCH

JU（燃料电池和氢气联合）实施了

Ene-field示范项目，该项目于2017结束，历时5年，共支持了1046套300W-5kW的PEM和SOFC的mCHP系统。PACE项目接棒Ene-field，在2018年在欧洲10个国家布置至少2500套装置。日本东西电网由背靠背换流站连接电力传输能力不足关东地区采用了欧洲标准，50赫兹频率。关西地区采用美国标准，

60赫兹供电。日本的住宅能源需求量很大并且一直保持增长的态势。日本是多地震国家，供电稳定性欠佳。日本是资源缺乏国家，需要发展低碳清洁高效的能源技术。燃料电池应用市场分析欧洲国家面临着解决居民供暖问题的同时避免电网铺设带来的高额投资的问题，无疑这一技术是个看上去不错的解决方案之一。欧洲的燃气费用相对低廉。中国拥有社会主义特色的强大的安全的统一电网，输电可以到达偏远的乡村。农村冬季取暖采用政府补贴方式进行煤改电改造。城市冬季采暖采用集中供暖方式。从中国国情出发，中国国内难以推广和发展

1~5kW家用燃料电池冷热联产技术！燃料电池应用市场分析100kW~MW的分布式热电联产燃料电池技术适合中国的国情。燃料电池应用市场分析燃料电池应用市场分析京津冀鲁、长三角、珠三角等大气污染防控重点区域和省级重点城市，工业园区、经济开发区、商业建筑的热、冷负荷需求旺盛；国内工业园区及商业建筑对燃料电池产品的功率要求在200kW~MW级水平。2020年将天然气在能源利用中的比重由目前的3%提升到11.3%。对天然气分布式发电技术的需求将会不断提高。燃气内燃机无法解决污染物排放的环保问题和噪音问题。MCFC在效率、污染物排放、噪音、运维成本等方面具有先天优势。燃料电池应用市场分析燃料电池应用市场分析中国制氢工业基础良好。中国工业副产氢产量充足。氢能作为储能介质能够横跨电力、供热和燃料三个领域，促使能源供应端融合，提升能源使用效率。以氢燃料电池为核心的分布式能源网络可提高能源利用效率。可以依托氢燃料电池技术，建立分布式能源网络，做到区域或城市电力、热能和冷能的联合供应。

中国的环境压力远远大于其他国家，在绿色低碳能源革命的市场环境下，MCFC在中国无疑具有天时地利与人和的发展优势。燃料电池应用市场分析熔融碳酸盐燃料电池经济性与应用前景熔融碳酸盐燃料电池经济性与应用前景热电联供系统类型燃气发动机微型燃气轮机燃料电池系统功率kW503025燃气用量MMBtu/hr0.60000.42200.2354燃气价格，$/

MMBtu7.437.437.43电价，$/kWh0.16960.16960.1696系统价格，$/kW221029709100运行&维护费用，$/kWh0.0220.0300.030年使用率0.950.950.95每年电费节省，$/年705604233635280每年供热费节省，$/年13554135699849每年燃气+运行维护费总额，$/年462623359821842使用系统后年能源费节省，$/年378522231623287每度电节省费用，$/kWh0.09100.08940.1119设备回收期，年2.923.999.77MCFC成本降低空间当前，国内燃料电池堆成本1.2万元/kW左右。燃料电池成本随着容量放大和技术进步可降低50%以上，电池堆成本达到6000元/kW以下,与微型燃气轮机形成竞争，应用于分布式电站。熔融碳酸盐燃料电池经济性与应用前景MCFC热电联产系统降低成本的步骤：进行100kW小规模热电联产系统示范，系统成本5万元/KW，验证技术的可靠性。建设5MW的小型生产线，对熔融碳酸盐燃料电池的生产工艺进行改进，将电池堆的生产成本降低50%，通过集成优化其他辅助设备的成本降低50%，使系统的生产成本降低到2万元/KW。建设年产50MW的燃料电池生产线，燃料电池堆生产成本降低到3000-5000元，与燃料处理、电子负载、尾气催化燃烧循环等辅助设备厂家形成良好的配套，组成完整的MCFC系统集成生产产业链，将成本控制在

1万元以内，与