这就是燃料电池发电技术,项目牵头单位相关负

2020-04-20 09:49 来源:未知

专家组考察了中国矿业大学(北京)的kW级SOFC/SOEC测试系统、及中国华能集团清洁能源技术研究院的20kW级MCFC发电系统。在检查会上,专家组听取了项目负责人彭苏萍院士关于项目基本情况、取得的阶段性进展及成果、人员及经费投入使用情况、项目组织管理、存在的问题及建议等方面的执行情况报告,审阅了检查资料;专家组就项目需解决的关键核心技术如SOFC的基础理论研究深度、系统初步测试结果、量化指标的第三方测评、IGFC关键设备及经济性分析研究等许多研究内容提出了建议。

2019年4月28-29日,科技部高技术中心“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项管理办公室(以下简称“专项办”)组织专家组在北京对华北电力大学牵头的“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”项目进行了中期检查。项目推荐单位教育部科技司代表,项目牵头单位管理部门代表,项目负责人、课题负责人和骨干成员,专项总体专家、同行专家和财务专家等检查组专家,以及专项办相关人员约50位代表参加了会议。

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专项办相关负责人在总结中提出了几点建议和要求:一是不断总结以往SOFC燃料电池技术研究工作所取得的宝贵经验;二是进一步加强该技术方向的基础研究深度和广度,同时加强经济性分析,推动SOFC技术实实在在的发展;三是不断加强项目组织协调管理,开展项目内的技术交流,并充分发挥燃料电池技术专家的重要咨询作用;四是细化项目下一阶段工作计划,做到有的放矢,推动项目目标的顺利实施。他表示,专项办将继续积极落实相关文件精神,做好精准服务。

本次中期检查包括现场检查和会议检查两部分。在现场检查中,专家组详细考察了150kW超高参数二氧化碳流动传热实验台,听取了项目团队建台方案选择、关键部件设计制造及采用“挂图施工”管理工作经验介绍。检查会上,项目负责人徐进良教授对照中期检查要求对项目执行的总体进展、阶段性成果及经费使用情况等进行了介绍;检查专家组审阅了相关材料,经质询研讨与提问,专家组一致认为本项目总体进展正常,执行期内项目目标和考核指标有望实现;同时,专家组还提出加强燃煤发电CO2循环热力系统各种方案比较研究、系统概念设计工程可实现性研究等宝贵和有益的建议。

氢氧燃料电池组成和反应循环图

2019年5月23日,科技部高技术中心“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项办公室(以下简称“专项办”)组织专家组在北京对国家能源投资集团有限责任公司(原神华集团有限责任公司)牵头的“CO2近零排放的煤气化发电技术”项目进行了中期检查。项目推荐单位中国煤炭工业协会代表,项目牵头单位相关负责人,项目负责人彭苏萍院士和骨干成员,专项总体专家组组长姚强教授、副组长张忠孝教授及责任专家、同行专家和财务专家等检查组专家,以及专项办相关人员等60余人参加了会议。

超高参数二氧化碳(简称“S-CO2”)燃煤发电系统采用高温高压二氧化碳代替水蒸气,实现动力循环和电力生产。本项目以1000MWe级S-CO2燃煤发电系统为研究对象,提出全流程一体化的大型S-CO2燃煤发电系统的概念设计,为我国发展该变革性发电系统提供理论和技术支撑。

磷酸型燃料电池基本组成和反应原理

该项目目标是通过研发整体煤气化燃料电池发电(IGFC)系统,实现煤炭清洁、高效发电和CO2捕集,解决煤炭发电因CO2捕集带来的效率下降和成本增加的瓶颈问题。

专项办有关同志肯定了项目负责人依照项目实施方案编制“甘特图”,并根据项目进展进行优化动态调整,指出采用“挂图施工”是促进项目有效推进实施的重要管理举措之一,希望项目团队在未来工作中针对项目的难点和重点,充分发挥项目专家组的咨询作用,加强学科融合,为下一步的研究奠定基础。

PAFC的电解质为浓磷酸水溶液,而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体,为了促进反应,以Pt作为触媒,燃料气体中的CO将造成中毒,降低电极性能。为此,在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO 量,特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。

单电极组装示意图

磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是:燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器,把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物,CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极),同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应,借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对PAFC和PEMFC,高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒,以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用,而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质和上下与其相接的2块电极板,以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等,电解质在MCFC约600~700℃ 的工作温度下呈现熔融状态的液体,形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体,气室的形成采用抗蚀金属。MCFC工作原理。空气极的O2和CO2 与电相结合,生成CO23- ,电解质将CO23-移到燃料极侧,与作为燃料供给的H+ 相结合,放出e-,同时生成H2O和CO2 。化学反应式如下:燃料极:H2 + CO23- = H2O+2e- + CO2 空气极:CO2 + 1/2O2 +2e-=CO23- 全 体:H2 + 1/2O2 =H2O 在这一反应中,e- 同在PAFC中的情况一样,它从燃料极被放出,通过外部的回路反回到空气极,由e- 在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外,MCFC的最大特点是,必须要有有助于反应的CO23-离子,因此,供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且,在电池内部充填触媒,从而将作为天然气主成份的CH4 在电池内部改质,在电池内部直接生成H2 的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下,其主成份CO 和H2O反应生成H2,因此,可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力,隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。SOFC是以陶瓷材料为主构成的,电解质通常采用ZrO2 (氧化锆),它构成了O2- 的导电体Y 2O3 作为稳定化的YSZ而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷,空气极采用LaMnO3 (氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3 (氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同,电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等,开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外,还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下: 燃料极:H2 + O2- = H2O + 2e- 空气极:1/2O2 + 2e- =O2- 全 体:H2 + 1/2O2 =H2O 燃料极,H2 经电解质而移动,与O2- 反应生成H2O和e-。空气极由O2和e- 生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2 和O2 生成H2O。在SOFC中,因其属于高温工作型,因此,在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4 改质成H2 加以利用,并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。

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