燃料电池系统“MEGAMIE®”的市场引入状况及未来展望
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摘 要:三菱动力株式会社(以下简称“三菱动力”)正在开发一种可高效发电的固体氧化物燃料电池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)系统,以实现2050年的脱碳社会。由SOFC和微型燃气轮机(MGT:Micro Gas Turbine)组成的混合系统,经过250kW级系统的实证后,正在向市场推出。三菱动力计划继三菱地所株式会社丸之内大厦、株式会社安藤·间技术研究所(氢利用)、朝日啤酒株式会社茨城工厂(沼气利用)之后,于2021年首次交付海外——德国天然气与热能研究所(GWI:Gas- und Wärme-Institut Essen, e.V.)。同时,三菱动力还在开发应用MGT的MW级系统,并尝试将该系统应用于大崎CoolGen项目的煤气化燃料电池复合发电。此外,三菱动力还在推进使用涡轮增压器(TC:Turbo Charger)代替MGT作为空气供应源的改良型系统的开发。TC系统采用由两段SOFC组合的级联系统,有望提高部分负荷效率。该TC系统计划于2021年进行实证试验。
关键字:固体氧化物燃料电池、微型燃气轮机、250kW级混合系统、燃气轮机燃料电池复合发电、燃料电池系统MEGAMIE
为了抑制全球变暖,实现可持续的地球环境,各国都制定了快速向脱碳化能源系统转变的目标,同时将其作为战略性产业政策,加速脱碳化运动。日本也宣布将在2050年实现碳中和和脱碳社会。为了实现脱碳社会,在由大规模集中电源构筑的成熟电网中,引入高效分布式电源和可再生能源,确保安全、稳定供应、经济、环保,确立合理的能源组合十分重要。在确立能源组合时,不去控制可再生能源的剩余电力,相反通过P2G(Power to Gas)将其转化为氢气,并与蓄电结合进行运用;此外,CO2捕集和封存技术CCS(Carbon dioxide Capture and Storage),以及将捕集和封存的CO2加以利用的CCUS(Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage)都被看作是有效手段。近年来,地震、台风、暴雨等灾害频发,对电源安全的需求提高,因此确保BCP(Business Continuity Plan)和电网韧性也变得十分重要。
三菱动力正在开发应用SOFC的商用燃料电池系统——“MEGAMIE”。SOFC还可以通过逆向操作来电解水蒸气以生成氢气,是一种能够助力实现脱碳社会的有效应用。目前,正在向市场推出将SOFC和微型燃气轮机(MGT)组成的250kW级混合系统,同时,正在开发一种有望提高部分负荷效率等可操作性的涡轮增压器(TC)系统。此外,受日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构(NEDO)关于燃气轮机燃料电池复合发电(GTFC:Gas Turbine Full Cell)开发的委托,三菱动力正在将该基本技术应用于大崎CoolGen项目(OCG:Osaki CoolGen)的煤气化燃料电池复合发电(IGFC:Integrated coal Gasification Fuel cell Combined Cycle)的开发。本报告将介绍MEGAMIE的开发状况。
作为圆柱形SOFC发电元件的电堆结构如图1所示。在陶瓷基管的外表面形成进行发电反应的电池(燃料极/电解质/空气极的层压体),用电子导电性陶瓷连接体将各电池串联连接。数百个这样的电堆捆绑在一起形成一个电池盒,将电池盒储存在压力容器中就构成SOFC模块(图2)。图2所示的系统由SOFC、MGT、再循环鼓风机等构成。通过在SOFC和MGT两个阶段发电,并在排气系统中安装废热回收装置,可以构成同时供应蒸气或热水的热电联供系统(图3(A))。
以推进与SOFC全面普及相关的产学合作为目的,设立于九州大学的“新一代燃料电池产学合作研究中心(NEXT-FC)”,为了服务绿色亚洲国际战略综合特区“智慧燃料电池社会实证”,在九州大学引入250kW系统后,从2015年度开始,在NEDO资助项目“使用固体氧化物燃料电池的商业系统的技术实证”中,在丰田汽车株式会社的元町工厂、日本特殊陶业株式会社的小牧工厂、东京燃气株式会社的千住技术站、大成建设株式会社的技术中心这4个地点对该系统进行了实际负荷环境的实证试验(图4)。另外,该资助项目为课题设定型,各站点分别设定了以下主要课题和验证项目,并进行实证试验:丰田汽车为启动停止试验(1次/月),日本特殊陶业为连续耐久试验,东京燃气为启动停止试验(1次/周,共31次),大成建设为独立运行功能验证试验(已实施)。
根据实证项目的结果,250kW级实机自2017年开始投放市场。商用机第1号交付给三菱地所丸之内大厦,第二号交付给安藤·间技术研究所,第三号交付给朝日啤酒茨城工厂。安藤·间将研究氢利用,朝日啤酒则将研究沼气利用。首次面向海外的德国天然气与热能研究所(GWI)也计划于2021年交付。
OCG项目的概要如图5所示,其通过在第一阶段安装煤气化复合发电设备(IGCC),在第二阶段安装二氧化碳分离回收设备,在第三阶段安装SOFC来进行IGFC验证。面向第3阶段,电源开发株式会社为了推进NEDO项目——“燃料电池模块的煤气适用性研究”,于2017年在其若松研究所安装了250kW级实机,并用富氢气体作为煤气化气体燃料进行了验证试验。此外,自2016年度起,受NEDO“燃气轮机燃料电池复合发电技术开发”的委托,在三菱动力长崎工厂进行了更大型模块(输出1MW级,运行压力0.6MPa级)的验证。目前正在以这些基本技术开发作为设计基础数据,设计和制作面向OCG第3阶段的SOFC,计划于2021年开始安装工程,并在经过试运行调整后,进行煤气化燃料与高压化(目标2MPa)的验证。
目前正在开发的SOFC和TC的组合系统与传统SOFC和MGT的组合系统之间的比较如图3所示。SOFC-MGT系统是将用于SOFC发电后的稀释燃料和空气在MGT燃烧器中燃烧以运行MGT,而SOFC-TC系统(图3(B))采用级联系统,其中经过SOFC模块稀释后的燃料继续用于安装在后段的SOFC模块发电。前段的SOFC称为顶部模块,后段的SOFC称为底部模块。在SOFC-TC系统中,由于向高效燃料电池发电提供燃料,因此有望提高效率;同时,由于部分负荷的空气量可变,因此有望提高部分负荷的效率;此外,由于可以降低涡轮入口燃烧器的温度,因此有望利用除氢气之外的多样燃料。
在操作方面,需要验证用于启动TC的启动用空气鼓风机的可控性和部分负荷的可操作性,并适当调整启动和停止及额定和部分负荷运行时的可控性。因此,在长崎工厂安装了如图6所示的SOFC-TC系统实证机。考虑到运输性,其由两个顶部模块、一个底部模块和一个辅机单元构成。辅机单元由燃料再循环鼓风机、TC、启动用鼓风机等构成。2020年,仅使用一个顶部模块和底部模块,进行了半模块系统的验证试验。改良型MEGAMIE采用与日本特殊陶业共同开发的电堆,计划于2021年将性能更高的电堆用于另一个顶部模块,进而在全模块系统中进行验证。未来,计划以实现1MW级商业机为目标,探讨系统规格,并将其投放市场。
SOFC通过逆反应,可以转变为通过电解来制造氢和CO等的SOEC(固体氧化物电解池:Solid Oxide Electrolysis Cell),是一项极具吸引力的技术。因此,三菱动力为了实现2050年的碳中和及脱碳化目标,将适用及应用SOFC的应用设备作为王牌,助力(包括在过渡期间)同时实现CO2减排以及稳定电力供应。
在SOFC-MGT混合动力系统方面,250kW级实机经过九州大学和NEDO实证项目,自2017年开始投入市场。另外,自2016年起,以250kW级实机为基础,一直在开发和验证具有更大容量的MW级SOFC-MGT实机,并将培育的基本技术用于开发OCG(使用煤气化燃料)用SOFC。
此外,正在推进TC系统的开发以提高可操作性,并计划于2021年进行全模块的系统测试,验证启动和停止特性、额定运行、部分负荷运行特性、保护系统等的可操作性。希望通过该实证试验稳步确立技术,并在提高商业价值后投入市场,为构建“安全且可持续的能源环境社会”作出巨大贡献。
参考文献:
(1)安藤喜昌等,SOFC-微型燃气轮机(MGT)混合动力系统九州大学实证机的运行状况 Vol.52 No.4(2015)p.48~53
(2)入江弘毅等,关于SOFC-MGT混合动力系统市场引入的措施, Vol.54 No.3(2017)p.86~89
翻译:李释云
审校:李 涵
贾陆叶
统稿:李淑珊
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