燃料電池是在一個多世紀前發明的,自 1960 年代以來,幾乎所有 NASA 太空任務都使用了燃料電池。它們的獨特之處在于它們可用于廣泛的應用,從為衛星和太空艙發電,到為汽車、公共汽車或船只等燃料電池車輛供電,再到為建筑物提供主要或應急備用電源。
燃料電池有多種類型,但它們都有一個共同的設計和工藝:夾在電解質周圍的負極(陽極)和正極(陰極)發生電化學反應以產生電流。電解質是一種離子導體,可將離子從燃料移動到空氣或將空氣移動到燃料以產生電子流。電解質因燃料電池類型而異,并且根據所使用的電解質,燃料電池經歷的電化學反應略有不同,使用不同的催化劑,使用不同的燃料運行,并實現不同的效率。
幾十年來,專家認為固體氧化物燃料電池 (SOFC) 具有極高的電效率和低運營成本,是所有燃料電池技術中最大的潛力。事實上,SOFC 很可能成為未來六年增長最快的燃料電池領域。
Bloom Energy 是 SOFC 行業的領導者,利用該技術以當今任何電力解決方案的最高效率之一將燃料轉化為電能。SOFC 通過 Bloom Energy Servers(通常稱為"?Bloom Boxes?")產生主要電力。
那么,Bloom Energy 的 SOFC 是如何與燃料和氧氣發生反應從而如此高效地發電的呢?
電化學反應:從化學能到電能
SOFC 中的電解質是獨一無二的;它是一種堅固的陶瓷材料。Bloom 燃料電池中的陽極和陰極電極是涂在電解質上的特殊專有油墨。與其他類型的燃料電池不同,制造 Bloom 的 SOFC 不需要貴金屬、腐蝕性酸或熔融材料。
在能源服務器("Bloom Box")內部高溫運行時,環境空氣進入燃料電池的陰極側。同時,蒸汽與從陽極側進入的燃料(天然氣或沼氣)混合,產生重整燃料。當重整后的燃料穿過陽極時,它會從陰極吸引氧離子。氧離子與重整燃料結合產生電力、蒸汽和二氧化碳。
反應中產生的蒸汽被再循環以重整燃料。由于這種回收過程,Bloom 的燃料電池在正常運行期間不需要水。相反,火力發電廠需要大量的水進行冷卻。事實上,在美國,水的第一大用途是冷卻發電廠。為了在一年內每小時生產 1 兆瓦,美國電網的熱電發電比我們的平臺多抽取約 1.56 億加侖的水。
電化學過程還產生保持燃料電池溫暖和驅動重整反應過程所需的熱量。只要有燃料和空氣,燃料電池就會繼續將化學能轉化為電能,直接在燃料電池部位提供電流。
SOFC 是為 Bloom Energy Server 制造的第一個(也是最小的)組件。然后將 SOFC 組合成一個燃料電池堆,多個堆形成一個服務器模塊(或"Bloom Box")。四到六個模塊組合成一個 200-300kW 的能源服務器,其產生的電力大約相當于標準 30 英尺集裝箱的一半。
由于服務器像構建塊一樣組合在一起,模塊化設計允許以各種配置將任意數量的系統聚集在一起,以形成從數百千瓦到數十兆瓦的解決方案。
Bloom Energy 服務器的工作原理
燃料電池:蓬勃發展的動力解決方案
據《?燃料電池行業評論》?估計,自 2014 年以來,燃料電池的出貨量以 44% 的復合年增長率或復合年增長率增長——與早期幾十年太陽能和風能的興起平行。
Klippenstein 指出,不斷提高的電力效率和與天然氣基礎設施的兼容性為固體氧化物燃料電池自身 24% 的復合年增長率奠定了基礎,并且商業準備不僅通過 Bloom Energy 的眾多能源服務器,而且通過目前部署的估計 70,000 個家庭 SOFC通過日本的 Ene-Farm 計劃。
是什么推動了這種快速增長?首先,對能源多樣化和使用替代能源的需求不斷增長。在氣候變化后的世界中,碳排放增加、極端天氣事件和脆弱電網的威脅比以往任何時候都更加緊迫,企業和社區需要三件事:更實惠的電力、更有彈性的電力和更清潔的能源。燃料電池的獨特定位是滿足這一利基市場。
通過電化學反應而不是燃料?燃燒?來發電意味著燃料電池比傳統的基于燃燒的技術更清潔、更可持續。
燃料電池在兩個方面是清潔的:首先,它們避免排放有害的空氣污染物,包括氮氧化物和二氧化硫,這與世界范圍內嚴重的呼吸系統疾病和空氣質量差有關;其次,與燃料電池相比,它們減少了溫室氣體排放。網格。
例如,"Bloom Box"使用的 SOFC 可以使用天然氣、可再生沼氣或氫氣。當"Bloom Box"使用天然氣運行時,電化學過程中產生的 CO?2?比美國電網產生的碳排放量少 50%。當"Bloom Box"使用可再生沼氣或氫氣運行時,排放量分別是碳中性和零碳。
雖然燃料電池提供了一種通過減少排放來解決氣候變化原因的方法,但它們也減輕了氣候變化的后果,包括由前所未有的天氣事件(如中西部極地渦旋)引起的更嚴重、更頻繁和更長時間的停電。因為燃料電池通常在現場就地產生電力,就在消耗的地方,它們提供了更高的電氣可靠性和能源安全性。
分布式發電避免了傳統輸配電線路的脆弱性,為自然災害、網絡威脅和其他人為災害造成的停電提供了必要的緩沖。此外,利用地下管道基礎設施避免了電網上經常發生的那種級聯故障。
燃料電池也是微電網的理想構建塊;醫院和醫療機構、高科技制造中心、數據中心和零售店等需要在電網出現故障時繼續運營的企業越來越多地采用帶有燃料電池技術的微電網,以獲得更可靠的電力。
燃料電池不斷被證明是替代能源發電領域中效率、彈性和可持續性的最佳組合,因此是企業和社區的領先發電技術。
https://www.bloomenergy.com/blog/everything-you-need-to-know-about-solid-oxide-fuel-cells/