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關(guān)于燃料電池發(fā)電技術(shù)調(diào)研報告 (二 )
5．國外燃料電池發(fā)展狀況發(fā)達國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)，現(xiàn)在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題，2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達國家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運算繪圖及文書處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。燃料電池的高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢頭快步進入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。
5.1．磷酸型燃料電池(PAFC)
受1973年世界性石油危機以及美國PAFC研發(fā)的影響，日本決定開發(fā)各種類型的燃料電池，PAFC作為大型節(jié)能發(fā)電技術(shù)由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(gòu)（NEDO）進行開發(fā)。自1981年起，進行了1000kW現(xiàn)場型PAFC發(fā)電裝置的研究和開發(fā)。1986年又開展了200kW現(xiàn)場性發(fā)電裝置的開發(fā)，以適用于邊遠地區(qū)或商業(yè)用的PAFC發(fā)電裝置。
富士電機公司是目前日本最大的PAFC電池堆供應(yīng)商。截至1992年，該公司已向國內(nèi)外供應(yīng)了17套PAFC示范裝置，富士電機在1997年3月完成了分散型5MW設(shè)備的運行研究。作為現(xiàn)場用設(shè)備已有50kW、100kW及500kW總計88種設(shè)備投入使用。下表所示為富士電機公司已交貨的發(fā)電裝置運行情況，到1998年止有的已超過了目標壽命4萬小時。
表現(xiàn)場用PAFC燃料電池的運行情況
容量
臺數(shù)
累計運行時間
最長累計
最長連續(xù)
>1萬h
>2萬h
>3萬h
50kW
66
1018411
33655
7098
54
15
4
100kW
19
274051
35607
6926
11
4
3
500kW
3
43437
16910
4214
3
0
0
東芝公司從70年代后半期開始，以分散型燃料電池為中心進行開發(fā)以后，將分散電源用11MW機以及200kW機形成了系列化。11MW機是世界上最大的燃料電池發(fā)電設(shè)備，從1989年開始在東京電力公司五井火電站內(nèi)建造，1991年3月初發(fā)電成功后，直到1996年5月進行了5年多現(xiàn)場試驗，累計運行時間超過2萬小時，在額定運行情況下實現(xiàn)發(fā)電效率43.6%。在小型現(xiàn)場燃料電池領(lǐng)域，1990年東芝和美國IFC公司為使現(xiàn)場用燃料電池商業(yè)化，成立了ONSI公司，以后開始向全世界銷售現(xiàn)場型200kW設(shè)備"PC25"系列。PC25系列燃料電池從1991年末運行，到1998年4月，共向世界銷售了174臺。其中安裝在美國某公司的一臺機和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號機，累計運行時間相繼突破了4萬小時。從燃料電池的壽命和可靠性方面來看，累計運行時間4萬h是燃料電池的長遠目標。東芝ONSI已完成了正式商用機PC25C型的開發(fā)，早已投放市場。PC25C型作為21世紀新能源先鋒獲得日本通商產(chǎn)業(yè)大獎。從燃料電池商業(yè)化出發(fā)，該設(shè)備被評價為具有高先進性、可靠性以及優(yōu)越的環(huán)境性設(shè)備。它的制造成本是$3000/kW，近期將推出的商業(yè)化PC25D型設(shè)備成本會降至$1500/kW，體積比PC25C型減少1/4，質(zhì)量僅為14t。明年即2001年，我國就將迎來第一座PC25C型燃料電池電站，它主要由日本的MITI（NEDO）資助的，這將是我國第一座燃料電池發(fā)電站。
PAFC作為一種中低溫型（工作溫度180-210℃）燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、無噪音等特點，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。下表給出先進的ONSI公司PC25C型200kWPAFC的主要技術(shù)指標。最初開發(fā)PAFC是為了控制發(fā)電廠的峰谷用電平衡，近來則側(cè)重于作為向公寓、購物中心、醫(yī)院、賓館等地方提供電和熱的現(xiàn)場集中電力系統(tǒng)。
表ONSI公司PC25C型PAFC主要技術(shù)指標
電力輸出
發(fā)電效率
燃料
質(zhì)量
排熱利用
環(huán)境狀況NOX
體積
200kW
40%
城市煤氣
27.3t
42%
10×10-6
3×3×5.5
PAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠，容量在100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。PAFC電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)點：即使在發(fā)電負荷比較低時，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝簡單，省時，并且電廠擴容容易。
下圖為ONSIPC25C型電站：
5.2．質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)
著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技術(shù)上全球領(lǐng)先，現(xiàn)在它的應(yīng)用領(lǐng)域從交通工具到固定電站，其子公司BallardGenerationSystem被認為在開發(fā)、生產(chǎn)和市場化零排放質(zhì)子交換膜燃料電池上處于世界領(lǐng)先地位。BallardGenerationSystem最初產(chǎn)品是250kW燃料電池電站，其基本構(gòu)件是Ballard燃料電池，利用氫氣（由甲醇、天然氣或石油得到）、氧氣（由空氣得到）不燃燒地發(fā)電。Ballard公司正和世界許多著名公司合作以使BallardFuelCell商業(yè)化。BallardFuelCell已經(jīng)用于固定發(fā)電廠：由BallardGenerationSystem，GPUInternationalInc.，AlstomSA和EBARA公司共同組建了BallardGenerationSystem，共同開發(fā)千瓦級以下的燃料電池發(fā)電廠。經(jīng)過5年的開發(fā)，第一座250kW發(fā)電廠于1997年8月成功發(fā)電，1999年9月送至IndianaCinergy，經(jīng)過周密測試、評估，并提高了設(shè)計的性能、降低了成本，這導(dǎo)致了第二座電廠的誕生，它安裝在柏林，250kW輸出功率，也是在歐洲的第一次測試。很快Ballard公司的第三座250kW電廠也在2000年9月安裝在瑞士進行現(xiàn)場測試，緊接著，在2000年10月通過它的伙伴EBARABallard將第四座燃料電池電廠安裝在日本的NTT公司，向亞洲開拓了市場。在不同地區(qū)進行的測試將大大促進燃料電池電站的商業(yè)化。第一個早期商業(yè)化電廠將在2001年底面市。下圖是安裝在美國Cinergy的Ballard燃料電池裝置，目前正在測試：
下圖是安裝在柏林的250kWPEMFC燃料電池電站：
在美國，PlugPower公司是最大的質(zhì)子交換膜燃料電池開發(fā)公司，他們的目標是開發(fā)、制造適合于居民和汽車用經(jīng)濟型燃料電池系統(tǒng)。1997年，PlugPower模塊第一個成功地將汽油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏�。最近，PlugPower公司開發(fā)出它的專利產(chǎn)品PlugPower7000居民家用分散型電源系統(tǒng)。商業(yè)產(chǎn)品在2001年初推出。家用燃料電池的推出將使核電站、燃氣發(fā)電站面臨挑戰(zhàn)，為了推廣這種產(chǎn)品，1999年2月，PlugPower公司和GEMicroGen成立了合資公司，產(chǎn)品改稱GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司負責(zé)全球推廣。此產(chǎn)品將提供7kW的持續(xù)電力。GE/Plug公司宣稱其2001年初售價為$1500/kW。他們預(yù)計5年后，大量生產(chǎn)的燃料電池售價將降至$500/kW。假設(shè)有20萬戶家庭各安裝一個7kW的家用燃料電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個核電機組的容量，這種分散型發(fā)電系統(tǒng)可用于尖峰用電的供給，又因分散式系統(tǒng)設(shè)計增加了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個發(fā)電系統(tǒng)依然能正常運轉(zhuǎn)。
在Ballard公司的帶動下，許多汽車制造商參加了燃料電池車輛的研制，例如：Chrysler(克萊斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda(本田)、Nissan(尼桑)、VolkswagenAG(大眾)和Volvo(富豪)等，它們許多正在使用的燃料電池都是由Ballard公司生產(chǎn)的，同時，它們也將大量的資金投入到燃料電池的研制當中，克萊斯勒公司最近給Ballard公司注入4億5千萬加元用于開發(fā)燃料電池汽車，大大的促進了PEMFC的發(fā)展。1997年，Toyota公司就制成了一輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車，它由一個25kW的燃料電池和輔助干電池一起提供了全部50kW的能量，最高時速可以達到125km/h，行程可達500km。目前這些大的汽車公司均有燃料電池開發(fā)計劃，雖然現(xiàn)在燃料電池汽車商業(yè)化的時機還未成熟，但幾家公司已確定了開始批量生產(chǎn)的時間表，Daimler-Benz公司宣布，到2004年將年產(chǎn)40000輛燃料電池汽車。因而未來十年，極有可能達到100000輛燃料電池汽車。
PEMFC是一種新型、有遠大前途的燃料電池，經(jīng)過從80年代初到現(xiàn)在的近20年的發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池起了翻天覆地的變化。這種變化從其膜電極的演變過程可見一斑。膜電極是PEMFC的電化學(xué)心臟，正是因為它的變化，才使得PEMFC呈現(xiàn)了今天的蓬勃生機。早期的膜電極是直接將鉑黑與起防水、粘結(jié)作用的Tefion微�；旌虾鬅釅旱劫|(zhì)子交換膜上制得的。Pt載量高達10mg/cm2。后來，為增加Pt的利用率，使用了Pt/C催化劑，但Pt的利用率仍非常低，直到80年代中期，PEMFC膜電極的Pt載量仍高達4mg/cm2。80年代中后期，美國LosAlamos國家實驗室（LANL）提出了一種新方法，采用Nafion質(zhì)子交換聚合物溶液浸漬Pt/C多孔氣體擴散電極，再熱壓到質(zhì)子交換膜上形成膜電極。此法大大提高了Pt的利用率，將膜電極的載鉑量降到了0.4mg/cm2。1992年，LANL對該法進行了改進，使膜電極的Pt載量進一步降低到0.13mg/cm2。1995年印度電化學(xué)能量研究中心（CEER）采用噴涂浸漬法制得了Pt載量為0.1mg/cm2的膜電極，性能良好。據(jù)報道，現(xiàn)在LANL試驗的一些單電池中，膜電極上鉑載量已降到0.05mg/cm2。膜電極上鉑載量的減少，直接可以使燃料電池的成本降低，這就為其商品化的實現(xiàn)準備了條件。
5.3．熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
50年代初，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由于其可以作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這之后，MCFC發(fā)展的非常快，它在電池材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進，但電池的工作壽命并不理想。到了80年代，它已被作為第二代燃料電池，而成為近期實現(xiàn)兆瓦級商品化燃料電池電站的主要研究目標，研制速度日益加快。現(xiàn)在MCFC的主要研制者集中在美國、日本和西歐等國家。預(yù)計2002年將商品化生產(chǎn)。
美國能源部（DOE）去年已撥給固定式燃料電池電站的研究費用4420萬美元，而其中的2/3將用于MCFC的開發(fā)，1/3用于SOFC的開發(fā)。美國的MCFC技術(shù)開發(fā)一直主要由兩大公司承擔，ERC（EnergyResearchCorporation）（現(xiàn)為FuelCellEnergyInc.）和M-CPower公司。他們通過不同的方法建造MCFC堆。兩家公司都到了現(xiàn)場示范階段：ERC1996年已進行了一套設(shè)于加州圣克拉拉的2MW的MCFC電站的實證試驗，目前正在尋找3MW裝置試驗的地點。ERC的MCFC燃料電池在電池內(nèi)部進行無燃氣的改質(zhì)，而不需要單獨設(shè)置的改質(zhì)器。根據(jù)試驗結(jié)果，ERC對電池進行了重新設(shè)計，將電池改成250kW單電池堆，而非原來的125kW堆，這樣可將3MW的MCFC安裝在0.1英畝的場地上，從而降低投資費用。ERC預(yù)計將以$1200/kW的設(shè)備費用提供3MW的裝置。這與小型燃氣渦輪發(fā)電裝置設(shè)備費用$1000/kW接近。但小型燃氣發(fā)電效率僅為30%，并且有廢氣排放和噪聲問題。與此同時，美國M-CPower公司已在加州圣迭戈的海軍航空站進行了250kW裝置的試驗，現(xiàn)在計劃在同一地點試驗改進75kW裝置。M-CPower公司正在研制500kW模塊，計劃2002年開始生產(chǎn)。
日本對MCFC的研究，自1981年"月光計劃"時開始，1991年后轉(zhuǎn)為重點，每年在燃料電池上的費用為12-15億美元，1990年政府追加2億美元，專門用于MCFC的研究。電池堆的功率1984年為1kW，1986年為10kW。日本同時研究內(nèi)部轉(zhuǎn)化和外部轉(zhuǎn)化技術(shù)，1991年，30kW級間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化MCFC試運轉(zhuǎn)。1992年50-100kW級試運轉(zhuǎn)。1994年，分別由日立和石川島播磨重工完成兩個100kW、電極面積1m2，加壓外重整MCFC。另外由中部電力公司制造的1MW外重整MCFC正在川越火力發(fā)電廠安裝，預(yù)計以天然氣為燃料時，熱電效率大于45%，運行壽命大于5000h。由三菱電機與美國ERC合作研制的內(nèi)重整30kWMCFC已運行了10000h。三洋公司也研制了30kW內(nèi)重整MCFC。目前，石川島播磨重工有世界上最大面積的MCFC燃料電池堆，試驗壽命已達13000h。日本為了促進MCFC的開發(fā)研究，于1987年成立了MCFC研究協(xié)會，負責(zé)燃料電池堆運轉(zhuǎn)、電廠外圍設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)等方面的研究，現(xiàn)在它已聯(lián)合了14個單位成為日本研究開發(fā)主力。
歐洲早在1989年就制定了1個Joule計劃，目標是建立環(huán)境污染小、可分散安裝、功率為200MW的"第二代"電廠，包括MCFC、SOFC和PEMFC三種類型，它將任務(wù)分配到各國。進行MCFC研究的主要有荷蘭、意大利、德國、丹麥和西班牙。荷蘭對MCFC的研究從1986年已經(jīng)開始，1989年已研制了1kW級電池堆，1992年對10kW級外部轉(zhuǎn)化型與1kW級內(nèi)部轉(zhuǎn)化型電池堆進行試驗，1995年對煤制氣與天然氣為燃料的2個250kW系統(tǒng)進行試運轉(zhuǎn)。意大利于1986年開始執(zhí)行MCFC國家研究計劃，1992-1994年研制50-100kW電池堆，意大利Ansodo與IFC簽定了有關(guān)MCFC技術(shù)的協(xié)議，已安裝一套單電池（面積1m2）自動化生產(chǎn)設(shè)備，年生產(chǎn)能力為2-3MW，可擴大到6-9MW。德國MBB公司于1992年完成10kW級外部轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究開發(fā)，在ERC協(xié)助下，于1992年-1994年進行了100kW級與250kW級電池堆的制造與運轉(zhuǎn)試驗。現(xiàn)在MBB公司擁有世界上最大的280kW電池組體。
資料表明，MCFC與其他燃料電池比有著獨特優(yōu)點：
a．發(fā)電效率高比PAFC的發(fā)電效率還高；
b．不需要昂貴的白金作催化劑，制造成本低；
c．可以用CO作燃料；
d．由于MCFC工作溫度600-1000℃，排出的氣體可用來取暖，也可與汽輪機聯(lián)合發(fā)電。若熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到80%；
e．中小規(guī)模經(jīng)濟性與幾種發(fā)電方式比較，當負載指數(shù)大于45%時，MCFC發(fā)電系統(tǒng)成本最低。與PAFC相比，雖然MCFC起始投資高，但PAFC的燃料費遠比MCFC高。當發(fā)電系統(tǒng)為中小規(guī)模分散型時，MCFC的經(jīng)濟性更為突出；
f．MCFC的結(jié)構(gòu)比PAFC簡單。
5.4．固體氧化物燃料電池(SOFC)
SOFC由用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成�？諝庵械难踉诳諝鈽O/電解質(zhì)界面被氧化，在空氣燃料之間氧的分差作用下，在電解質(zhì)中向燃料極側(cè)移動，在燃料極電解質(zhì)界面和燃料中的氫或一氧化碳反應(yīng)，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過外部回路，再次返回空氣極，此時產(chǎn)生電能。
SOFC的特點如下：
l由于是高溫動作（600-1000℃），通過設(shè)置底面循環(huán)，可以獲得超過60%效率的高效發(fā)電。
由于氧離子是在電解質(zhì)中移動，所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。
由于電池本體的構(gòu)成材料全部是固體，所以沒有電解質(zhì)的蒸發(fā)、流淌。另外，燃料極空氣極也沒有腐蝕。l動作溫度高，可以進行甲烷等內(nèi)部改質(zhì)。
與其他燃料電池比，發(fā)電系統(tǒng)簡單，可以期望從容量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備，具有廣泛用途。
在固定電站領(lǐng)域，SOFC明顯比PEMFC有優(yōu)勢。SOFC很少需要對燃料處理，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計更為簡單，而且，SOFC與燃氣輪機及其他設(shè)備也很容易進行高效熱電聯(lián)產(chǎn)。下圖為西門子-西屋公司開發(fā)出的世界第一臺SOFC和燃氣輪機混合發(fā)電站，它于2000年5月安裝在美國加州大學(xué)，功率220kW，發(fā)電效率58%。未來的SOFC/燃氣輪機發(fā)電效率將達到60-70%。
被稱為第三代燃料電池的SOFC正在積極的研制和開發(fā)中，它是正在興起的新型發(fā)電方式之一。美國是世界上最早研究SOFC的國家，而美國的西屋電氣公司所起的作用尤為重要，現(xiàn)已成為在SOFC研究方面最有權(quán)威的機構(gòu)。
早在1962年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料，在SOFC試驗裝置上獲得電流，并指出烴類燃料在SOFC內(nèi)必須完成燃料的催化轉(zhuǎn)化與電化學(xué)反應(yīng)兩個基礎(chǔ)過程，為SOFC的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后10年間，該公司與OCR機構(gòu)協(xié)作，連接400個小圓筒型ZrO2-CaO電解質(zhì)，試制100W電池，但此形式不便供大規(guī)模發(fā)電裝置應(yīng)用。80年代后，為了開辟新能源，緩解石油資源緊缺而帶來的能源危機，SOFC研究得到蓬勃發(fā)展。西屋電氣公司將電化學(xué)氣相沉積技術(shù)應(yīng)用于SOFC的電解質(zhì)及電極薄膜制備過程，使電解質(zhì)層厚度減至微米級，電池性能得到明顯提高，從而揭開了SOFC的研究嶄新的一頁。80年代中后期，它開始向研究大功率SOFC電池堆發(fā)展。1986年，400W管式SOFC電池組在田納西州運行成功。1987年，又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了3kW級列管式SOFC發(fā)電機組，成功地進行連續(xù)運行試驗長達5000h，標志著SOFC研究從實驗研究向商業(yè)發(fā)展。進入90年代DOE機構(gòu)繼續(xù)投資給西屋電氣公司6400余萬美元，旨在開發(fā)出高轉(zhuǎn)化率、2MW級的SOFC發(fā)電機組。1992年兩臺25kW管型SOFC分別在日本大阪、美國南加州進行了幾千小時實驗運行。從1995年起，西屋電氣公司采用空氣電極作支撐管，取代了原先CaO穩(wěn)定的ZrO2支撐管，簡化了SOFC的結(jié)構(gòu),使電池的功率密度提高了近3倍。該公司為荷蘭Utilies公司建造100kW管式SOFC系統(tǒng)，能量總利用率達到75%，已經(jīng)正式投入使用。目前，SiemensWestinghouse宣布有兩座250kWSOFC示范電廠很快將在挪威和加拿大的多倫多附近建成。下圖為西屋公司在荷蘭安裝的SOFC示范電廠，它可以提供110kW的電力和64kW的熱，發(fā)電效率達到46%，運行14000h。
另外，美國的其它一些部門在SOFC方面也有一定的實力。位于匹茲堡的PPMF是SOFC技術(shù)商業(yè)化的重要生產(chǎn)基地，這里擁有完整的SOFC電池構(gòu)件加工、電池裝配和電池質(zhì)量檢測等設(shè)備，是目前世界上規(guī)模最大的SOFC技術(shù)研究開發(fā)中心。1990年，該中心為美國DOE制造了20kW級SOFC裝置，該裝置采用管道煤氣為燃料，已連續(xù)運行了1700多小時。與此同時，該中心還為日本東京和大阪煤氣公司、關(guān)西電力公司提供了兩套25kW級SOFC試驗裝置，其中一套為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。另外美國阿爾貢國家實驗室也研究開發(fā)了疊層波紋板式SOFC電池堆，并開發(fā)出適合于這種結(jié)構(gòu)材料成型的澆注法和壓延法。使電池能量密度得到顯著提高，是比較有前途的SOFC結(jié)構(gòu)。
在日本，SOFC研究是"月光計劃"的一部分。早在1972年，電子綜合技術(shù)研究所就開始研究SOFC技術(shù)，后來加入"月光計劃"研究與開發(fā)行列，1986年研究出500W圓管式SOFC電池堆，并組成1.2kW發(fā)電裝置。東京電力公司與三菱重工從1986年12月開始研制圓管式SOFC裝置，獲得了輸出功率為35W的單電池，當電流密度為200mA/cm2時，電池電壓為0.78V，燃料利用率達到58%。1987年7月，電源開發(fā)公司與這兩家公司合作，開發(fā)出1kW圓管式SOFC電池堆，并連續(xù)試運行達1000h，最大輸出功率為1.3kW。關(guān)西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機構(gòu)則從美國西屋電氣公司引進3kW及2.5kW圓管式SOFC電池堆進行試驗，取得了滿意的結(jié)果。從1989年起，東京煤氣公司還著手開發(fā)大面積平板式SOFC裝置，1992年6月完成了100W平板式SOFC裝置，該電池的有效面積達400cm2�，F(xiàn)Fuji與Sanyo公司開發(fā)的平板式SOFC功率已達到千瓦級。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從1990年起對疊層波紋板式SOFC系統(tǒng)進行研究和綜合評價，研制出406W試驗裝置，該裝置的單電池有效面積達到131cm2。
在歐洲早在70年代，聯(lián)邦德國海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的SOFC發(fā)電裝置，單電池運行性能良好。80年代后期，在美國和日本的影響下，歐共體積極推動歐洲的SOFC的商業(yè)化發(fā)展。德國的Siemens、DomierGmbH及ABB研究公司致力于開發(fā)千瓦級平板式SOFC發(fā)電裝置。Siemens公司還與荷蘭能源中心(ECN)合作開發(fā)開板式SOFC單電池，有效電極面積為67cm2。ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦級SOFC發(fā)電裝置，這種電池為金屬雙極性結(jié)構(gòu)，在800℃下進行了實驗，效果良好�，F(xiàn)正考慮將其制成25～100kW級SOFC發(fā)電系統(tǒng)，供家庭或商業(yè)應(yīng)用。
表燃料電池的分類及技術(shù)比較
燃料電池
電解質(zhì)
工作溫度
電化學(xué)反應(yīng)式
PEMFC
固體有機膜
60-100℃
陽極：H2→2H++2e
陰極：1/2O2+2H++2e→H2O
PAFC
H3PO4
175-200℃
陽極：H2→2H++2e
陰極：1/2O2+2H++2e→H2O
MCFC
�。↙i、Na、K）2CO3
600-1000℃
陽極：H2+CO32－→H2O+CO2+2e
陰極：1/2O2+CO2+2e→CO32－
SOFC
YSZ（用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2）
600-1000℃
陽極：H2+O2－→H2O+2e
陰極：1/2O2+2e→O2－
6．燃料資源評估
燃料電池運行時必須使用流動性好的氣體燃料。低溫燃料電池要用氫氣，高溫燃料電池可以直接使用天然氣、煤氣。這種燃料的前景如何呢？我國的天然氣儲量是十分豐富的，現(xiàn)已探明陸地上儲量為1.9萬億m3，專家認為我國已探明天然氣儲量為30萬億m3。我國還將利用豐富的鄰國天然氣資源，俄羅斯西西伯利亞已探明天然氣儲量為38.6萬億m3，可向我國年供氣200~300億m3；俄羅斯的東西伯利亞已探明天然氣儲量3.13萬億m3，可向我國年供氣100~200億m3；俄遠東地區(qū)、薩哈林島探明天然氣儲量1萬億m3，可向我國東北年供氣100億m3以上。中亞地區(qū)的哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和土庫曼斯坦三國探明的天然氣儲量6.77萬億m3，可向外供氣300億m3。我國規(guī)劃在2010年以前鋪設(shè)天然氣管線9000km，屆時有望在全國形成"兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫"的格局，形成可靠的供氣系統(tǒng)。其中的兩縱是南北的輸氣干線，即薩哈林島--大慶--沈陽干線和伊爾庫茨克--北京--日照--上海輸氣干線。目前我國的生產(chǎn)能力約為300億m3/a，2010年為700億m3，2020年為1000～1100億m3。天然氣主要成分為CH4（占90%左右），熱值高（每立方米天然氣熱值為8600～9500千卡），便于運輸，在3000公里的距離內(nèi)運用管道輸送都是十經(jīng)濟的。
我國還可利用的液化天然氣（LNG）資源也是十分可觀的，可向中國立即提供LNG的國家有印度尼西亞、馬來西亞、卡塔爾等國。
我國的煤層氣也十分豐富，陸上深埋2000米以內(nèi)淺的煤層氣資源量為32~35萬億m3，多于陸上天然氣資源量（30萬億m3），位于世界前列。
另外作為后續(xù)資源，我國已發(fā)現(xiàn)在南海、東海深處有大量的天然氣水合物，其資源量為700億噸石油當量。目前已有多個科研機構(gòu)正在研究其開采利用的技術(shù)。
半個世紀以來，世界大多數(shù)國家時早以完成了由煤炭時代向石油時代的轉(zhuǎn)換，正在向石油、天然氣時代過度。如1950年在世界能源結(jié)構(gòu)中煤炭所占的比例為57.5%，而到1996年則下降為26.9%，天然氣占23.5%石油占39%兩者共占63%。能源界預(yù)測目前的消費量，石油只能再用20年，而天然氣則可用100年，為此稱21世紀是"天然氣世紀"。我國的能源工業(yè)也必將跟上世界能源消費潮流。
另外由于環(huán)保的需要和IGCC技術(shù)的推動，煤的大型氣化裝置技術(shù)已經(jīng)過關(guān)。煤炭部門的有關(guān)專家介紹，目前的技術(shù)完全可以把煤轉(zhuǎn)換為氫氣，轉(zhuǎn)換效率可達80%，供給燃料電池作燃料，其效率要比常規(guī)熱動力裝置效率高得多。
我國有大量的生物資源（薪材3000萬噸、秸桿45000萬噸、稻殼1500萬噸、垃圾1.6億噸等），這種密度低分散度高資源可以轉(zhuǎn)換成沼氣或人工煤氣或甲醇供分散的、小型高效的燃料電池使用。如廣東番禺正在建設(shè)使用養(yǎng)豬場沼氣的燃料電池電站。
我國在合成氨工業(yè)中，氫的年回收量可達到14億m3；在氯堿工業(yè)中有0.37億m3的氫可供回收利用。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒及丁醇溶劑廠等生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計可達到15億m3以上。
從長遠發(fā)展看，小型、高效、靈活、分散的PEMFC、PAFC發(fā)電與集中高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)均是有燃料保證的。
7．燃料電池發(fā)電的經(jīng)濟性
燃料電池是一種正在逐步完善的能源利用方式。其投資正在不斷的降低，目前PEMFC的國外商業(yè)價格為$1500/kW，PAFC的價格為$3000/kW。國內(nèi)富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價格為10000元/kW。其他燃料電池國內(nèi)暫無商業(yè)產(chǎn)品。
燃料電池發(fā)電與常規(guī)的火電投資比較不能單考慮電源投資，還應(yīng)將長距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉(zhuǎn)換裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來計算綜合投資大型的火電廠每千瓦約為1.3~1.5萬元。發(fā)電消耗的燃料為燃料電池的兩倍以上，按目前國內(nèi)天然氣最低市價（產(chǎn)地市價人民幣1元/m3）計算，當發(fā)電時間超過70000h以后，用燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機發(fā)電更經(jīng)濟。在實際發(fā)電工程中還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機發(fā)電占地面積大，環(huán)境污染重的問題。隨著燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷完善，造價將不斷的降低，特別是在規(guī)�；a(chǎn)后，其造價將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來這種發(fā)電方式會對傳統(tǒng)熱機發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。
最近國際上一些學(xué)者和國際組織認為：大容量、高參數(shù)機組發(fā)電，超高壓、大電網(wǎng)遠距離送電的集中供電是一些工業(yè)發(fā)達國家過去走過的道路。目前的情況正在發(fā)生變化，較分散的發(fā)電站的出現(xiàn)，再加上對改善能源投資的選擇，傳統(tǒng)的觀念變得過時了。1999年在布魯塞爾成立的國際熱電聯(lián)產(chǎn)（ICA）組織聲稱："其實旨是推動世界范圍內(nèi)的清潔、高效、分散的電力生產(chǎn)，它預(yù)言這是下一個世紀電力工業(yè)的方向"。隨著小型分散的熱電廠、燃料電池發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等的出現(xiàn)和增加，當今的電力系統(tǒng)將發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變。超大型的電站與分散微型電站的結(jié)合可以減少在輸配電線路上的投資，會使得電力系統(tǒng)更安全更經(jīng)濟。一個目前擁有50個發(fā)電廠的電力公司在未來若干年內(nèi)會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連。這種電力網(wǎng)絡(luò)類似于目前的計算機網(wǎng)絡(luò)，少數(shù)的幾臺主機與眾多的PC機相連。這種電網(wǎng)會使得各種能源得到更好利用和配置，這種變化將要求未來的電力系統(tǒng)運行方式有一個重大的變革。
將來的電網(wǎng)系統(tǒng)可能是現(xiàn)有的大電網(wǎng)和中小燃料電池共存狀態(tài)。因為大電網(wǎng)有其優(yōu)越性的同時，也存在著缺陷，如高電壓長距離輸電將有6-8%的損失。而分散的中小型燃料電池電站可以在許多地點建立，可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為3%），同時也為電網(wǎng)調(diào)峰做出了貢獻。中小型分散式電力系統(tǒng)將靈活地適應(yīng)季節(jié)性和地域性的電力需求變化。根據(jù)專家計算，一條直徑為0.91米的輸氫管道用于950-1600公里輸氫其所輸能量約相當于50萬伏高壓輸電線路輸送能量的的10倍以上，而輸氫管道所需的建設(shè)費用僅為建設(shè)高壓輸電線路的1/2-1/4，日常運行維護也比輸電線路低得多。在美國這樣的電力工業(yè)已很發(fā)達的國家，將來對燃料電池的市場需要約為17000兆瓦以上，即中小型分散配置，有其獨特的優(yōu)越性。我國也將是這樣。
8．對電力系統(tǒng)的影響展望
被稱為第四代發(fā)電方式的燃料電池，由于具有燃料利用效率可達80%、不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）、容量可根據(jù)需要而定，所以受到了各方面的極大關(guān)注。各國家的政府都在這方面增加研發(fā)資金，推動其商業(yè)化的進程。在近年它首先受到了交通界的重視，作為交通動力裝置已被搬上汽車、艦船，幾乎同時它受到了國外電力系統(tǒng)的重視。PAFC發(fā)電裝置已有數(shù)萬套進入賓館、家庭運行，PAFC已有了4萬多小時的運行記錄。
我國稀土資源豐富，發(fā)展MCFC和SOFC技術(shù)具有十分有利的條件。以天然氣和凈化煤氣為燃料的MCFC和SOFC發(fā)電效率高達55%～65%，而且還可提供優(yōu)質(zhì)余熱用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，是一種優(yōu)良的區(qū)域性供電電站。熱電聯(lián)供時,燃料利用率高達80%以上。專家們認為它與各種大型中心電站的關(guān)系，頗類似于個人電腦與大型中心計算機的關(guān)系，二者互為補充。二十一世紀，這種區(qū)域性、環(huán)境友好的、高效的發(fā)電技術(shù)有可能發(fā)展成為一種主要的供電方式。
最近日本提出2010年普及燃料電池的應(yīng)用，并向發(fā)達歐美國家建議制定安全基準和通用規(guī)格。隨著其生產(chǎn)成本的降低，燃料電池也將在我國獲得快速的發(fā)展，它將對傳統(tǒng)的熱機發(fā)電構(gòu)成有利的挑戰(zhàn)。展望其對電力系統(tǒng)的影響如下：
8.1調(diào)峰能力增加
應(yīng)用氫氣做燃料PEMFC已經(jīng)商業(yè)化，在國外容量為3kW、5kW、7kW等熱電聯(lián)用的燃料電池正在源源不斷地進入家庭，數(shù)百kW的燃料電池正在源源不斷地進入旅館、飯店商廈等場所。這些電力裝置同小型光伏發(fā)電裝置一樣可以獨立發(fā)電，也可與電力網(wǎng)相連。為了獲得氫燃料，目前在非純氫燃料電池前均加了燃料改質(zhì)器。據(jù)專家介紹，碳納米管儲氫技術(shù)已獲得突破，隨著其商業(yè)化的發(fā)展，實行家庭發(fā)電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便，購一罐氫氣可以發(fā)電數(shù)月（3kg氫氣能量可以使一般轎車行駛500km）。在有煤氣或天然氣管道的地方，打開氣閥就可以發(fā)電和供熱水。
可以使用天然氣、煤氣為燃料的MCFC、SOFC發(fā)電能力為數(shù)千kW發(fā)電裝置將座落于較大的公用場所，用管道向燃料電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能，使城市的發(fā)電不再污染環(huán)境。成千上萬的燃料電池發(fā)電裝置服役，必將使得電網(wǎng)的調(diào)峰能力大大增強，常規(guī)的火電廠，由于存在有較大污染，因此讓其遠離城區(qū)帶基本負荷。在缺乏調(diào)峰手段和缺乏調(diào)峰電量的東北電網(wǎng)加大燃料電池的入網(wǎng)量，必將大大地提高未來電網(wǎng)的調(diào)峰能力。
8.2節(jié)約配電網(wǎng)的建設(shè)費用
我國有許多偏遠的山村和海島，遠離電網(wǎng)或處在電網(wǎng)的末端，用電量不大。從商業(yè)角度考慮，架設(shè)高電壓等級的線路是不合算的，但不架設(shè)又難以實現(xiàn)村村通電的目標。有了燃料電池，用當?shù)厣镔|(zhì)氣體為燃料，再配合當?shù)氐娘L(fēng)能、太陽能等，就可以滿足當?shù)氐拈L期的電能需求。這樣可以使投資更加合理，又提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。
8.3提高電網(wǎng)的安全性
目前電網(wǎng)均采用高壓長距離輸電的方式使偏僻山區(qū)的水電和坑口、路口以及海口處的火電輸送到負荷中心地帶。中外近年多次電網(wǎng)事故證明，在地震、水災(zāi)、暴風(fēng)、冰雪、雷電等自然災(zāi)害面前，這種系統(tǒng)往往是十分脆弱的。而星羅棋布的燃料電池加入到電網(wǎng)中供電，將會大大提高電網(wǎng)的安全性。在某個遠距離的基本負荷電源跳閘時，燃料電池可以對電網(wǎng)起到一定的支承作用，保證重要用戶的電能需求。隨著MCFC、SOFC技術(shù)的突破、天然氣管線的鋪通和大型煤氣化技術(shù)的解決，屆時人們會看到，對于大規(guī)模的應(yīng)用化石能源的電力系統(tǒng)來說，變長距離輸電為長距離輸氣，應(yīng)用大中小相結(jié)合的各種燃料電池靠近負荷供電供熱會更經(jīng)濟、更安全。
8.4電網(wǎng)管理
燃料電池發(fā)電將增加管理的復(fù)雜性。一是燃料電池發(fā)的均是直流電，需變頻后入網(wǎng)，如此將需要對諧波進行控制；二是價格管理，每一個小的系統(tǒng)與電網(wǎng)均有電量交換，需要進行合理的價格管理，這與其他新能源入網(wǎng)問題一樣（如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能發(fā)電），入網(wǎng)電量小，管理量不小。
9．結(jié)束語
人類自從19世紀以來，經(jīng)歷了三次能源結(jié)構(gòu)革命。第一次能源革命發(fā)生在19世紀第一次產(chǎn)業(yè)革命以后，由于蒸汽機的大量應(yīng)用，傳統(tǒng)的能源--柴薪已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，于是各國的能源需求開始轉(zhuǎn)向以煤炭為主；第二次能源革命是在20世紀初開始的，當時不斷發(fā)展的電力、鋼鐵工業(yè)帶動了內(nèi)燃機技術(shù)的推廣，此時石油逐漸取代了煤炭的地位；第三次能源革命在20世紀70年代初開始的石油危機，它推動了新能源的發(fā)展和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。專家認為能源革命時間正在縮短，新的能源結(jié)構(gòu)革命正在悄悄地來臨，其動力來自于目前的能源利用方式與環(huán)境的矛盾日益尖銳、傳統(tǒng)的能源利用方式與能源資源量的矛盾日益尖銳。新的能源資源在當前已占有相當?shù)姆蓊~（世界范圍內(nèi)石油占總能源消費的36%，天然氣已占到23%），高效、潔凈、便捷的能源利用方式--燃料電池開始進入商業(yè)化階段。
我國的煤炭資源比較豐富，目前在我們的能源結(jié)構(gòu)中約占72%。為了解決現(xiàn)代化巨大的電能需求與環(huán)境的尖銳矛盾，我國一方面加快了潔凈化用煤的技術(shù)(煤的整體氣化)發(fā)展，一方面在迅速地增大天然氣應(yīng)用在能源中的比例。氣體能源的發(fā)展為燃料電池在我國廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了極好的條件。建議如下：
遼寧地區(qū)能源資源單一，從長遠看只能靠煤電解決本地區(qū)的電能需求。但是傳統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換方式與本地的環(huán)境矛盾日益尖銳，發(fā)展使用氣體能源燃料電池發(fā)電可以很好地解決本地電能需求且不污染環(huán)境，也有利于解決本地十分棘手的電網(wǎng)調(diào)峰問題。燃料電池發(fā)電不僅是可能的而且是可行的，可以做成小型的電池堆或用其建成大型的電站。應(yīng)從現(xiàn)在起加強燃料電池發(fā)電的研究工作，立足于用高技術(shù)改造東北電網(wǎng)。
鑒于我國對電站用燃料電池的研究還比較落后，我們應(yīng)走風(fēng)力發(fā)電的路線，采用高起點起步，整機引進國外的燃料電池發(fā)電設(shè)備，可以先引進規(guī)模較小的電池堆。這樣可以使我們更快地掌握高技術(shù)，有利于燃料電池發(fā)電在我省更快的發(fā)展。
大連化學(xué)物理研究所走在了我國在燃料電池研究的前面，而且對燃料電池的種類研究的也比較全面，遼寧省有很好的燃料電池研究生產(chǎn)條件，我國有大量的燃料電池所用的稀土資源。應(yīng)很好地利用這一資源，在開發(fā)燃料電池應(yīng)用市場的同時，參與燃料電池的生產(chǎn)，如同內(nèi)蒙古和新疆風(fēng)電產(chǎn)業(yè)一樣，既是產(chǎn)品的使用者也是生產(chǎn)者，搶占燃料電池這一高技術(shù)的制高點。
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