燃料電池的發(fā)展和應(yīng)用

編輯本段國際發(fā)展?fàn)顩r燃料電池發(fā)達(dá)國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)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(jī)及內(nèi)燃機(jī)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(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級(jí)的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)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(yùn)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(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)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(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)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。 磷酸型燃料電池PAFC 燃料電池受1973年世界性石油危機(jī)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(jī)構(gòu)NEDO進(jìn)行開發(fā)。自1981年起，進(jìn)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(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用的PAFC發(fā)電裝置。 富士電機(jī)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(jī)在1997年3月完成了分散型5MW設(shè)備的運(yùn)行研究。作為現(xiàn)場用設(shè)備已有50kW、100kW及500kW總計(jì)88種設(shè)備投入使用。下表所示為富士電機(jī)公司已交貨的發(fā)電裝置運(yùn)行情況，到1998年止有的已超過了目標(biāo)壽命4萬小時(shí)。 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(jìn)行開發(fā)以后，將分散電源用11MW機(jī)以及200kW機(jī)形成了系列化。11MW機(jī)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(jìn)行了5年多現(xiàn)場試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過2萬小時(shí)，在額定運(yùn)行情況下實(shí)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(yùn)行，到1998年4月，共向世界銷售了174臺(tái)。其中安裝在美國某公司的一臺(tái)機(jī)和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號(hào)機(jī)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相繼突破了4萬小時(shí)。從燃料電池的壽命和可靠性方面來看，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間4萬h是燃料電池的長遠(yuǎn)目標(biāo)。東芝ONSI已完成了正式商用機(jī)PC25C型的開發(fā)，早已投放市場。PC25C型作為21世紀(jì)新能源先鋒獲得日本通商產(chǎn)業(yè)大獎(jiǎng)。從燃料電池商業(yè)化出發(fā)，該設(shè)備被評(píng)價(jià)為具有高先進(jìn)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(huì)降至$1500/kW，體積比PC25C型減少1/4，質(zhì)量僅為14t。明年即2001年，在中國就將迎來第一座PC25C型燃料電池電站，它主要由日本的MITINEDO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(diǎn)，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。下表給出先進(jìn)的ONSI公司PC25C型200kWPAFC的主要技術(shù)指標(biāo)。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)。 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(diǎn):即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時(shí)，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(shí)，并且電廠擴(kuò)容容易。 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(rèn)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(jí)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(píng)估，并提高了設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行的測試將大大促進(jìn)燃料電池電站的商業(yè)化。第一個(gè)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。 圖是安裝在柏林的250kW PEMFC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(biāo)是開發(fā)、制造適合于居民和汽車用經(jīng)濟(jì)型燃料電池系統(tǒng)。1997年，PlugPower模塊第一個(gè)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?xì)獍l(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(fù)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(jià)為$1500/kW。他們預(yù)計(jì)5年后，大量生產(chǎn)的燃料電池售價(jià)將降至$500/kW。假設(shè)有20萬戶家庭各安裝一個(gè)7kW的家用燃料電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個(gè)核電機(jī)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(jì)增加了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)依然能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 在Ballard公司的帶動(dòng)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?cè)S多正在使用的燃料電池都是由Ballard公司生產(chǎn)的，同時(shí)，它們也將大量的資金投入到燃料電池的研制當(dāng)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(jìn)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(gè)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(shí)速可以達(dá)到125km/h，行程可達(dá)500km。目前這些大的汽車公司均有燃料電池開發(fā)計(jì)劃，雖然現(xiàn)在燃料電池汽車商業(yè)化的時(shí)機(jī)還未成熟，但幾家公司已確定了開始批量生產(chǎn)的時(shí)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(dá)到100000輛燃料電池汽車。 PEMFC是一種新型、有遠(yuǎn)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?yàn)樗淖兓?，才使得PEMFC呈現(xiàn)了今天的蓬勃生機(jī)。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(dá)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(dá)4mg/cm2。80年代中后期，美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(duì)該法進(jìn)行了改進(jìn)，使膜電極的Pt載量進(jìn)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(bào)道，現(xiàn)在LANL試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備了條件。 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?？欤陔姵夭牧稀⒐に?、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進(jìn)，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(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)商品化燃料電池電站的主要研究目標(biāo)，研制速度日益加快?，F(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(jì)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(fèi)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(dān)，ERCEnergyResearchCorporation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(jìn)行了一套設(shè)于加州圣克拉拉的2MW的MCFC電站的實(shí)證試驗(yàn)，目前正在尋找3MW裝置試驗(yàn)的地點(diǎn)。ERC的MCFC燃料電池在電池內(nèi)部進(jìn)行無燃?xì)獾母馁|(zhì)，而不需要單獨(dú)設(shè)置的改質(zhì)器。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，ERC對(duì)電池進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，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(fèi)用。ERC預(yù)計(jì)將以$1200/kW的設(shè)備費(fèi)用提供3MW的裝置。這與小型燃?xì)鉁u輪發(fā)電裝置設(shè)備費(fèi)用$1000/kW接近。但小型燃?xì)獍l(fā)電效率僅為30%，并且有廢氣排放和噪聲問題。與此同時(shí)，美國M-CPower公司已在加州圣迭戈的海軍航空站進(jìn)行了250kW裝置的試驗(yàn)，現(xiàn)在計(jì)劃在同一地點(diǎn)試驗(yàn)改進(jìn)75kW裝置。M-CPower公司正在研制500kW模塊，計(jì)劃2002年開始生產(chǎn)。 日本對(duì)MCFC的研究，自1981年"月光計(jì)劃"時(shí)開始，1991年后轉(zhuǎn)為重點(diǎn)，每年在燃料電池上的費(fèi)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(shí)研究內(nèi)部轉(zhuǎn)化和外部轉(zhuǎn)化技術(shù)，1991年，30kW級(jí)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化MCFC試運(yùn)轉(zhuǎn)。1992年50-100kW級(jí)試運(yùn)轉(zhuǎn)。1994年，分別由日立和石川島播磨重工完成兩個(gè)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(jì)以天然氣為燃料時(shí)，熱電效率大于45%，運(yùn)行壽命大于5000h。由三菱電機(jī)與美國ERC合作研制的內(nèi)重整30kWMCFC已運(yùn)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(yàn)壽命已達(dá)13000h。日本為了促進(jìn)MCFC的開發(fā)研究，于1987年成立了MCFC研究協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)燃料電池堆運(yùn)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(gè)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(gè)Joule計(jì)劃，目標(biāo)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(jìn)行MCFC研究的主要有荷蘭、意大利、德國、丹麥和西班牙。荷蘭對(duì)MCFC的研究從1986年已經(jīng)開始，1989年已研制了1kW級(jí)電池堆，1992年對(duì)10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化型與1kW級(jí)內(nèi)部轉(zhuǎn)化型電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，1995年對(duì)煤制氣與天然氣為燃料的2個(gè)250kW系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。意大利于1986年開始執(zhí)行MCFC國家研究計(jì)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(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，年生產(chǎn)能力為2-3MW，可擴(kuò)大到6-9MW。德國MBB公司于1992年完成10kW級(jí)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(jìn)行了100kW級(jí)與250kW級(jí)電池堆的制造與運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。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(dú)特優(yōu)點(diǎn): 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(jī)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(jì)性與幾種發(fā)電方式比較，當(dāng)負(fù)載指數(shù)大于45%時(shí)，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(fèi)遠(yuǎn)比MCFC高。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)為中小規(guī)模分散型時(shí)，MCFC的經(jīng)濟(jì)性更為突出； f．MCFC的結(jié)構(gòu)比PAFC簡單。 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(dòng)，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(shí)產(chǎn)生電能。 SOFC的特點(diǎn)如下: 由于是高溫動(dòng)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(dòng)，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(dòng)作溫度高，可以進(jìn)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(duì)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(jì)更為簡單，而且，SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)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(tái)SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率將達(dá)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(jī)構(gòu)。 早在1962年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料，在SOFC試驗(yàn)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(gè)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(jī)構(gòu)協(xié)作，連接400個(gè)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(jī)，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(jí)，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(yùn)行成功。 1987年，又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了3kW級(jí)列管式SOFC發(fā)電機(jī)組，成功地進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)長達(dá)5000h，標(biāo)志著SOFC研究從實(shí)驗(yàn)研究向商業(yè)發(fā)展。進(jìn)入90年代DOE機(jī)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(jí)的SOFC發(fā)電機(jī)組。1992年兩臺(tái)25kW管型SOFC分別在日本大阪、美國南加州進(jìn)行了幾千小時(shí)實(shí)驗(yàn)運(yùn)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(dá)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(dá)到46%，運(yùn)行14000h。 燃料電池 編輯本段評(píng)估燃料電池運(yùn)行時(shí)必須使用流動(dòng)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(chǔ)量是十分豐富的，現(xiàn)已探明陸地上儲(chǔ)量為1.9萬億m3，專家認(rèn)為我國已探明天然氣儲(chǔ)量為30萬億m3。中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(chǔ)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(chǔ)量3.13萬億m3，可向我國年供氣100~200億m3；俄遠(yuǎn)東地區(qū)、薩哈林島探明天然氣儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(yùn)輸，在3000公里的距離內(nèi)運(yùn)用管道輸送都是十經(jīng)濟(jì)的。 半個(gè)世紀(jì)以來，世界大多數(shù)國家時(shí)早以完成了由煤炭時(shí)代向石油時(shí)代的轉(zhuǎn)換，正在向石油、天然氣時(shí)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(fèi)量，石油只能再用20年，而天然氣則可用100年，為此稱21世紀(jì)是"天然氣世紀(jì)"。中國的能源工業(yè)也必將跟上世界能源消費(fèi)潮流。 另外由于環(huán)保的需要和IGCC技術(shù)的推動(dòng)，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(dá)80%，供給燃料電池作燃料，其效率要比常規(guī)熱動(dòng)力裝置效率高得多。編輯本段經(jīng)濟(jì)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的中國國外商業(yè)價(jià)格為$1500/kW，PAFC的價(jià)格為$3000/kW。中國國內(nèi)富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價(jià)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(jì)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，按目前在中國天然氣最低市價(jià)產(chǎn)地市價(jià)人民幣1元/m3計(jì)算，當(dāng)發(fā)電時(shí)間超過70000h以后，用燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電更經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際發(fā)電工程中還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)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(jià)將不斷的降低，特別是在規(guī)模化生產(chǎn)后，其造價(jià)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(huì)對(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。編輯本段展望中國稀土資源豐富，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(dá)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(shí)，燃料利用率高達(dá)80%以上。專家們認(rèn)為它與各種大型中心電站的關(guān)系，頗類似于個(gè)人電腦與大型中心計(jì)算機(jī)的關(guān)系，二者互為補(bǔ)充。二十一世紀(jì)，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(dá)歐美國家建議制定安全基準(zhǔn)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(duì)傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成有利的挑戰(zhàn)。展望其對(duì)電力系統(tǒng)的影響如下: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(jìn)入家庭，數(shù)百kW的燃料電池正在源源不斷地進(jìn)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(dú)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(chǔ)氫技術(shù)已獲得突破，隨著其商業(yè)化的發(fā)展，實(shí)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。在有煤節(jié)約配電網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用中國有許多偏遠(yuǎn)的山村和海島，遠(yuǎn)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(jí)的線路是不合算的，但不架設(shè)又難以實(shí)現(xiàn)村村通電的目標(biāo)。有了燃料電池，用當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)氣體為燃料，再配合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能、太陽能等，就可以滿足當(dāng)?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(jì)效益。提高電網(wǎng)的安全性電網(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?？谔幍幕痣娸斔偷截?fù)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(huì)大大提高電網(wǎng)的安全性。在某個(gè)遠(yuǎn)距離的基本負(fù)荷電源跳閘時(shí)，燃料電池可以對(duì)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(shí)人們會(huì)看到，對(duì)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(fù)荷供電供熱會(huì)更經(jīng)濟(jì)、更安全。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(duì)諧波進(jìn)行控制；二是價(jià)格管理，每一個(gè)小的系統(tǒng)與電網(wǎng)均有電量交換，需要進(jìn)行合理的價(jià)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。