燃料電池
發達國家把發展大型燃料電池作為重點研究項目，企業也投入巨資進行燃料電池技術的研發。現在，已經取得了許多重要成果，將使燃料電池廣泛應用於發電和汽車，取代傳統的發電機和內燃機。值得註意的是，這種重要的新型發電方式可以大大減少大氣汙染，解決電網供電和調峰問題。2MW、4.5MW、110MW成套燃料電池發電設備已進入商業化生產，壹些發達國家已建成各種檔次的燃料電池電站。燃料電池的發展和創新會像壹百年前內燃機取代人力的技術突破引發的工業革命，計算機的發明和普及取代人力的計算、繪圖和文檔處理的計算機革命，網絡通訊的發展改變人們生活習慣的信息革命。燃料電池高效、無汙染、建設周期短、易維護、低成本的潛力，將在21世紀引爆新能源與環保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發電正以趕超之勢迅速進入工業規模應用階段，並將在21世紀成為繼火電、水電、核電之後的第四代發電方式。燃料電池技術在國外的迅速發展必須引起我們的註意，現在它已經成為能源和電力工業不得不正視的課題。磷酸燃料電池(PAFC)燃料電池
受1973世界石油危機和美國PAFC研發的影響，日本決定開發各種類型的燃料電池。PAFC作為壹項大型節能發電技術，是由NEDO開發的。自1981年以來，開展了1000kW現場PAFC發電裝置的研發工作。1986年進行了200kW野戰發電裝置的研制，適用於偏遠地區的PAFC發電裝置或商用。富士電機公司是日本PAFC電池組的最大供應商。截至1992年底，公司已向國內外提供17套PAFC演示裝置。1997年3月，富士電機完成了分布式5MW設備的運行研究。作為現場設備，已有50kW、100kW、500kW等88種設備投入使用。下表顯示了富士電機公司交付的發電設備的運行情況。到1998，部分已經超過40000小時的目標壽命。從70年代後半期開始，東芝公司以開發分布式燃料電池為中心，以110MW機和200kW機系列化了分布式電源。110MW發電機是世界上最大的燃料電池發電設備。從1989建於東京電力公司五井火力發電站。3月初發電成功後，經過5年多的現場測試，直至6月1965438，累計運行時間超過20000小時。在小型野戰燃料電池領域，1990年，東芝與美國IFC公司成立ONSI公司，將野戰燃料電池商業化，隨後開始向全球銷售野戰型200kW設備“PC25”系列。PC25系列燃料電池從1991年底運行到1998年4月，* * *向全球銷售174臺。其中，安裝在美國某公司的1號機和安裝在日本大阪市美天中心的大阪燃氣公司2號機先後超過4萬小時。在燃料電池的壽命和可靠性方面，40000h的累計運行時間是燃料電池的長期目標。東芝ONSI已經完成了官方商用機器PC25C的開發，並已經投放市場。PC25C作為21世紀新能源先鋒，榮獲日本國際貿易工業獎。從燃料電池商業化開始，該設備被評價為先進、可靠、優越的環保設備。其制造成本為3000美元/千瓦，近期即將推出的商用PC25D設備成本將降至1.500美元/千瓦，體積比PC25C減少1/4，質量僅為14t。明年2001國內將迎來第壹座PC25C燃料電池電站，主要由日本MITI(NEDO)出資，將是國內第壹座燃料電池電站。PAFC作為壹種中低溫燃料電池(工作溫度180-210℃)，不僅具有發電效率高、清潔、無噪音的特點，還能以熱水的形式回收大部分熱量。下表給出了先進的ONSI PC25C 200kWPAFC的主要技術指標。PAFC最初是為了控制發電廠的峰谷電力平衡而開發的，但最近它壹直專註於作為壹個集中的電力系統，為公寓，購物中心，醫院，酒店和其他地方提供電力和熱量。PAFC用於電廠有兩種情況:容量為10-20MW的分散式電廠，安裝在配電站內；中央電廠，容量大於100MW，可作為中型火力發電廠。與普通電廠相比，PAFC電廠具有以下優勢:即使在發電負荷相對較低時，仍保持較高的發電效率；由於采用模塊化結構，現場安裝簡單省時，電廠擴容容易。質子交換膜燃料電池(PEMFC)著名的加拿大Ballard公司是PEMFC技術的全球領導者。現在它的應用領域從車輛到固定電站，其子公司BallardGenerationSystem被認為是零排放PEMFC的開發、生產和市場化的世界領導者。BallardGenerationSystem最初的產品是壹個250kW的燃料電池電站，其基本組件是Ballard燃料電池，利用氫氣(從甲醇、天然氣或石油中獲得)和氧氣(從空氣中獲得)進行發電，無需燃燒。Ballard正在與世界上許多著名公司合作，將BallardFuelCell商業化。BallardFuelCell已用於固定發電廠:BallardGenerationSystem是由BallardGenerationSystem、GPUInternationalInc、AlstomSA和EBARA Company * * *建立的，旨在開發千瓦級以下的燃料電池發電廠。經過五年的發展，首臺250kW電廠於1997年8月發電成功，並於1999年9月送至印度國家能源公司。經過仔細的測試和評估，提高了設計性能，降低了成本，這導致了第二個電廠的誕生，它安裝在柏林，輸出功率為250kW，也是歐洲的第壹次測試。不久，Ballard的第三個250千瓦發電廠於2000年9月安裝在瑞士進行現場測試，然後，2000年6月，通過其合作夥伴EBARABallard，第四個燃料電池發電廠安裝在日本的NTT公司，打開了亞洲市場。在不同領域進行測試將極大地促進燃料電池電站的商業化。第壹個早期的商業電廠將於2006年5月38日結束。下圖是安裝在美國Cinergy的Ballard燃料電池裝置，目前正在測試中。圖為柏林安裝的250kW PEMFC燃料電池電站:在美國，PlugPower是最大的質子交換膜燃料電池開發公司，他們的目標是開發制造適用於居民和汽車的經濟型燃料電池系統。1997年，PlugPower模塊首次成功將汽油轉化為電能。最近，PlugPower公司開發了其專利產品PlugPower7000，這是壹種用於住宅的分布式供電系統。2001年初推出商業產品。家用燃料電池的引入將使核電站和燃氣電廠面臨挑戰。為了推廣這款產品，1999年2月，PlugPower公司和GEMicroGen成立了合資公司，產品更名為GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司負責全球推廣。該產品將提供7kW的持續功率。GE/Plug公司聲稱其2001年初的價格為1500美元/kW。他們預測，五年後，量產燃料電池的價格將降至500美元/千瓦。假設有200，000個家庭，每個家庭都配備了7kW家用燃料電池發電設備，其總和將接近核電機組的容量。這種分散式發電系統可用於高峰供電，並且由於分散式系統設計，增加了電力的穩定性。即使其中幾個出現故障，整個發電系統仍然可以正常運行。在Ballard公司的推動下，許多汽車制造商參與了燃料電池汽車的開發，如克萊斯勒、福特、通用、本田、日產、大眾和沃爾沃。他們使用的許多燃料電池是由Ballard公司生產的。與此同時，他們也投入大量資金用於燃料電池的研發。克萊斯勒公司最近向巴拉德公司註資4.5億加元開發燃料電池汽車，極大地促進了PEMFC的發展。1997年，豐田制造了壹輛裝有甲醇重整器的RAV4跑車，由壹個25kW的燃料電池和輔助幹電池提供全部50kW的能量，最高時速125km/h，行程500km。目前，這些大的汽車公司都有燃料電池的發展計劃。雖然燃料電池汽車商業化的時機尚未成熟，但幾家公司已經確定了量產的時間表。戴姆勒-奔馳公司宣布，到2004年，它將每年生產40，000輛燃料電池汽車。因此，未來十年，極有可能達到10萬輛燃料電池汽車。PEMFC是壹種很有前景的新型燃料電池。質子交換膜燃料電池從上世紀80年代初到現在，經過近20年的發展，發生了翻天覆地的變化。從其膜電極的演變過程可以看出這種變化。膜電極是PEMFC的電化學心臟，正是因為它的變化，PEMFC今天才顯示出旺盛的生命力。早期的膜電極是將鉑黑與具有防水和粘合功能的Tefion顆粒直接混合，然後熱壓在質子交換膜上制成的。Pt負載量高達10mg/cm2。後來為了提高Pt的利用率，使用了Pt/C催化劑，但是Pt的利用率還是很低。直到20世紀80年代中期，PEMFC膜電極的Pt負載量仍高達4mg/cm2。20世紀80年代中後期，美國LosAlamos國家實驗室(LANL)提出了壹種新方法，將Pt/C多孔氣體擴散電極用Nafion質子交換聚合物溶液浸漬，然後熱壓在質子交換膜上形成膜電極。該方法大大提高了鉑的利用率，並將膜電極的鉑負載量降低到0.4mg/cm2。在1992中，LANL對該方法進行了改進，膜電極的Pt負載量進壹步降低到0.13mg/cm2。1995年，印度電化學能源研究中心(CEER)采用噴霧浸漬法制備了Pt負載量為0.1mg/cm2的膜電極，性能良好。據報道，在LANL測試的壹些單體電池中，膜電極上的鉑負載量已降至0.05mg/cm2。膜電極上鉑負載量的減少可以直接降低燃料電池的成本，為其商業化創造了條件。熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)20世紀50年代初，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)因其作為大型民用發電裝置的前景而引起了全世界的關註。之後MCFC發展很快，在電池材料、工藝、結構上都有了很大的提升，但是電池的工作壽命並不理想。80年代已被視為第二代燃料電池，成為近期實現兆瓦級商用燃料電池電站的主要研究對象，發展速度日益加快。目前，MCFC的主要開發商集中在美國、日本和西歐。預計將於2002年商業化。美國能源部(DOE)去年撥款4420萬美元用於固定燃料電池發電廠的研究，其中2/3將用於MCFC的開發，1/3用於SOFC的開發。美國MCFC技術的開發壹直以來主要由兩大公司承擔，ERC(EnergyResearchCorporation)(現為FuelCellEnergyInc)和M-CPower公司。他們用不同的方式建造MCFC反應堆。兩家公司都已進入現場演示階段:ERC1996已對加利福尼亞州聖克拉拉的壹座2MW MCFC發電站進行了實證測試，目前正在尋找測試3MW設備的場地。ERC的MCFC燃料電池在電池內沒有燃料氣體的情況下進行重整，沒有單獨的重整器。根據測試結果，ERC對電池進行了重新設計，將電池改為250kW的單體電池堆，而不是原來的125kW的電池堆，這樣3MW的MCFC就可以安裝在0.1英畝的場地上，降低了投資成本。預計ERC將提供3MW設備，設備成本為$1200/kW。這接近於小型燃氣渦輪發電機的設備成本$65，438+0，000/kW。而小型燃氣發電效率只有30%，存在廢氣排放和噪音問題。與此同時，美國M-CPower公司已經在加州聖地亞哥的海軍航空站測試了250kW的設備，現在計劃在同壹地點測試和改進75kW的設備。M-CPower公司正在開發500kW模塊，並計劃於2002年開始生產。日本對MCFC的研究始於1981年的“月光計劃”，1991年後轉向聚焦。燃料電池每年支出12-15億美元，政府在1990中追加2億美元。電池堆的功率在1984是1kW，在1986是10kW。日本既研究內變又研究外變技術，30kW間接內變MCFC於1991年投入試運行。1992 50-100kW試運行。1994年，兩臺100kW、電極面積1m2的MCFC分別由日立和石川島完成，帶壓改造。此外，中央電力公司生產的1MW外重整MCFC正在川越熱電廠安裝。據預測，當使用天然氣作為燃料時，熱電效率將大於45%，使用壽命將大於5000小時..三菱電機與美國ERC公司合作開發的內重整30kWMCFC已運行10000小時..三洋還開發了30kW內部重整MCFC。目前，石川島播磨重工擁有世界上最大的MCFC燃料電池堆，其試驗壽命達到了13000h·h..為了推動MCFC的研發，日本在1987成立了MCFC研究協會，負責燃料電池堆運行、電廠外圍設備和系統技術的研究，現在又加入了14機組，成為日本的研發主力。歐洲早在1989年就制定了1焦耳計劃，目標是建立環境汙染少、分散安裝、200MW功率的“第二代”電廠，包括MCFC、SOFC、PEMFC三種類型，將任務分配到各個國家。對MCFC的研究主要在荷蘭、意大利、德國、丹麥和西班牙進行。荷蘭對MCFC的研究從1986開始，1kW級電池堆是1989年研制的；10kW級外轉換型和1kW級內轉換型電池堆在1992測試，煤氣化和煤氣化在1995測試。意大利在1986年開始實施MCFC國家研究計劃，在1992+0994年開發了50-100kW電池堆。意大利安索多公司與國際金融公司就MCFC技術簽署協議，已安裝壹套單體電池自動化生產設備(面積1m2)，具備年生產能力。德國MBB公司在1992年完成了10kW外轉換技術的研發。在ERC的協助下，在1992 -1994進行了100kW和250kW電池組的制造和運行試驗。現在，MBB擁有世界上最大的280千瓦電池組。資料顯示，MCFC與其他燃料電池相比具有獨特的優勢:a .發電效率高於PAFC；b、不需要昂貴的鉑作為催化劑，制造成本低；壹氧化碳可以用作燃料；d .由於MCFC的工作溫度為600-1000℃，排出的氣體可用於供熱或與汽輪機聯合發電。如果熱電聯產，效率可以提高到80%；e .比較幾種發電方式，負荷指數大於45%時，MCFC發電系統成本最低。與PAFC相比，雖然MCFC的初期投資較高，但PAFC的燃料成本遠高於MCFC。當發電系統是中小型分散時，MCFC的經濟性更為突出；MCFC的結構比PAFC的簡單。固體氧化物燃料電池(SOFC)的SOFC由陶瓷如氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)供能的電解質和多孔材料供能的燃料和空氣電極組成。空氣中的氧在空氣電極/電解質界面被氧化，在空氣和燃料的氧差的作用下在電解質中移動到燃料電極側，並在燃料電極電解質界面與氫或壹氧化碳反應生成水蒸氣或二氧化碳並釋放電子。電子通過外電路，再次回到空氣電極，這時就產生了電。SOFC的特點是:由於在高溫(600-1000℃)下運行，通過設置底循環，可獲得60%以上效率的高效發電。因為氧離子在電解質中運動，所以CO和煤氣化氣體也可以用作燃料。因為電池本體的材料都是固體，所以沒有電解液的蒸發和流動。此外，燃料電極和空氣電極不會被腐蝕。l操作溫度高，可進行甲烷等內改性。與其他燃料電池相比，發電系統簡單，可以期待從小容量的設備向大型設備發展，用途廣泛。在固定電站領域，SOFC比PEMFC有明顯的優勢。SOFC很少需要處理燃料，內部重整、內部熱集成和內部歧管使系統設計更簡單，SOFC、燃氣輪機等設備也容易進行高效熱電聯產。下圖是世界上第壹個由西門子西屋公司開發的SOFC和燃氣輪機混合電站。2000年5月安裝在加州大學，功率220kW，發電效率58%。未來SOFC/燃氣輪機發電效率將達到60-70%。SOFC被稱為第三代燃料電池，正在積極研發中，是新興的新型發電方式之壹。美國是世界上最早研究SOFC的國家，美國西屋電氣公司在其中發揮了特別重要的作用，成為SOFC研究最權威的機構。早在1962年，西屋電氣公司就在SOFC試驗裝置中使用甲烷作為燃料獲得電流，並指出碳氫燃料在SOFC必須完成催化轉化和電化學反應兩個基本過程，為SOFC的發展奠定了基礎。隨後的10年，公司與OCR合作，連接了400個小型圓柱形ZrO _ 2-Cao電解質，試制了100W電池，但這種形式不適用於大型發電裝置。20世紀80年代以後，為了開辟新能源，緩解石油資源短缺帶來的能源危機，SOFC研究蓬勃發展。美國西屋電氣公司將電化學氣相沈積技術應用於SOFC電解液和電極薄膜的制備過程中，將電解液層的厚度降低到微米級，顯著提高了電池的性能，從而在SOFC的研究中翻開了新的壹頁。在20世紀80年代中後期，它開始研究高功率SOFC電池組。1986，400W管式SOFC電池組在田納西州成功運行。1987年，東京和大阪煤氣公司分別安裝了3kW貫流式SOFC發電機組，並成功進行了5000h的連續運行試驗，標誌著SOFC研究從實驗研究走向商業。20世紀90年代，DOE組織繼續向西屋電氣公司投資6400多萬美元，旨在開發高轉換率和2MW SOFC發電機組。1992年，兩臺25kW管式SOFC在日本大阪和美國南加州運行了數千小時。從1995開始，西屋電氣公司采用空氣電極作為支撐管，取代了原來的CaO穩定的ZrO2支撐管，簡化了SOFC的結構，使電池的功率密度提高了近3倍。公司為荷蘭Utilies公司建設了100kW管式SOFC系統，總能源利用率75%，已正式投入使用。目前SiemensWestinghouse已經宣布，將很快在挪威多倫多和加拿大多倫多附近建設兩座250kWSOFC示範電廠。下圖是西屋公司在荷蘭安裝的SOFC示範電廠。可提供110kW的電力和64kW的熱量，發電效率46%，運行時間14000h·h..評價燃料電池編輯的這段話
燃料電池工作時必須使用流動性好的氣體燃料。氫氣用於低溫燃料電池，天然氣和煤氣可直接用於高溫燃料電池。這種燃料的前景如何？中國的天然氣儲量非常豐富，已探明的陸地儲量為1.9萬億m3。專家認為，中國已探明的天然氣儲量為30萬億立方米。中國還將利用周邊國家豐富的天然氣資源。俄羅斯西西伯利亞已探明的天然氣儲量為38.6萬億立方米，每年可向中國供氣200-300億立方米。俄羅斯東西伯利亞已探明天然氣儲量313萬億m3，每年可向中國供氣100 ~ 200億m3。俄羅斯遠東和庫頁島已探明的天然氣儲量為1萬億m3，每年可向中國東北地區供氣1億m3以上。中亞哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦已探明天然氣儲量6.77萬億立方米，可對外供氣300億立方米。中國計劃在2010前鋪設9000公裏天然氣管道，預計將形成“兩縱兩橫四樞紐五氣庫”的格局，形成可靠的供氣體系。其中兩條為南北輸氣幹線，分別是庫頁島-大慶-沈陽幹線和伊爾庫茨克-北京-日照-上海輸氣幹線。目前我國產能約300億m3/a，2010年700億m3，2020年1000 ~ 11000億m3。天然氣的主要成分是CH4(約占90%)，熱值高(每立方米天然氣8600 ~ 9500大卡)，易於運輸。3000公裏以內用管道運輸是經濟的。在過去的半個世紀裏，世界上大多數國家都盡早完成了從煤炭時代到石油時代的轉變，正在向油氣時代過渡。例如，1950年，煤炭在世界能源結構中的比重為57.5%，而1996年則下降到26.9%，天然氣占23.5%，石油占39%，兩者均占63%。根據目前能源部門的消費預測，石油只能再用20年，而天然氣可以用100年。因此，21世紀被稱為“天然氣世紀”。中國的能源工業也將緊跟世界能源消費趨勢。此外，由於環保的需要和IGCC技術的推廣，大型煤氣化裝置的技術已經通過了標準。據煤炭領域的專家介紹，目前的技術完全可以將煤炭轉化為氫氣，轉化效率可以達到80%。提供燃料電池作為燃料的效率比傳統的火力發電廠高得多。
編輯這壹段的經濟
燃料電池是壹種正在逐步完善的能源利用方式。它的投資在不斷減少。目前中國PEMFC國外商用價格為65438美元+0500/kW，PAFC價格為3000美元/kW。中國富源公司宣布PEMFC接受訂單的價格為10000元/kW。其他燃料電池在國內暫時沒有商業化產品。與常規火電投資相比，燃料電池發電不僅要考慮電力投資，還要考慮長距離輸配電投資、廠用電、輸電能耗以及兩種能量轉換裝置的效率。這樣，大型火電廠的綜合投資約為每千瓦1.3~1.5萬元。發電消耗的燃料是燃料電池的兩倍多。根據目前中國天然氣最低市場價格(產地市場價格為1元/m3)，當發電時間超過70000h時，燃料電池發電將比傳統熱機更經濟。在實際發電工程中，傳統熱機發電還要考慮面積大、環境汙染重的問題。隨著燃料電池發電技術的不斷提高，成本會不斷降低，尤其是規模化生產後。有理由相信，這種發電方式將在不久的將來對傳統熱機發電構成挑戰。
編輯此段落outlook
中國稀土資源豐富，發展MCFC和SOFC技術有非常有利的條件。MCFC和SOFC以天然氣和凈化氣為燃料的發電效率高達55% ~ 65%，還能為聯合循環發電提供優質余熱，是優良的區域電源站。熱電聯產時，燃料利用率高達80%。專家認為，它與各種大型中央電站的關系，相當類似於個人計算機與大型中央計算機的關系，兩者相輔相成。在21世紀，這種區域性、環保、高效的發電技術可能會發展成為壹種主要的供電方式。最近日本提出在2010普及燃料電池的應用，並向歐美發達國家建議制定安全標準和通用規範。隨著其生產成本的降低，燃料電池也將在中國迅速發展，這將對傳統的熱機發電提出有利的挑戰。期待其對電力系統的影響如下:
調峰能力增加
以氫氣為燃料的PEMFC已經實現商業化，國外3kW、5kW、7kW熱電聯產的燃料電池正在進入家庭，數百kW的燃料電池正在進入酒店、餐廳、商場等場所。這些電力設備和小型光伏發電設備壹樣，既可以獨立發電，也可以接入電網。為了獲得氫燃料，目前在不純氫燃料電池前添加燃料重整器。據專家介紹，碳納米管的儲氫技術取得了突破。隨著商業化的發展，實現家庭發電將像壹起使用煤氣爐和煤氣罐壹樣方便。買壹罐氫氣可以發電好幾個月(3kg的氫能可以讓壹般汽車行駛500km)。在有煤的情況下
節約配電網建設成本
我國有很多偏遠的山村、海島，遠離或處於電網末端，用電量並不大。從商業角度來說，架設高壓線不劃算，但不架設很難達到村村通電的目標。利用燃料電池，以當地的生物質氣為燃料，結合當地的風能和太陽能，可以滿足當地的長期用電需求。這樣可以使投資更加合理，提高電網的經濟效益。
提高電網的安全性
電網采用高壓遠距離輸電，將偏遠山區的水電和坑口、路口、海口的火電輸送到負荷中心。近年來國內外發生的多起電網事故證明，面對地震、洪水、暴雨、冰雪、雷電等自然災害，這壹系統往往非常脆弱。加入電網的分散燃料電池將大大提高電網的安全性。當遠距離基本負荷電源跳閘時，燃料電池可以在電網中起到壹定的支撐作用，保證重要用戶的用電需求。隨著MCFC和SOFC技術的突破、天然氣管道的鋪設和大型煤氣化技術的解決，人們將會看到，對於使用化石能源的大型電力系統，將長距離輸電改為長距離輸氣，並在負荷附近應用大、中、小型相結合的各種燃料電池供電和供熱，將更加經濟和安全。
電網管理
燃料電池發電會增加管理的復雜性。首先，燃料電池都是DC，需要轉換到網絡中，因此將需要控制諧波；二是價格管理。每個小系統都有與電網的電量交換，需要合理的價格管理。這和其他新能源(如太陽能、風能、生物質能發電)壹樣，電量小，管理量大。