燃料电池的发展与应用
燃料电池
发达国家把发展大型燃料电池作为重点研究项目，企业也投入巨资进行燃料电池技术的研发。现在，已经取得了许多重要成果，将使燃料电池广泛应用于发电和汽车，取代传统的发电机和内燃机。值得注意的是，这种重要的新型发电方式可以大大减少大气污染，解决电网供电和调峰问题。2MW、4.5MW、110MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，一些发达国家已建成各种档次的燃料电池电站。燃料电池的发展和创新会像一百年前内燃机取代人力的技术突破引发的工业革命，计算机的发明和普及取代人力的计算、绘图和文档处理的计算机革命，网络通讯的发展改变人们生活习惯的信息革命。燃料电池高效、无污染、建设周期短、易维护、低成本的潜力，将在21世纪引爆新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以赶超之势迅速进入工业规模应用阶段，并将在21世纪成为继火电、水电、核电之后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅速发展必须引起我们的注意，现在它已经成为能源和电力工业不得不正视的课题。磷酸燃料电池(PAFC)燃料电池
受1973世界石油危机和美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池。PAFC作为一项大型节能发电技术，是由NEDO开发的。自1981年以来，开展了1000kW现场PAFC发电装置的研发工作。1986年进行了200kW野战发电装置的研制，适用于偏远地区的PAFC发电装置或商用。富士电机公司是日本PAFC电池组的最大供应商。截至1992年底，公司已向国内外提供17套PAFC演示装置。1997年3月，富士电机完成了分布式5MW设备的运行研究。作为现场设备，已有50kW、100kW、500kW等88种设备投入使用。下表显示了富士电机公司交付的发电设备的运行情况。到1998，部分已经超过40000小时的目标寿命。从70年代后半期开始，东芝公司以开发分布式燃料电池为中心，以110MW机和200kW机系列化了分布式电源。110MW发电机是世界上最大的燃料电池发电设备。从1989建于东京电力公司五井火力发电站。3月初发电成功后，经过5年多的现场测试，直至6月1965438，累计运行时间超过20000小时。在小型野战燃料电池领域，1990年，东芝与美国IFC公司成立ONSI公司，将野战燃料电池商业化，随后开始向全球销售野战型200kW设备“PC25”系列。PC25系列燃料电池从1991年底运行到1998年4月，* * *向全球销售174台。其中，安装在美国某公司的1号机和安装在日本大阪市美天中心的大阪燃气公司2号机先后超过4万小时。在燃料电池的寿命和可靠性方面，40000h的累计运行时间是燃料电池的长期目标。东芝ONSI已经完成了官方商用机器PC25C的开发，并已经投放市场。PC25C作为21世纪新能源先锋，荣获日本国际贸易工业奖。从燃料电池商业化开始，该设备被评价为先进、可靠、优越的环保设备。其制造成本为3000美元/千瓦，近期即将推出的商用PC25D设备成本将降至1.500美元/千瓦，体积比PC25C减少1/4，质量仅为14t。明年2001国内将迎来第一座PC25C燃料电池电站，主要由日本MITI(NEDO)出资，将是国内第一座燃料电池电站。PAFC作为一种中低温燃料电池(工作温度180-210℃)，不仅具有发电效率高、清洁、无噪音的特点，还能以热水的形式回收大部分热量。下表给出了先进的ONSI PC25C 200kWPAFC的主要技术指标。PAFC最初是为了控制发电厂的峰谷电力平衡而开发的，但最近它一直专注于作为一个集中的电力系统，为公寓，购物中心，医院，酒店和其他地方提供电力和热量。PAFC用于电厂有两种情况:容量为10-20MW的分散式电厂，安装在配电站内；中央电厂，容量大于100MW，可作为中型火力发电厂。与普通电厂相比，PAFC电厂具有以下优势:即使在发电负荷相对较低时，仍保持较高的发电效率；由于采用模块化结构，现场安装简单省时，电厂扩容容易。质子交换膜燃料电池(PEMFC)著名的加拿大Ballard公司是PEMFC技术的全球领导者。现在它的应用领域从车辆到固定电站，其子公司BallardGenerationSystem被认为是零排放PEMFC的开发、生产和市场化的世界领导者。BallardGenerationSystem最初的产品是一个250kW的燃料电池电站，其基本组件是Ballard燃料电池，利用氢气(从甲醇、天然气或石油中获得)和氧气(从空气中获得)进行发电，无需燃烧。Ballard正在与世界上许多著名公司合作，将BallardFuelCell商业化。BallardFuelCell已用于固定发电厂:BallardGenerationSystem是由BallardGenerationSystem、GPUInternationalInc、AlstomSA和EBARA Company * * *建立的，旨在开发千瓦级以下的燃料电池发电厂。经过五年的发展，首台250kW电厂于1997年8月发电成功，并于1999年9月送至印度国家能源公司。经过仔细的测试和评估，提高了设计性能，降低了成本，这导致了第二个电厂的诞生，它安装在柏林，输出功率为250kW，也是欧洲的第一次测试。不久，Ballard的第三个250千瓦发电厂于2000年9月安装在瑞士进行现场测试，然后，2000年6月，通过其合作伙伴EBARABallard，第四个燃料电池发电厂安装在日本的NTT公司，打开了亚洲市场。在不同领域进行测试将极大地促进燃料电池电站的商业化。第一个早期的商业电厂将于2006年5月38日结束。下图是安装在美国Cinergy的Ballard燃料电池装置，目前正在测试中。图为柏林安装的250kW PEMFC燃料电池电站:在美国，PlugPower是最大的质子交换膜燃料电池开发公司，他们的目标是开发制造适用于居民和汽车的经济型燃料电池系统。1997年，PlugPower模块首次成功将汽油转化为电能。最近，PlugPower公司开发了其专利产品PlugPower7000，这是一种用于住宅的分布式供电系统。2001年初推出商业产品。家用燃料电池的引入将使核电站和燃气电厂面临挑战。为了推广这款产品，1999年2月，PlugPower公司和GEMicroGen成立了合资公司，产品更名为GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司负责全球推广。该产品将提供7kW的持续功率。GE/Plug公司声称其2001年初的价格为1500美元/kW。他们预测，五年后，量产燃料电池的价格将降至500美元/千瓦。假设有200，000个家庭，每个家庭都配备了7kW家用燃料电池发电设备，其总和将接近核电机组的容量。这种分散式发电系统可用于高峰供电，并且由于分散式系统设计，增加了电力的稳定性。即使其中几个出现故障，整个发电系统仍然可以正常运行。在Ballard公司的推动下，许多汽车制造商参与了燃料电池汽车的开发，如克莱斯勒、福特、通用、本田、日产、大众和沃尔沃。他们使用的许多燃料电池是由Ballard公司生产的。与此同时，他们也投入大量资金用于燃料电池的研发。克莱斯勒公司最近向巴拉德公司注资4.5亿加元开发燃料电池汽车，极大地促进了PEMFC的发展。1997年，丰田制造了一辆装有甲醇重整器的RAV4跑车，由一个25kW的燃料电池和辅助干电池提供全部50kW的能量，最高时速125km/h，行程500km。目前，这些大的汽车公司都有燃料电池的发展计划。虽然燃料电池汽车商业化的时机尚未成熟，但几家公司已经确定了量产的时间表。戴姆勒-奔驰公司宣布，到2004年，它将每年生产40，000辆燃料电池汽车。因此，未来十年，极有可能达到10万辆燃料电池汽车。PEMFC是一种很有前景的新型燃料电池。质子交换膜燃料电池从上世纪80年代初到现在，经过近20年的发展，发生了翻天覆地的变化。从其膜电极的演变过程可以看出这种变化。膜电极是PEMFC的电化学心脏，正是因为它的变化，PEMFC今天才显示出旺盛的生命力。早期的膜电极是将铂黑与具有防水和粘合功能的Tefion颗粒直接混合，然后热压在质子交换膜上制成的。Pt负载量高达10mg/cm2。后来为了提高Pt的利用率，使用了Pt/C催化剂，但是Pt的利用率还是很低。直到20世纪80年代中期，PEMFC膜电极的Pt负载量仍高达4mg/cm2。20世纪80年代中后期，美国LosAlamos国家实验室(LANL)提出了一种新方法，将Pt/C多孔气体扩散电极用Nafion质子交换聚合物溶液浸渍，然后热压在质子交换膜上形成膜电极。该方法大大提高了铂的利用率，并将膜电极的铂负载量降低到0.4mg/cm2。在1992中，LANL对该方法进行了改进，膜电极的Pt负载量进一步降低到0.13mg/cm2。1995年，印度电化学能源研究中心(CEER)采用喷雾浸渍法制备了Pt负载量为0.1mg/cm2的膜电极，性能良好。据报道，在LANL测试的一些单体电池中，膜电极上的铂负载量已降至0.05mg/cm2。膜电极上铂负载量的减少可以直接降低燃料电池的成本，为其商业化创造了条件。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)20世纪50年代初，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)因其作为大型民用发电装置的前景而引起了全世界的关注。之后MCFC发展很快，在电池材料、工艺、结构上都有了很大的提升，但是电池的工作寿命并不理想。80年代已被视为第二代燃料电池，成为近期实现兆瓦级商用燃料电池电站的主要研究对象，发展速度日益加快。目前，MCFC的主要开发商集中在美国、日本和西欧。预计将于2002年商业化。美国能源部(DOE)去年拨款4420万美元用于固定燃料电池发电厂的研究，其中2/3将用于MCFC的开发，1/3用于SOFC的开发。美国MCFC技术的开发一直以来主要由两大公司承担，ERC(EnergyResearchCorporation)(现为FuelCellEnergyInc)和M-CPower公司。他们用不同的方式建造MCFC反应堆。两家公司都已进入现场演示阶段:ERC1996已对加利福尼亚州圣克拉拉的一座2MW MCFC发电站进行了实证测试，目前正在寻找测试3MW设备的场地。ERC的MCFC燃料电池在电池内没有燃料气体的情况下进行重整，没有单独的重整器。根据测试结果，ERC对电池进行了重新设计，将电池改为250kW的单体电池堆，而不是原来的125kW的电池堆，这样3MW的MCFC就可以安装在0.1英亩的场地上，降低了投资成本。预计ERC将提供3MW设备，设备成本为$1200/kW。这接近于小型燃气涡轮发电机的设备成本$65，438+0，000/kW。而小型燃气发电效率只有30%，存在废气排放和噪音问题。与此同时，美国M-CPower公司已经在加州圣地亚哥的海军航空站测试了250kW的设备，现在计划在同一地点测试和改进75kW的设备。M-CPower公司正在开发500kW模块，并计划于2002年开始生产。日本对MCFC的研究始于1981年的“月光计划”，1991年后转向聚焦。燃料电池每年支出12-15亿美元，政府在1990中追加2亿美元。电池堆的功率在1984是1kW，在1986是10kW。日本既研究内变又研究外变技术，30kW间接内变MCFC于1991年投入试运行。1992 50-100kW试运行。1994年，两台100kW、电极面积1m2的MCFC分别由日立和石川岛完成，带压改造。此外，中央电力公司生产的1MW外重整MCFC正在川越热电厂安装。据预测，当使用天然气作为燃料时，热电效率将大于45%，使用寿命将大于5000小时..三菱电机与美国ERC公司合作开发的内重整30kWMCFC已运行10000小时..三洋还开发了30kW内部重整MCFC。目前，石川岛播磨重工拥有世界上最大的MCFC燃料电池堆，其试验寿命达到了13000h·h..为了推动MCFC的研发，日本在1987成立了MCFC研究协会，负责燃料电池堆运行、电厂外围设备和系统技术的研究，现在又加入了14机组，成为日本的研发主力。欧洲早在1989年就制定了1焦耳计划，目标是建立环境污染少、分散安装、200MW功率的“第二代”电厂，包括MCFC、SOFC、PEMFC三种类型，将任务分配到各个国家。对MCFC的研究主要在荷兰、意大利、德国、丹麦和西班牙进行。荷兰对MCFC的研究从1986开始，1kW级电池堆是1989年研制的；10kW级外转换型和1kW级内转换型电池堆在1992测试，煤气化和煤气化在1995测试。意大利在1986年开始实施MCFC国家研究计划，在1992+0994年开发了50-100kW电池堆。意大利安索多公司与国际金融公司就MCFC技术签署协议，已安装一套单体电池自动化生产设备(面积1m2)，具备年生产能力。德国MBB公司在1992年完成了10kW外转换技术的研发。在ERC的协助下，在1992 -1994进行了100kW和250kW电池组的制造和运行试验。现在，MBB拥有世界上最大的280千瓦电池组。资料显示，MCFC与其他燃料电池相比具有独特的优势:a .发电效率高于PAFC；b、不需要昂贵的铂作为催化剂，制造成本低；一氧化碳可以用作燃料；d .由于MCFC的工作温度为600-1000℃，排出的气体可用于供热或与汽轮机联合发电。如果热电联产，效率可以提高到80%；e .比较几种发电方式，负荷指数大于45%时，MCFC发电系统成本最低。与PAFC相比，虽然MCFC的初期投资较高，但PAFC的燃料成本远高于MCFC。当发电系统是中小型分散时，MCFC的经济性更为突出；MCFC的结构比PAFC的简单。固体氧化物燃料电池(SOFC)的SOFC由陶瓷如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)供能的电解质和多孔材料供能的燃料和空气电极组成。空气中的氧在空气电极/电解质界面被氧化，在空气和燃料的氧差的作用下在电解质中移动到燃料电极侧，并在燃料电极电解质界面与氢或一氧化碳反应生成水蒸气或二氧化碳并释放电子。电子通过外电路，再次回到空气电极，这时就产生了电。SOFC的特点是:由于在高温(600-1000℃)下运行，通过设置底循环，可获得60%以上效率的高效发电。因为氧离子在电解质中运动，所以CO和煤气化气体也可以用作燃料。因为电池本体的材料都是固体，所以没有电解液的蒸发和流动。此外，燃料电极和空气电极不会被腐蚀。l操作温度高，可进行甲烷等内改性。与其他燃料电池相比，发电系统简单，可以期待从小容量的设备向大型设备发展，用途广泛。在固定电站领域，SOFC比PEMFC有明显的优势。SOFC很少需要处理燃料，内部重整、内部热集成和内部歧管使系统设计更简单，SOFC、燃气轮机等设备也容易进行高效热电联产。下图是世界上第一个由西门子西屋公司开发的SOFC和燃气轮机混合电站。2000年5月安装在加州大学，功率220kW，发电效率58%。未来SOFC/燃气轮机发电效率将达到60-70%。SOFC被称为第三代燃料电池，正在积极研发中，是新兴的新型发电方式之一。美国是世界上最早研究SOFC的国家，美国西屋电气公司在其中发挥了特别重要的作用，成为SOFC研究最权威的机构。早在1962年，西屋电气公司就在SOFC试验装置中使用甲烷作为燃料获得电流，并指出碳氢燃料在SOFC必须完成催化转化和电化学反应两个基本过程，为SOFC的发展奠定了基础。随后的10年，公司与OCR合作，连接了400个小型圆柱形ZrO _ 2-Cao电解质，试制了100W电池，但这种形式不适用于大型发电装置。20世纪80年代以后，为了开辟新能源，缓解石油资源短缺带来的能源危机，SOFC研究蓬勃发展。美国西屋电气公司将电化学气相沉积技术应用于SOFC电解液和电极薄膜的制备过程中，将电解液层的厚度降低到微米级，显著提高了电池的性能，从而在SOFC的研究中翻开了新的一页。在20世纪80年代中后期，它开始研究高功率SOFC电池组。1986，400W管式SOFC电池组在田纳西州成功运行。1987年，东京和大阪煤气公司分别安装了3kW贯流式SOFC发电机组，并成功进行了5000h的连续运行试验，标志着SOFC研究从实验研究走向商业。20世纪90年代，DOE组织继续向西屋电气公司投资6400多万美元，旨在开发高转换率和2MW SOFC发电机组。1992年，两台25kW管式SOFC在日本大阪和美国南加州运行了数千小时。从1995开始，西屋电气公司采用空气电极作为支撑管，取代了原来的CaO稳定的ZrO2支撑管，简化了SOFC的结构，使电池的功率密度提高了近3倍。公司为荷兰Utilies公司建设了100kW管式SOFC系统，总能源利用率75%，已正式投入使用。目前SiemensWestinghouse已经宣布，将很快在挪威多伦多和加拿大多伦多附近建设两座250kWSOFC示范电厂。下图是西屋公司在荷兰安装的SOFC示范电厂。可提供110kW的电力和64kW的热量，发电效率46%，运行时间14000h·h..评价燃料电池编辑的这段话
燃料电池工作时必须使用流动性好的气体燃料。氢气用于低温燃料电池，天然气和煤气可直接用于高温燃料电池。这种燃料的前景如何？中国的天然气储量非常丰富，已探明的陆地储量为1.9万亿m3。专家认为，中国已探明的天然气储量为30万亿立方米。中国还将利用周边国家丰富的天然气资源。俄罗斯西西伯利亚已探明的天然气储量为38.6万亿立方米，每年可向中国供气200-300亿立方米。俄罗斯东西伯利亚已探明天然气储量313万亿m3，每年可向中国供气100 ~ 200亿m3。俄罗斯远东和库页岛已探明的天然气储量为1万亿m3，每年可向中国东北地区供气1亿m3以上。中亚哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦已探明天然气储量6.77万亿立方米，可对外供气300亿立方米。中国计划在2010前铺设9000公里天然气管道，预计将形成“两纵两横四枢纽五气库”的格局，形成可靠的供气体系。其中两条为南北输气干线，分别是库页岛-大庆-沈阳干线和伊尔库茨克-北京-日照-上海输气干线。目前我国产能约300亿m3/a，2010年700亿m3，2020年1000 ~ 11000亿m3。天然气的主要成分是CH4(约占90%)，热值高(每立方米天然气8600 ~ 9500大卡)，易于运输。3000公里以内用管道运输是经济的。在过去的半个世纪里，世界上大多数国家都尽早完成了从煤炭时代到石油时代的转变，正在向油气时代过渡。例如，1950年，煤炭在世界能源结构中的比重为57.5%，而1996年则下降到26.9%，天然气占23.5%，石油占39%，两者均占63%。根据目前能源部门的消费预测，石油只能再用20年，而天然气可以用100年。因此，21世纪被称为“天然气世纪”。中国的能源工业也将紧跟世界能源消费趋势。此外，由于环保的需要和IGCC技术的推广，大型煤气化装置的技术已经通过了标准。据煤炭领域的专家介绍，目前的技术完全可以将煤炭转化为氢气，转化效率可以达到80%。提供燃料电池作为燃料的效率比传统的火力发电厂高得多。
编辑这一段的经济
燃料电池是一种正在逐步完善的能源利用方式。它的投资在不断减少。目前中国PEMFC国外商用价格为65438美元+0500/kW，PAFC价格为3000美元/kW。中国富源公司宣布PEMFC接受订单的价格为10000元/kW。其他燃料电池在国内暂时没有商业化产品。与常规火电投资相比，燃料电池发电不仅要考虑电力投资，还要考虑长距离输配电投资、厂用电、输电能耗以及两种能量转换装置的效率。这样，大型火电厂的综合投资约为每千瓦1.3~1.5万元。发电消耗的燃料是燃料电池的两倍多。根据目前中国天然气最低市场价格(产地市场价格为1元/m3)，当发电时间超过70000h时，燃料电池发电将比传统热机更经济。在实际发电工程中，传统热机发电还要考虑面积大、环境污染重的问题。随着燃料电池发电技术的不断提高，成本会不断降低，尤其是规模化生产后。有理由相信，这种发电方式将在不久的将来对传统热机发电构成挑战。
编辑此段落outlook
中国稀土资源丰富，发展MCFC和SOFC技术有非常有利的条件。MCFC和SOFC以天然气和净化气为燃料的发电效率高达55% ~ 65%，还能为联合循环发电提供优质余热，是优良的区域电源站。热电联产时，燃料利用率高达80%。专家认为，它与各种大型中央电站的关系，相当类似于个人计算机与大型中央计算机的关系，两者相辅相成。在21世纪，这种区域性、环保、高效的发电技术可能会发展成为一种主要的供电方式。最近日本提出在2010普及燃料电池的应用，并向欧美发达国家建议制定安全标准和通用规范。随着其生产成本的降低，燃料电池也将在中国迅速发展，这将对传统的热机发电提出有利的挑战。期待其对电力系统的影响如下:
调峰能力增加
以氢气为燃料的PEMFC已经实现商业化，国外3kW、5kW、7kW热电联产的燃料电池正在进入家庭，数百kW的燃料电池正在进入酒店、餐厅、商场等场所。这些电力设备和小型光伏发电设备一样，既可以独立发电，也可以接入电网。为了获得氢燃料，目前在不纯氢燃料电池前添加燃料重整器。据专家介绍，碳纳米管的储氢技术取得了突破。随着商业化的发展，实现家庭发电将像一起使用煤气炉和煤气罐一样方便。买一罐氢气可以发电好几个月(3kg的氢能可以让一般汽车行驶500km)。在有煤的情况下
节约配电网建设成本
我国有很多偏远的山村、海岛，远离或处于电网末端，用电量并不大。从商业角度来说，架设高压线不划算，但不架设很难达到村村通电的目标。利用燃料电池，以当地的生物质气为燃料，结合当地的风能和太阳能，可以满足当地的长期用电需求。这样可以使投资更加合理，提高电网的经济效益。
提高电网的安全性
电网采用高压远距离输电，将偏远山区的水电和坑口、路口、海口的火电输送到负荷中心。近年来国内外发生的多起电网事故证明，面对地震、洪水、暴雨、冰雪、雷电等自然灾害，这一系统往往非常脆弱。加入电网的分散燃料电池将大大提高电网的安全性。当远距离基本负荷电源跳闸时，燃料电池可以在电网中起到一定的支撑作用，保证重要用户的用电需求。随着MCFC和SOFC技术的突破、天然气管道的铺设和大型煤气化技术的解决，人们将会看到，对于使用化石能源的大型电力系统，将长距离输电改为长距离输气，并在负荷附近应用大、中、小型相结合的各种燃料电池供电和供热，将更加经济和安全。
电网管理
燃料电池发电会增加管理的复杂性。首先，燃料电池都是DC，需要转换到网络中，因此将需要控制谐波；二是价格管理。每个小系统都有与电网的电量交换，需要合理的价格管理。这和其他新能源(如太阳能、风能、生物质能发电)一样，电量小，管理量大。