燃料電池發(fā)電分析論文

時間:2022-06-22 10:31:00

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燃料電池發(fā)電分析論文

【摘要】本文介紹了燃料電池發(fā)電技術(shù)的特點和應(yīng)用形式,論證了在我國電力系統(tǒng)發(fā)展燃料電池發(fā)電技術(shù)的必要性。概述了國外燃料電池的發(fā)展計劃和市場預(yù)測,總結(jié)了國外發(fā)展燃料電池的經(jīng)驗。通過技術(shù)比較,提出了在我國電力系統(tǒng)發(fā)展燃料電池發(fā)電的技術(shù)路線。

燃料電池發(fā)電是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的過程,其發(fā)電效率不受卡諾循環(huán)的限制,發(fā)電效率可達到50%一70%,被譽為二十一世紀重要的發(fā)電新技術(shù)之一。目前,國際上磷酸型燃料電池已進入商業(yè)化,其它幾種燃料電池預(yù)計在2005年一2010年200KW一將全面進入商業(yè)此。對于這種蓬勃發(fā)展的發(fā)電新技術(shù),國家電力公司應(yīng)該采取怎樣態(tài)度?要不要發(fā)展?怎樣發(fā)展?這些問題亟待解決。

l燃料電池發(fā)電的技術(shù)特點和應(yīng)用形式

1.1技術(shù)特點

燃料電池發(fā)電是在一定條件下使燃料(主要是H2)和氧化劑(空氣中的02)發(fā)電化學(xué)反應(yīng),將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能和熱能的過程。與常規(guī)電池的不同:只要有燃料和氧化劑供給,就會有持續(xù)不斷的電力輸出。與常規(guī)的火力發(fā)電不同,它不受卡諾循環(huán)的限制,能量轉(zhuǎn)換效率高。與常規(guī)發(fā)電相比燃料電池具有以下優(yōu)點:

(1)理論發(fā)電效率高,發(fā)展?jié)摿Υ蟆H剂想姵乇倔w的發(fā)電效率可達到50%一60%,組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在(10-50)MW規(guī)模即可達到70%以上的發(fā)電效率。

(2)污染物和溫室氣體排放量少。與傳統(tǒng)的火電機組相比,C02排出量可減少40%一60%。Nox(<2ppm)和SOx(<1ppm)排放量很少。

(3)小型高效,可提高供電可靠性。燃料電池的發(fā)電效率受負荷和容量的影響較小。

(4)低噪音。在距發(fā)電設(shè)備3英尺(1.044米)處噪音小于60dB(A)。

(5)電力質(zhì)量高。電流諧波和電壓諧波均滿足IEEE519標準。

(6)變負荷率高。變負荷率可達到(8%一lO%)/min,負荷變化的范圍大(20%一120%)。

(7)燃料電池可使用的燃料有氫氣、甲醇、煤氣、沼氣、天然氣、輕油、柴油等。

(8)模塊化結(jié)構(gòu),擴容和增容容易,建廠時間短。

(9)占地面積小,占地面積小于lm2/KW。

(10)自動化程度高,可實現(xiàn)無人操作。

總之,燃料電池是一種高效、潔凈的發(fā)電方式,既適合于作分布式電源,又可在將來組成大容量中心發(fā)電站,是2l世紀重要的發(fā)電方式。制約燃料電池走向大規(guī)模商業(yè)化的主要因素是:高價格和壽命問題。

2.1燃料電池的應(yīng)用形式

(1)現(xiàn)場熱電聯(lián)供,常用的容量為200KW一1MW。

(2)分布式電源,容量比現(xiàn)場用燃料電池大,約(2-20)MW。

(3)基本負荷的發(fā)電站(中心發(fā)電站),容量為(100-300MW)。

(4)燃料電池還可用于100W-100KW多種可移動電源、便攜式電源、航空電源、應(yīng)急電源和計算機電源等。

2為什么要在我國電力系統(tǒng)發(fā)展燃料電池發(fā)電技術(shù)?

2.1采用燃料電池發(fā)電是提高化石燃料發(fā)電效率的重要途徑之一

以高溫燃料電池組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),可使發(fā)電效率達到60%-75%(LHV),這一目標將在2005年左右實現(xiàn)。預(yù)計到2010年,發(fā)電效率可超過72%。煤氣化燃料電池聯(lián)合循環(huán)(IGFC)的發(fā)電效率可達到62%以上。以燃料電池組成的熱電聯(lián)產(chǎn)機組的總熱效率可達到85%以上。燃料電池本體的發(fā)電效率基本不隨容量的變化而變化,這使得燃料電池既可用作小容量分散電源,又可用于集中發(fā)電應(yīng)用范圍廣泛。

2.2燃料電池發(fā)電可有效地降低火力發(fā)電的污染物和溫室氣體排放量

燃料電池發(fā)電中幾乎沒有燃燒過程,NOx排放量很小,一般可達到(O.139一0.236)kg/MW·h以下,遠低于天然氣聯(lián)合循環(huán)的NOx排放量(1kg/MW·h一3kg/MW.h)。由于燃料進入燃料電池之前必須經(jīng)過嚴格的凈化處理,碳氫化合物也必須重整成氫氣和CO,因此,尾氣中S02、碳氫化合物和固態(tài)粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。與常規(guī)燃煤發(fā)電機組相比,C02的排放量可減少40%一60%.在目前CO2分離和隔絕技術(shù)尚不成熟的狀況下,通過提高能源轉(zhuǎn)換效率減少CO2排放是必然的選擇。

2.3采用燃料電池發(fā)電可提高供電的靈活性和可靠性

燃料電池具有高效率、低污染、低噪聲、模塊化結(jié)構(gòu)、體積小、可靠性高等突出特點,是理想的分布式電源。與目前一些可做為分布式電源的內(nèi)燃機相比,燃料電池的發(fā)電效率更高、污染更低。在250KW-lOMW的功率范圍內(nèi),具有與目前數(shù)百兆瓦中心電站相當甚至更高的發(fā)電效率。作為備用電源的柴油發(fā)電機由于污染和噪聲大不宜在未來的城市中應(yīng)用。低溫燃料電池不僅發(fā)電效率高,而且啟動快、變負荷能力強,是很好的備用電源。現(xiàn)代社會對供電的可靠性和環(huán)境的兼容性要求越來越高,高效、低污染的分布式電源系統(tǒng)日益受到重視。近年來美國、加拿大、臺灣相繼發(fā)生因自然災(zāi)害或人為因素造成的大面積停電,許多重要用戶長期不能恢復(fù)供電,給社會和經(jīng)濟造成了巨大的損失。北約轟炸南聯(lián)盟,使電力系統(tǒng)嚴重受損。這些由不可抗力引起的電網(wǎng)破壞無不使人引發(fā)出一個重要的思考:提高我國電力系統(tǒng)供電的可靠性和供電質(zhì)量,雖然主要依靠電網(wǎng)的改造和技術(shù)革新,但如果在電網(wǎng)中有許多分布式電源在運轉(zhuǎn),供電的可靠性將會大大提高。

對于象軍事基地、指揮中心、醫(yī)院、數(shù)據(jù)處理和通訊中心、商業(yè)大樓、娛樂中心、政府要害部門、制藥和化學(xué)材料工業(yè)、精密制造工業(yè)等部門,對電力供應(yīng)的可靠性和質(zhì)量要求很高。目前采用的備用電源效率低、污染嚴重、電壓波動大。而采用燃料電池作為分布式電源向這些部門提供電力,會使供電的可靠性和電力質(zhì)量大大提高。他們將是燃料電池發(fā)電技術(shù)的第一批用戶。

對于邊遠地區(qū),負荷小且分散,若建設(shè)完善的電網(wǎng),不僅投資大,線損大,且電網(wǎng)末端地區(qū)電力質(zhì)量不穩(wěn)定。對于這些區(qū)域若輔助燃料電池發(fā)電的分布式電源,更能有效地解決這些地區(qū)的電力供應(yīng)問題。燃料電池的重量比功率和體積比功率均比常規(guī)的小型發(fā)電裝置大,因此,它也是理想的移動電源,適合于各種建設(shè)工地、野外作業(yè)和臨時急用。

2.4發(fā)展燃料電池發(fā)電技術(shù)是提高國家能源和電力安全的戰(zhàn)略需要

美國已將燃料電池發(fā)電列為國家安全關(guān)鍵技術(shù)之一。美、日之所以能在燃料電池技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位,與國家從戰(zhàn)略高度予以組織、資助和推動密不可分。在目前復(fù)雜的國際環(huán)境下,高技術(shù)的壟斷日趨嚴重,掌握清潔高效發(fā)電的高新技術(shù)對未來國家的能源和電力安全具有重要的戰(zhàn)略意義,而燃料電池發(fā)電技術(shù),正是這種高效清潔的高新發(fā)電技術(shù)之一。燃料電池突出的優(yōu)點,以及發(fā)達國家竟相投入巨資研究開發(fā)的行動,足以說明燃料電池發(fā)電技術(shù)在21世紀會起到越來越重要的作用。

2.5發(fā)展燃料電池發(fā)電技術(shù)是國電公司“加強技術(shù)創(chuàng)新,發(fā)展高科技,形成高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)”的需要

燃料電池發(fā)電技術(shù)是電力工業(yè)中的高新技術(shù),己受到普遍重視。美國燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)主要由美國能源部組織實施,其中一個重要的目的就是形成新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè),為美國的經(jīng)濟注入新的活力。日本的東京電力公司、關(guān)西電力公司及其它公用事業(yè)單位是日本燃料電池開發(fā)及商業(yè)化的主要承擔者和推動者,其目的也是為電力公司注入新的經(jīng)濟增長點以獲得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

國家電力公司處在完成“兩型”、“兩化”、“進入世界500強”的歷史時刻,恰逢黨中央國務(wù)院號召全國各行業(yè)“加強技術(shù)創(chuàng)新,發(fā)展高科技,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的有利時機,在國家電力公司內(nèi)不失時機地進行燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)是非常必要的。采取引進、消化、吸收和再創(chuàng)新的技術(shù)路線,以高起點,在盡可能短的時間內(nèi)初步形成自主產(chǎn)權(quán)的燃料電池發(fā)電關(guān)鍵技術(shù),不僅可以使我國在燃料電池發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域與國外的差距大大縮小,而且,對國家電力公司進行發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)創(chuàng)新、形成高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)跨越式發(fā)、提高國際競爭能力都具有非常重要的意義。

2.6燃料電池發(fā)電技術(shù)在我國有廣闊的發(fā)展前景

未來二十年,隨著我國“西氣東送”,全國天然氣管網(wǎng)的不斷完善及液化天然氣(LNG)的廣泛應(yīng)用,燃用天然氣的燃料電池發(fā)電將會有很大市場。煤層氣也是燃料電池的理想燃料。我國豐富的煤層氣資源也將是燃料電池發(fā)電的巨大潛在能源之一。燃料電池可與常規(guī)燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)結(jié)合,形成更高效率的發(fā)電方式。與煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)結(jié)合,形成數(shù)百兆瓦級的大型、高效、低污染的中心發(fā)電站,比IGCC效率更高,污染更小。

燃料電池可與水電、風(fēng)電和太陽能發(fā)電等結(jié)合,在高出力時,利用電解水制氫,低出力時用燃料電池發(fā)電,達到既儲能,又高效發(fā)電的目的。采取氣化或厭氧處理的方法將生物質(zhì)變?yōu)槿剂蠚猓ㄟ^燃料電池發(fā)電,提高能源轉(zhuǎn)換效率,并降低污染物排放量。對一些經(jīng)濟欠發(fā)達但有豐富的沼氣資源的地區(qū),利用燃料電池發(fā)電技術(shù)有可能更有有效地解決這些地區(qū)的電力供應(yīng)問題。

2.7與國外有較大的差距

在燃料電池發(fā)電技術(shù)方面,我國與國際先進水平有較大的差距。在MCFC和SOFC技術(shù)方面,國外已分別示范成功了2MW和100KW的燃料電池發(fā)電機組,而我國在這方面才剛剛起步,2000年才可望研制出2KW左右的試驗裝置。在PAFC和PEFC技術(shù)方面,國內(nèi)與國外的差距更大。倘若我們現(xiàn)在不開始研究開發(fā)燃料電池發(fā)電技術(shù),等到燃料電池完全成熟后再引進,不但會受制于人,還將付出更大的經(jīng)濟代價,更談不上盡快形成燃料電池發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化。若不能形成燃料電池的產(chǎn)業(yè)化并在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用,那么,也談不上提高發(fā)電效率和降低污染物的排放。只有從現(xiàn)在開始,在國外的基礎(chǔ)上,高起點研究,經(jīng)過10-20年的努力,有可能在國電公司形成燃料電池的產(chǎn)業(yè)和廣泛的商業(yè)應(yīng)用。

2.8在我國電力系統(tǒng)發(fā)展燃料電池發(fā)電技術(shù)是市場經(jīng)濟條件下的迫切要求

分散式電源作為大電網(wǎng)的有效補充己得到許多國家的重視,而電源提供者的多元化更是一種趨勢。我國電網(wǎng)的容量大、技術(shù)水平和可靠性還較低、抵御各種災(zāi)害的能力較差,在這種情況下,小型高效的燃料電池分布式電源隨著技術(shù)的商業(yè)化市場潛力巨大。

倘若電力系統(tǒng)不及時進行研究開發(fā),在未來幾年內(nèi),有可能被國外企業(yè)和國內(nèi)其它其它行業(yè)或民營企業(yè)占領(lǐng)燃料電池分散電源市場。在市場經(jīng)濟條件下,國電公司既是用戶,又是開發(fā)者。對于燃料電池這樣重要的發(fā)電高新技術(shù),應(yīng)不失時機地著手研究開發(fā),聯(lián)合國內(nèi)一些基礎(chǔ)研究單位,爭取納入國家的攻關(guān)計劃,獲得國家支持,在盡可能短的時間內(nèi),形成燃料電池發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)的優(yōu)勢,開發(fā)燃料電池發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)和成套技術(shù),形成國電公司的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),既可優(yōu)化調(diào)整電力結(jié)構(gòu),又能滿足市場的不同需求。

3國外燃料電池發(fā)展計劃及商業(yè)化的預(yù)測

研究美、日、歐洲等國家和地區(qū)燃料電池的發(fā)展進程及商業(yè)化的預(yù)測,對我們制定燃料電池的發(fā)展戰(zhàn)略和預(yù)測應(yīng)用前景會有一定的參考價值。

3.1美國燃料電池發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)狀況

(1)美國燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)計劃

1997年,美國總統(tǒng)克林頓頒發(fā)了"改善氣候行動計劃”,燃料電池被確定為一項關(guān)鍵技術(shù),聯(lián)邦政府為此制定了一項“美國聯(lián)邦燃料電池發(fā)展計劃”,目的是通過燃料電池的商業(yè)化來減少溫室氣體排放量。在這項計劃中,對每一個燃料電池的新用戶資助l000/KW的優(yōu)惠。結(jié)果,僅在1998年,就有42臺200kwPAFC發(fā)電機組投入運行。

美國政府鼓勵在一些對環(huán)境敏感的地區(qū)建立燃料電池發(fā)電站。此外,政府已促使美國所有的軍事基地安裝200KW燃料電池發(fā)電機組。通過這些措施,加速燃料電池的商業(yè)化,并提高國家能源的安全性。美國政府投入巨資研究開發(fā)燃料電池發(fā)電技術(shù)的另一個目的,就是要保持美國在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。隨著商業(yè)化過程不斷深入,將逐步形成新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè),為美國的經(jīng)濟注入新的活力,提供更多的就業(yè)機會。

美國DOE的燃料電池發(fā)展計劃如下:

PAFC己商業(yè)化,不再投入資金進行研究開發(fā)。PAFC目前的發(fā)電效率為40%一45%(LHV),熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率為80%(LHV)。

已完成250KW和2MWMCFC的現(xiàn)場示范,預(yù)計2002年進行20MW的示范;2003年左右,使250KW和MW級MCFC達到商業(yè)化;2010年,燃用天然氣的250KW一20MWMCFC分散電源達到商業(yè)化,100MW以上MCFC的中心電站也進入商業(yè)化;2020年,100MW以上燃煤MCFC中心發(fā)電站進入商業(yè)化。MCFC技術(shù)目標是運行溫度為650℃,發(fā)電效率達到60%(LHV),組成聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率為70%(LHV),熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率達到85%(LHV)以上。

目前,己完成25kw和100kwSOFC現(xiàn)場試驗,正在進行SOFC的商業(yè)化設(shè)計。預(yù)計2002年左右,進行MW級SOFC示范;2003年左右,100kw一1MWSOFC進行商業(yè)化:2010年,250kw一20MW燃用天然氣的SOFC以分布式電源形式進入商業(yè)化,100MW以上燃用天然氣的SOFC以中心電站形式進入商業(yè)化;2020年,100W及以上容量的燃煤S0FC以中心電站的形式進入商業(yè)化。SOFC技術(shù)目標是:運行溫度為1000℃,發(fā)電效率達到62%(LHV),組成聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率達到72%(LHV),熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率達到85%(LHV)以上,燃煤時發(fā)電效率可達到65%(LHV),這一目標預(yù)計2010完成。

美國是最早研究開發(fā)PEFC的國家,但在大容量化和商業(yè)應(yīng)用方面已落后于加拿大。目前美國生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜仍居世界領(lǐng)先水平。美國在PEFC的開發(fā)方面是面向家庭用分散式電源,實現(xiàn)熱電聯(lián)供。PlugPower公司與GE合作,計劃2001年使10kwPEFC進入商業(yè)化,價格達到S750-1000/kw,大批量生產(chǎn)后,使PEFC的價格達到$350/kw。

(2)市場預(yù)測

美國能源部(DOE)對美國潛在的燃料電池市場的預(yù)測認為:在2005年一2010年,美國年需求燃料電池發(fā)電容量約2335MW一4075MW。現(xiàn)在美國的燃料電池年生產(chǎn)能力為60MW,商業(yè)化的價格為$2000一$3000/kw,若年生產(chǎn)能力達到100MW/a,商業(yè)化的價格則可達到$l000-$1500/Kw。若能達到(2000-4000)MW/a的生產(chǎn)能力,燃料電池的原材料費僅$200一$300/kw。那么燃料電池的價格則有可能達到$900-$l100/kw,此時可完全與常規(guī)的發(fā)電方式競爭。

3.2日本燃料電池發(fā)電技術(shù)的發(fā)展進程及應(yīng)用前景預(yù)測

(1)發(fā)展進程

日本在PAFC研究方面,走的是一條引進合作、消化吸收、再提高的路線。1972年東京煤氣公司從美國引進兩臺PAFC燃料電池發(fā)電機組,大阪煤氣公司也在1973年引進兩臺PAFC機組。日本政府于1981年設(shè)立了以開發(fā)節(jié)能技術(shù)為宗旨的“月光計劃”,燃料電池發(fā)電是其中一項重要內(nèi)容。此后,日本國內(nèi)的電力公司、煤氣公司和一些大型的制造廠紛紛投入燃料電池的研究開發(fā),并與美國IFC合作,使日本的PAFC得到更大的發(fā)展。目前,日本的PAFC技術(shù)已趕上了美國,商業(yè)化程度超過了美國。5MW(富士電機制造)和11MW(東芝與IFC合制)均在日本投運,日本公司制造的PAFC機組已運行了近100多臺。

日本有關(guān)MCFC的研究是從1981年開始的,通過自主開發(fā)并與美國合作。1987年10kwMCFC開發(fā)成功,1993年100kw加壓型MCFC開發(fā)成功,1997年開發(fā)出1MW先導(dǎo)型MCFC發(fā)電廠,并投入運行。MCFC已被列為日本“新陽光計劃”的一個重點,目標是2000年一2010年,實現(xiàn)燃用天然氣的10MW一50MW分布式MCFC發(fā)電機組的商業(yè)化,并進行100MW以上燃用天然氣的MCFC聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的示范,2010年后,實現(xiàn)煤氣化MCFC聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,并逐步替代常規(guī)火電廠。

日本的SOFC技術(shù)也是從1981年的“月光計劃”開始研究的,立足于自主開發(fā)。1989年一1991年,開發(fā)出l00W一400WSOFC電池堆,1992年一1997年開發(fā)出l0kw平板型SOFC。SOFC的研究進展也遠遠落后于NEDO原來的計劃。“新陽光計劃”中預(yù)計2000年一2010年,使SOFC達到MW級,并形成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。日本的PEFC也被列入“新陽光計劃”,目前開發(fā)的容量為(1-2)kw。

(2)政府采取的措施

日本政府在“月光計劃”和“新陽光計劃”中,先后資助了3臺200kw、2臺lMW和l臺5MW的PAFC;1臺100kw和1臺1MW的MCFC示范電站研究開發(fā)、建設(shè)及運行。

在通產(chǎn)省和NEDO的統(tǒng)一組織和管理下,使公用事業(yè)單位(電力公司和煤氣公司)和開發(fā)商及研究單位緊密結(jié)合,實現(xiàn)燃料電池研究開發(fā)和商業(yè)示范應(yīng)用一體化。日本電力公司和煤氣公司,過去十年來安裝了約80多臺燃料電池機組,裝機容量達到20.1MW,燃料電池及電廠的費用主要由業(yè)主承擔,但是制造商和政府也各承擔一部分。這種政府和企業(yè)聯(lián)合研究開發(fā)的方式促進了日本燃料電池的發(fā)展。使用燃料電池發(fā)電享有許多優(yōu)惠政策:燃料電池的相關(guān)設(shè)備,在未超過一定規(guī)模時,其工程計劃僅須申報即可動工。對500kw以下的常壓燃料電池生產(chǎn)與使用的審批手續(xù)大大簡化。在醫(yī)院、旅館、辦公大樓等安裝的燃料電池發(fā)電機組,政府提供的經(jīng)費資助。新建的燃料電池發(fā)電設(shè)備享有10%的免稅額,并獲有30%的加速折舊。對裝設(shè)于電力公司或自備發(fā)電用的燃料電池項目,日本開發(fā)銀行將提供投資額40%的低息貸款。

(3)市場預(yù)測

1990年,日本通產(chǎn)省發(fā)表了“長期電源供需展望”報告,預(yù)計日本國內(nèi)的燃料電池發(fā)電容量到2000年約2250MW;2010年約10720MW,電力系統(tǒng)用5500MW,其中約有2400MW是MCFC和SOFC高溫型燃料電池;2010年煤氣化MCFC和SOFC達到實用化;發(fā)電效率達到50%一60%。由于燃料電池發(fā)電技術(shù)仍有許多技術(shù)上的難題沒有突破,進展速度低于預(yù)期值,因此日本目前已將原目標做了修正,預(yù)計2000年燃料電池裝機容量將達到200MW,其中分布式電源l12MW,工業(yè)用熱電聯(lián)產(chǎn)型為88MW;2010年將達到2200MW,其中分布式電源型為735MW,工業(yè)用熱電聯(lián)產(chǎn)型為1465MW。

3.3其它國家和地區(qū)的發(fā)展進程

目前,歐洲的燃料電池發(fā)電技術(shù)遠遠落后于美國和日本。80歐洲又重新開始研究燃料電池發(fā)電技術(shù)。它們采用向美國、日本購買電池組,自行組裝發(fā)電廠的方式來發(fā)展PAFC發(fā)電技術(shù)。1990年成立了一個“歐洲燃料電池集團(EFCG)”。意大利已完成了一座1MW的PAFC示范工程,由IFC供應(yīng),BOP由歐洲制造。意大利、西班牙與美國IPC合作,于1993年在米蘭建了一座l00kwMCFC電廠,1996年投運。德國正在開發(fā)250kwMCFC。德國西門子公司于1998年收購了美國西屋公司的管形SOFC技術(shù)后,現(xiàn)在擁有世界上最先進的平板型和管形SOFC技術(shù)。

加拿大在PEFC方面居世界領(lǐng)先地位,在繼續(xù)開發(fā)交通用PEFC的同時,目前也將PEFC應(yīng)用于固定電站,已建成250kwPEFC示范電站,目標是在近幾年內(nèi)使250kw級PEPC商業(yè)化。澳大利亞在1993年一1997年,共投資3000萬美元,研究開發(fā)平板型SOFC,目前正在開發(fā)(20一25)kwSOFC電池堆。韓國電力公司于1993年從日本購進一座200kwPAFC進行示范運行。

3.4國外發(fā)展燃料電池發(fā)電技術(shù)的經(jīng)驗總結(jié)

回顧國外燃料電地發(fā)展的道路,有許多值得我們吸取和借鑒的經(jīng)驗。下面歸納幾點:

美國在燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)方面始終處于世界領(lǐng)先地位。除了雄厚的財力之外,還有三方面重要的原因:一是政府將燃料電池發(fā)電技術(shù)視為提高火力發(fā)電效率、減少污染物和溫室氣體排放的重要措施,列入政府的“改變氣侯技術(shù)戰(zhàn)略”中,并大力投入資金和力量研究開發(fā);二是燃料電池技術(shù)提高到“國家能源安全并大力投入資金和力量研究開發(fā);二是將燃料電池技術(shù)提高到“國家能源安全關(guān)鍵技術(shù)”的戰(zhàn)略高度,DOD和DOE均投入資金研究開發(fā);三是對燃料電池的應(yīng)用前景充滿信心,希望能形成新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè),給美國的經(jīng)濟注入新的活力,政府和企業(yè)共同投入資金研究開發(fā),力圖保持領(lǐng)先地位。

日本走的是一條通過與美國合作、引進技術(shù)并消化吸收實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的路線,并在PAFC的商業(yè)化方面己超過了美國,在MCFC的研究開發(fā)方面也接近美國。成功的重要經(jīng)驗也是政府對燃料電池給予高度重視,先后列入了“月光計劃”和“新陽光計劃”,大力投入研究開發(fā)。另一條經(jīng)驗是研究機構(gòu)、企業(yè)和用戶聯(lián)合,組成從研究、開發(fā)到商業(yè)應(yīng)用一體化集團,既承擔研究開發(fā)的風(fēng)險,也享受成功的優(yōu)惠。

加拿大Ballard公司在PEFC方面成功的經(jīng)驗告訴我們:只要堅定不移地進行研究開發(fā),一個小公司也能在10-20年內(nèi)成為舉世矚目的燃料電池技術(shù)擁有者。

燃料電池起源于歐洲,但是,現(xiàn)在歐洲的燃料電池技術(shù)已遠遠落后于美國和日本。主要原因是政府和企業(yè)對燃料電池發(fā)電技術(shù)重視不夠。目前,歐洲已經(jīng)意識到這一點,成立了-個燃料電池發(fā)電技術(shù)集團,引進美國、日本的技術(shù),并進行研究開發(fā)。

4各種燃料電池發(fā)電技術(shù)綜合比較

(1)AFC:與其它燃料電池相比,AFC功率密度和比功率較高,性能可靠。但它要以純氫做燃料,純氧做氧化劑,必須使用Pt、Au、Ag等貴金屬做催化劑,價格昂貴。電解質(zhì)的腐蝕嚴重,壽命較短,這些特點決定了AFC僅限于航天或軍事應(yīng)用,不適合于民用。

(2)PAFC:以磷酸做為電解質(zhì),可容許燃料氣和空氣中C02的存在。這使得PAFC成為最早在地面上應(yīng)用或民用的燃料電池。與AFC相比它可以在180℃一210℃運行,燃料氣和空氣的處理系統(tǒng)大大簡化,加壓運行時,可組成熱電聯(lián)產(chǎn)。但是,PAFC的發(fā)電效率目前僅能達到40%一45%(LHV),它需要貴金屬鉑做電催化劑;燃料必須外重整:而且,燃料氣中C0的濃度必須小于1%(175℃)一2%(200℃),否則會使催化劑中毒;酸性電解液的腐蝕作用,使PAFC的壽命難以超過40000小時。PAFC目前的技術(shù)已成熟,產(chǎn)品也進入商業(yè)化,做為特殊用戶的分散式電源、現(xiàn)場可移動電源和備用電源,PAFC還有市場,但用作大容量集中發(fā)電站比較困難。

(3)MCFC:在650℃一700℃運行,可采用鎳做電催化劑,而不必使用貴重金屬:燃料可實現(xiàn)內(nèi)重整,使發(fā)電效率提高,系統(tǒng)簡化;CO可直接用作燃料;余熱的溫度較高,可組成燃氣/蒸汽聯(lián)合循環(huán),使發(fā)電容量和發(fā)電效率進一步提高。與SOFC相比,MCFC的優(yōu)點是:操作溫度較低,可使用價格較低的金屬材料,電極、隔膜、雙極板的制造工藝簡單,密封和組裝的技術(shù)難度相對較小,大容量化容易,造價較低。缺點是:必須配置C02循環(huán)系統(tǒng);要求燃料氣中H2S和CO小于0.5PPM;熔融碳酸鹽具有腐蝕性,而且易揮發(fā);與SOFC相比,壽命較短;組成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的效率比SOFC低。與低溫燃料電池相比,MCFC的缺點是啟動時間較長,不適合作備用電源。MCFC己接近商業(yè)化,示范電站的規(guī)模已達到2MW。從MCFC的技術(shù)特點和發(fā)展趨勢看,MCFC是將來民用發(fā)電(分散電源和中心電站)的理想選擇之一。

(4)SOFC:電解質(zhì)是固體,可以被做成管形、板形或整體形。與液體電解質(zhì)的燃料電池(AFC、PAFC和MCFC)相比,SOFC避免了電解質(zhì)蒸發(fā)和電池材料的腐蝕問題,電池的壽命較長(已達到70000小時)。CO可做為燃料,使燃料電池以煤氣為燃料成為可能。SOFC的運行溫度在1000℃左右,燃料可以在電池內(nèi)進行重整。由于運行溫度很高,要解決金屬與陶瓷材料之間的密封也很困難。與低溫燃料電池相比,SOFC的啟動時間較長,不適合作應(yīng)急電源。與MCFC相比,SOFC組成聯(lián)合循環(huán)的效率更高,壽命更長(可大于40000小時);但SOFC面臨技術(shù)難度較大,價格可能比MCFC高。示范業(yè)績證明SOFC是未來化石燃料發(fā)電技術(shù)的理想選擇之一,既可用作中小容量的分布式電源(500kw一50MW),也可用作大容量的中心電站(>l00MW)。尤其是加壓型SOFC與微型燃氣輪結(jié)合組成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的示范,將使SOFC的優(yōu)越性進一步得到體現(xiàn)。

(5)PEFC:PEPC的運行溫度較低(約80℃),它的啟動時間很短,在幾分鐘內(nèi)可達到滿負荷。與PAFC相比,電流密度和比功率都較高,發(fā)電效率也較高(45%一50%(LHV)),對CO的容許值較高(<10ppm)。PEFC的余熱溫度較低,熱利用率較低。與PAFC和MCFC等液體電解質(zhì)燃料電池相比,它具有壽命長,運行可靠的特點。PEFC是理想的可移動電源,是電動汽車、潛艇、航天器等移動工具電源的理想選擇之一。目前,在移動電源、特殊用戶的分布式電源和家庭用電源方面有一定的市場,不適合做大容量中心電站。

5結(jié)論

選擇適合于我國電力系統(tǒng)發(fā)展的燃料電池發(fā)電技術(shù),應(yīng)綜合考慮以下幾點:較高的發(fā)電效率;環(huán)保性能好;既能作為高效、清潔的分布電源,又具有形成大容量的聯(lián)合循環(huán)中心發(fā)電站的發(fā)展?jié)摿Γ患饶芤蕴烊粴鉃槿剂希志哂幸悦簽槿剂系目赡苄裕患夹g(shù)的先進性及商業(yè)化進程;運行的可靠性和壽命;降低造價的潛力;國內(nèi)的基礎(chǔ)。綜合考慮以上幾點,對適合于我國電力系統(tǒng)發(fā)展的燃料電池發(fā)電技術(shù),提出以下幾點選擇意見:

(1)優(yōu)先發(fā)展高溫燃料電池發(fā)電技術(shù)。即選擇MCFC和SOFC為我國電力系統(tǒng)燃料電池發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向,這兩種燃料電池既能以天然氣為燃料作為高效清潔的分布電源,又具有形成大容量的聯(lián)合循環(huán)中心發(fā)電站(以天然氣或煤為燃料)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(2)MCFC和SOFC各有特點,都存在許多問題,尚未商業(yè)化。若考慮技術(shù)難度和成熟程度以及商業(yè)化的進程,對于MCFC,應(yīng)走引進、消化吸收、研究創(chuàng)新,實現(xiàn)國產(chǎn)化的技術(shù)路線,并盡快投入商業(yè)應(yīng)用:對于SOFC,應(yīng)立足于自主開發(fā),走創(chuàng)新和跨越式發(fā)展的技術(shù)發(fā)展路線。

(3)隨著氫能技術(shù)的發(fā)展,PEFC在移動電源、分散電源、應(yīng)急電源、家庭電源等方面具有一定優(yōu)勢和的市場潛力,國家電力公司應(yīng)密切跟蹤研究。

(4)AFC不適合于民用發(fā)電。PAFC技術(shù)目前已趨于成熟,與MCFC、SOFC和PEFC比較,已相對落后。因此,AFC和PAFC不應(yīng)做為國家電力公司研究開發(fā)的方向。

參考文獻

[1]許世森,朱寶田等,在我國電力系統(tǒng)發(fā)展的燃料電池發(fā)電的技術(shù)路線和實施方案研究,國家電力公司熱工研究院,1999.12