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    關于燃料電池發電技術調研報告

    發布日期: 2019-06-24
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    1.引言

        能源是經濟發展的基礎,沒有能源工業的發展就沒有現代文明。人類為了更有效地利用能源一直在進行著不懈的努力。歷*利用能源的方式有過多次革命性的變革,從原始的蒸汽機到汽輪機、高壓汽輪機、內燃機、燃氣輪機,每一次能源利用方式的變革都極大地推進了現代文明的發展。  

        隨著現代文明的發展,人們逐漸認識到傳統的能源利用方式有兩大弊病。一是儲存于燃料中的化學能必需首先轉變成熱能后才能被轉變成機械能或電能,受卡諾循環及現代材料的限制,在機端所獲得的效率只有33~35%,一半以上的能量白白地損失掉了;二是傳統的能源利用方式給今天人類的生活環境造成了巨量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。對于發電行業來說,雖然采用的技術在不斷地升級,如開發出了超高壓、超臨界、超超臨界機組,開發出了流化床燃燒和整體氣化聯合循環發電技術,但這種努力的結果是:機組規模巨大、超高壓遠距離輸電、投資上升,到用戶的綜合能源效率仍然只有35%左右,大規模的污染仍然沒有得到根本解決。多年來人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環境的能源利用方式。這就是燃料電池發電技術。  

        1839年英國的Grove發明了燃料電池,并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱,并獲得200mA/m2電流密度。由于發電機和電極過程動力學的研究未能跟上,燃料電池的研究直到20世紀50年代才有了實質性的進展,英國劍橋大學的Bacon用高壓氫氧制成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代,這種電池成功地應用于阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始,氫氧燃料電池廣泛應用于宇航領域,同時,兆瓦級的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開始,各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領域中得到應用。  

        燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能,直接轉化為電能的裝置。當*地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時,它可以連續發電。依據電解質的不同,燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)及質子交換膜燃料電池(PEMFC)等。燃料電池不受卡諾循環限制,能量轉換效率高,潔凈、無污染、噪聲低,模塊結構、積木性強、比功率高,既可以集中供電,也適合分散供電。  

        大型電站,火力發電由于機組的規模足夠大才能獲得令人滿意的效率,但裝有巨型機組的發電廠又受各種條件的限制不能貼進用戶,因此只好集中發電由電網輸送給用戶。但是機組大了其發電的靈活性又不能適應戶戶的需要,電網隨用戶的用電負荷變化有時呈現為高峰,有時則呈現為低谷。為了適應用電負荷的變化只好備用一部分機組或修建抽水蓄能電站來應急,這在總體上都是以犧牲電網的效益為代價的。傳統的火力發電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發電機這些龐大的設備上,燃燒時還會排放大量的有害物質。而使用燃料電池發電,是將燃料的化學能直接轉換為電能,不需要進行燃燒,沒有轉動部件,理論上能量轉換率為100%,裝置無論大小實際發電效率可達40%~60%,可以實現直接進入企業、飯店、賓館、家庭實現熱電聯產聯用,沒有輸電輸熱損失,綜合能源效率可達80%,裝置為集木式結構,容量可小到只為手機供電、大到和目前的火力發電廠相比,非常靈活。  

        燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發電裝置和替代內燃機的動力裝置。能源界預測,燃料電池是21世紀有吸引力的發電方法之一。我國人均能源資源貧乏,在目前電網由主要缺少電量轉變為主要缺少系統備用容量、調峰能力、電網建設滯后和傳統的發電方式污染嚴重的情況下,研究和開發微型化燃料電池發電具有重要意義,這種發電方式與傳統的大型機組、大電網相結合將給我國帶來巨大的經濟效益。  

    2. 燃料電池的特點與原理

        由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能,因此,它沒有像通常的火力發電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發電機的能量形態變化,可以避免中間的轉換的損失,達到很高的發電效率。同時還有以下一些特點:  

        不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發電效率; 
        不管裝置規模大小均能保持高發電效率; 
        具有很強的過負載能力;  
        通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛; 
        發電出力由電池堆的出力和組數決定,機組的容量的自由度大;  
        電池本體的負荷響應性好,用于電網調峰優于其他發電方式; 
        用天然氣和煤氣等為燃料時,NOX及SOX等排出量少,環境相容性優。  
        如此由燃料電池構成的發電系統對電力工業具有極大的吸引力。  

        燃料電池按其工作溫度是不同,把堿性燃料電池(AFC,工作溫度為100℃)、固體高分子型質子膜燃料電池(PEMFC,也稱為質子膜燃料電池,工作溫度為100℃以內)和磷酸型燃料電池(PAFC,工作溫度為200℃)稱為低溫燃料電池;把熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC,工作溫度為650℃)和固體氧化型燃料電池(SOFC,工作溫度為1000℃)稱為高溫燃料電池,并且高溫燃料電池又被稱為面向高質量排氣而進行聯合開發的燃料電池。另一種分類是按其開發早晚順序進行的,把PAFC稱為代燃料電池,把MCFC稱為第二代燃料電池,把SOFC稱為第三代燃料電池。這些電池均需用可燃氣體作為其發電用的燃料。  

        燃料電池其原理是一種電化學裝置,其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部,因此,限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質,只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時,燃料和氧化劑由外部供給,進行反應。原則上只要反應物不斷輸入,反應產物不斷排除,燃料電池就能連續地發電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理。 


    氫-氧燃料電池反應原理

    這個反映是電觧水的逆過程。電極應為:
    負極: H2 + 2OH- →2H2O + 2e-
    正極: 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-
    電池反應:H2 + 1/2O2==H2O

        另外,只有燃料電池本體還不能工作,必須有一套相應的輔助系統,包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。  

        燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)、及兩側氣體流路構成,氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣(氧化劑氣體)能在流路中通過。  

        在實用的燃料電池中因工作的電解質不同,經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子(H+)相關,發生的反應為:  

        燃料極:H2 =2H+ + 2e- (1) 

        空氣極:2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O (2)  

        全體:H2+1/2O2 = H2O (3) 


    氫氧燃料電池組成和反應循環圖

        在燃料極中,供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ,H+ 移動到電解質中與空氣極側供給的O2發生反應。e- 經由外部的負荷回路,再反回到空氣極側,參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e- 不間斷地經由外部回路,因而就構成了發電。并且從上式中的反應式(3)可以看出,由H2 和O2 生成的H2O ,除此以外沒有其他的反應,H2 所具有的化學能轉變成了電能。但實際上,伴隨著電極的反應存在一定的電阻,會引起了部分熱能產生,由此減少了轉換成電能的比例。  

        引起這些反應的一組電池稱為組件,產生的電壓通常低于一伏。因此,為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離,采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件,PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定,電流與電池中的反應面積成比。  


    單電極組裝示意圖

        PAFC的電解質為濃磷酸水溶液,而PEMFC電解質為質子導電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體,為了促進反應,以Pt作為觸媒,燃料氣體中的CO將造成中毒,降低電極性能。為此,在PAFC和PEMFC應用中必須限制燃料氣體中含有的CO 量,特別是對于低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限制。 

     
    磷酸型燃料電池基本組成和反應原理

        磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是:燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質器,把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物,CO和水進一步在移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2。經過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極),同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應,借助觸媒劑的作用迅速產生電能和熱能。  

        相對PAFC和PEMFC,高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒,以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用,而且還具有易于利用其高質量排氣構成聯合循環發電等特點。  

        MCFC主構成部件。含有電極反應相關的電解質(通常是為Li與K混合的碳酸鹽)和上下與其相接的2塊電極板(燃料極與空氣極),以及兩電極各自外側流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等,電解質在MCFC約600~700℃ 的工作溫度下呈現熔融狀態的液體,形成了離子導電體。電極為鎳系的多孔質體,氣室的形成采用抗蝕金屬。 

        MCFC工作原理??諝鈽O的O2(空氣)和CO2 與電相結合,生成CO23- (碳酸離子),電解質將CO23-移到燃料極側,與作為燃料供給的H+ 相結合,放出e-,同時生成H2O和CO2 ?;瘜W反應式如下:  

        燃料極:H2 + CO23- = H2O+2e- + CO2 (4) 
        空氣極:CO2 + 1/2O2 +2e-=CO23- (5)  
        全 體:H2 + 1/2O2 =H2O (6) 

        在這一反應中,e- 同在PAFC中的情況一樣,它從燃料極被放出,通過外部的回路反回到空氣極,由e- 在外部回路中不間斷的流動實現了燃料電池發電。另外,MCFC的大特點是,必須要有有助于反應的CO23-離子,因此,供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且,在電池內部充填觸媒,從而將作為天然氣主成份的CH4 在電池內部改質,在電池內部直接生成H2 的方法也已開發出來了。而在燃料是煤氣的情況下,其主成份CO 和H2O反應生成H2,因此,可以等價地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力,隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。  

        SOFC是以陶瓷材料為主構成的,電解質通常采用ZrO2 (氧化鋯),它構成了O2- 的導電體Y 2O3 (氧化釔)作為穩定化的YSZ(穩定化氧化鋯)而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復合多孔體構成金屬陶瓷,空氣極采用LaMnO3 (氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3 (氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同,電解質之間熱膨脹差造成裂紋產生等,開發了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外,還有開發出了為避免應力集中的圓筒型。SOFC的反應式如下:  

        燃料極:H2 + O2- = H2O + 2e- (7) 
        空氣極:1/2O2 + 2e- =O2- (8) 
        全 體:H2 + 1/2O2 =H2O (9) 

        燃料極,H2 經電解質而移動,與O2- 反應生成H2O和e-??諝鈽O由O2和e- 生成O2-。全體同其他燃料電池一樣由H2 和O2 生成H2O。在SOFC中,因其屬于高溫工作型,因此,在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內部將天然氣主成份CH4 改質成H2 加以利用,并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。 

     

    表1 燃料電池的分類

    類型 磷酸型燃料電池(PAFC) 熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC) 體氧化物型燃料電池(SOFC) 質子交換膜燃料電池(PEMFC) 燃料 煤氣、天然氣、甲醇等 煤氣、天然氣、甲醇等 煤氣、天然氣、甲醇等 chunH2、天然氣 電解質 磷酸水溶液 KliCO3溶鹽 ZrO2-Y2O3(YSZ) 離子(Na離子) 電極 陽極 多孔質石墨(Pt催化劑) 多孔質鎳(不要Pt催化劑) Ni-ZrO2金屬陶瓷(不要Pt催化劑) 多孔質石墨或Ni(Pt催化劑) 陰極 含Pt催化劑+多孔質石墨+Tefion 多孔NiO(摻鋰) LaXSr1-XMn(Co)O3 多孔質石墨或Ni(Pt催化劑) 工作溫度 ~200℃ ~650℃ 800~1000℃   ~100℃     近20多年來,燃料電池經歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發展階段,燃料電池的研究和應用正以極快的速度在發展。AFC已在宇航領域廣泛應用,PEMFC已廣泛作為交通動力和小型電源裝置來應用,PAFC作為中型電源應用進入了商業化階段,MCFC也已完成工業試驗階段,起步較晚的作為發電有應用前景的SOFC已有幾十千瓦的裝置完成了數千小時的工作考核,相信隨著研究的深入還會有新的燃料電池出現。  

        美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料電池電廠、熔融碳酸鹽燃料電池電廠、質子交換膜燃料電池電廠作為示范。日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力部門使用,其中磷酸燃料電池(PAFC)已達到"電站"階段。已建成兆瓦級燃料電池示范電站進行試驗,已就其效率、可運行性和壽命進行了評估,期望應用于城市能源中心或熱電聯供系統。日本同時建造的小型燃料電池發電裝置,已廣泛應用于醫院、飯店、賓館等。  

    3. 燃料電池發電系統

    3.1. 利用天然氣的發電系統

        MCFC需要供給的燃料氣體是H2,它可由天然氣中的CH4 改質生成,其反應在改質器中進行。改質器出口的溫度為600℃,符合MCFC的工作溫度,可以原樣直接輸送到燃料極側。     另一方面,空氣極側需要的O2通過空氣壓縮機供給。另一個反應因素CO2,空氣極側反應等量地再利用發電時燃料極產生的CO2。除了有CO2 外,燃料極排出氣體還含有未反應的可燃成份,一起輸送到改質器的燃燒器側,天然氣改質所必需的熱量就由該燃燒熱供給。這種情況下,排出的燃料氣體會含有過多的H2O,將影響發熱量,為此通常是先將排出燃料氣體冷卻,將水份濾去后再輸送到改質器的燃燒側。從改質器燃燒側出來的氣體與來自壓縮機的空氣相混合后供給空氣極側。  
        實際的電池因內部存在電阻會發熱,故通過在空氣極側中流過的大量氧化氣體(陰極氣體,即含有O2、CO2 的氣體)來除去其發生的熱。通常是按600℃供給的氣體在700℃下排出,這一指標可通過在空氣極側進行流量調整來控制,為此采用陰極氣體的再循環,即,空氣極側供給的氣體為以改質器燃燒排氣與部分空氣極側排出氣體的混合體,為了保持電池入口和出口的溫度為jia溫度,可將再循環流量與外部供給的空氣流量一起調整。   
        來自空氣極側的排氣為高溫,送入終的膨脹式透平,進行動力回收,作為空氣壓縮動力而應用。剩余的動力,由發電機發電回收,從而可以提高整套系統的效率。另外,天然氣改質所必需的H2O(水蒸汽)可從排出的燃料氣體中回收的H2O來供給。  

        這種系統的效率可達55~60%。在整套出力中MCFC發電量份額占90%。絕大部分的發電量是由MCFC生產的。如果考慮到排氣形成的動力回收和若干的附加發電,廣義上也可以稱為聯合發電。  

        在使用PAFC的情況下,若以煤炭為燃料發電時就不容易了,采用天然氣時,其構成類似于MCFC機組,基本上是由電池本體發電。原因是PAFC排出氣體溫度較低,與其進行附加發電不如作為熱電聯產電源。  

        SOFC能和較高溫度的排氣體構成附加發電系統,由于SOFC不需要CO2 的再循環等,結構簡單,其發電效率可以達到50~60%。  

    3.2 利用煤炭的發電系統

        以MCFC為例進行介紹。煤炭需經煤氣化裝置生成作為MCFC可用燃料的CO及H2,并在進入 MCFC前除去其中含有的雜質(微量的雜質就會構成對MCFC的惡劣影響),這種供給MCFC精制煤氣,其壓力通常高于MCFC的工作壓力,在進入MCFC供氣前先經膨脹式渦輪機回收其動力。渦輪機出口氣體,經與部分來自燃料極(陽極)排出的高溫氣體(約700℃)相混合,調整為對電池的適宜溫度(約600℃)。該陽極氣體的再循環是,將排出的燃料氣體中所含的未反應的燃料成分返回入口加以再利用,借以達到提高燃料的利用率。向空氣極側供給O2和CO2是通過空氣壓縮機輸出的空氣和排出燃料氣體相混合來完成的。但是,碳酸氣是采用觸媒燃燒器將未燃的H2 及CO變換成H2O和CO2后供給的。  

        實際的燃料電池,內部電阻會發熱,將通過在空氣極側流過的大量的氧化劑氣體(陰極氣體,即含有O2和CO2的氣體)而除去。通常通過調整空氣極側的流量,把以600℃供給的氣體在700℃排出。為此采用了陰極氣體再循環,使空氣極側的排氣形成約700℃的高溫。因此,在這個循環回路中設置了熱交換器,將氣體溫度冷卻到600℃,形成電池入口適宜的溫度,與來自觸媒燃燒器的供給氣體相混合??諝鈽O側的出入口溫度,取決于再循環和來自壓縮機的供給空氣流量和再循環回路中的熱交換量。  

        排熱回收系統(末級循環),是由利用空氣極側排氣的膨脹式渦輪機和利用蒸汽的汽輪機發電來構成。膨脹式渦輪機與壓縮機的相組合,其剩余動力用于發電。蒸汽是由來自其下流的熱回收和煤氣化裝置以及陰極氣體再循環回路中的蒸汽發生器之間的組合產生,形成汽水循環。  

        這種機組的發電效率,因煤氣化方式和煤氣精制方式等的不同而有若干差異。利用煤系統SOFC其構成是復雜的。但若用管道氣就簡單多了,主要的是采用煤炭氣化系統造成的,其效率為45~55%。  

    4.我國燃料電池的發展狀況

        我國的燃料電池研究始于1958年,原電子工業部天津電源研究所早開展了MCFC的研究。70年代在航天事業的推動下,中國燃料電池的研究曾呈現出次高潮。其間中國科學院大連化學物理研究所研制成功的兩種類型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(千瓦級AFC)均通過了例行的航天環境模擬試驗。1990年中國科學院長春應用化學研究所承擔了中科院PEMFC的研究任務,1993年開始進行直接甲醇質子交換膜燃料電池(DMFC)的研究。電力工業部哈爾濱電站成套設備研究所于1991年研制出由7個單電池組成的MCFC原理性電池。"八五"期間,中科院大連化學物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所 、清華大學等國內十幾個單位進行了與SOFC的有關研究。到90年代中期,由于國家科技部與中科院將燃料電池技術列入"九五"科技攻關計劃的推動,中國進入了燃料電池研究的第二個高潮。質子交換膜燃料電池被列為重點,以大連化學物理研究所為牽頭單位,在中國全面開展了質子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統的研究,并組裝了多臺百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW電池組與電池系統。5kW電池組包括內增濕部分其重量比功率為100W/kg,體積比功率為300W/L。  

        我國科學工作者在燃料電池基礎研究和單項技術方面取得了不少進展,積累了一定經驗。但是,由于多年來在燃料電池研究方面投入資金數量很少,就燃料電池技術的總體水平來看,與發達國家尚有較大差距。我國有關部門和專家對燃料電池十分重視,1996年和1998年兩次在香山科學會議上對我國燃料電池技術的發展進行了專題討論,強調了自主研究與開發燃料電池系統的重要性和必要性。近幾年我國加強了在PEMFC方面的研究力度。  

        2000年大連化學物理研究所與中科院電工研究所已完成30kW車用用燃料電池的全部試驗工作。北京富原公司也宣布,2001年將提供40kW的中巴燃料電池,并接受訂貨??萍疾扛辈块L徐冠華一年前在EVS16 屆大會上宣布,中國將在 2000 年裝出*燃料電池電動車。我國燃料電池的研究工作已表明:1.中國的質子交換膜燃料電池已經達到可以裝車的技術水平;2.大連化學物理研究所的質子交換膜燃料電池是具有我國自主知識產權的高技術成果;3.在燃料電池研究方面我國可以與世界發達國家進行競爭,而且在*方面,我國可以并且有能力占有一定比例。  

        但是我國在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面還有較大的差距,目前仍處于研制階段。 

    此前參與燃料電池研究的有關概況如下:

    4.1. PEMFC的研究狀況

        我國早開展PEMFC研制工作的是長春應用化學研究所,該所于1990年在中科院扶持下開始研究PEMFC,工作主要集中在催化劑、電極的制備工藝和甲醇外重整器的研制,已制造出100W PEMFC樣機。1994年又開展直接甲醇質子交換膜燃料電池的研究工作。該所與美國CaseWesternReserve大學和俄羅斯氫能與等離子體研究所等建立了長期協作關系。  

        中國科學院大連化學物理所于1993年開展了PEMFC的研究,在電極工藝和電池結構方面做了許多工作,現已研制成工作面積為140cm2的單體電池,其輸出功率達0.35W /cm2。  
    清華大學核能技術設計院1993年開展了PEMFC的研究,研制的單體電池在0.7V時輸出電流密度為100mA/cm2,改進石棉集流板的加工工藝,并提出列管式PEMFC的設計,該單位已與德國Karlsrube研究中心建立了一定的協作關系。
        天津大學于1994年在國家自然科學基金會資助下開展了PEMFC的研究,主要研究催化劑和電極的制備工藝。  
        復旦大學在90年代初開始研制直接甲醇PEMFC,主要研究聚苯并咪唑膜的制備和電極制備工藝。  
        廈門大學近年來與香港大學和美國的CaseWesternReserve大學合作開展了直接甲醇PEMFC的研究。  
        1994年,上海大學與北京石油大學合作研究PEMFC("八五"攻關項目),主要研究催化劑、電極、電極膜集合體的制備工藝。  
        北京理工大學于1995年在兵器工業部資助下開始了PEMFC的研究,目前單體電池的電流密度為150mA/cm2。  
        中國科學院工程熱物理研究所于1994年開始研究PEMFC,主營使用計算傳熱和計算流體力學方法對各種供氣、增濕、排熱和排水方案進行比較,提出改進的傳熱和傳質方案。  
        天津電源研究所1997年開始PEMFC的研究,擬從國外引進1.5kW的電池,在解析吸收*技術的基礎上開展研究。  
        華南理工大學于1997年初在廣東省佛山基金資助下開展了PEMFC的研究,與國家科委電動車示范區建設相配合作了一定的研究工作。其天然氣催化轉化制一氧化碳和氫氣的技術現已申請國家發明專li。  
        中科院電工研究所近開展了電動車用PEMFC系統工程和運行模式研究,擬與有色金屬研究院合作研究PEMFC/光伏電池(制氫)互補發電系統和從國外引進PEMFC裝置。  
        1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進行PEMFC的研制與開發,5kW的PEMFC樣機現已研制成功并開始接受訂貨。 

    4.2. MCFC的研究簡況

        國內開展MCFC研究的單位不太多。哈爾濱電源成套設備研究所在80年代后期曾研究過MCFC,90年代初停止了這方面的研究工作。  

        1993年中國科學院大連化學物理研究所在中國科學院的資助下開始了MCFC的研究,自制LiAlO2微粉,用冷滾壓法和帶鑄法制備出MCFC用的隔膜,組裝了單體電池,其性能已達到80年代初的水平。  
        90年代初,中國科學院長春應用化學研究所也開始了MCFC的研究,在LiAlO2微粉的制備方法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽極材料等方面取得了很大進展。  
        北京科技大學于90年代初在國家自然科學基金會的資助下開展了MCFC的研究,主要研究電極材料與電解質的相互作用,提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。  
        中國科學院上海冶金研究所近年來也開始了MCFC的研究,主要著重于研究氧化鎳陰極與熔融鹽的相互作用。  
        1995年上海交通大學與長慶油田合作開始了MCFC的研究,目標是共同開發5kW~10kW的MCFC。  
        中國科學院電工研究所在"八五"期間,考察了國外MCFC示范電站的系統工程,調查了電站的運行情況,現已開展了MCFC電站系統工程關鍵技術的研究與開發。  

    4.3. SOFC的研究簡況

        早開展SOFC研究的是中國科學院上海硅酸鹽研究所他們在1971年就開展了SOFC的研究,主要側重于SOFC電極材料和電解質材料的研究。80年代在國家自然科學基金會的資助下又開始了SOFC的研究,系統研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽極材料、單體SOFC結構等,已初步掌握了濕化學法制備穩定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術。  

        吉林大學于1989年在吉林省青年科學基金資助下開始對SOFC的電解質、陽極和陰極材料等進行研究,組裝成單體電池,通過了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計委和國家計委450萬元人民幣的資助,先后研究了電極、電解質、密封和聯結材料等,單體電池開路電壓達1.18V,電流密度400mA/cm2,4個單體電池串聯的電池組能使收音機和錄音機正常工作。  

        1991年中國科學院化工冶金研究所在中國科學院資助下開展了SOFC的研究,從研制材料著手,制成了管式和平板式的單體電池,功率密度達0.09W/cm2~0.12W/cm2,電流密度為150mA/cm2~180mA/cm2,工作電壓為0.60V~0.65V。1994年該所從俄羅斯科學院烏拉爾分院電化學研究所引進了20W~30W塊狀疊層式SOFC電池組,電池壽命達1200h。他們在分析俄羅斯疊層式結構、美國Westinghouse的管式結構和德國Siemens板式結構的基礎上,設計了六面體式新型結構,該結構吸收了管式不密封的優點,電池間組合采用金屬氈柔性聯結,并可用常規陶瓷制備工藝制作。  

        中國科學技術大學于1982年開始從事固體電解質和混合導體的研究,于1992年在國家自然科學基金會和"863"計劃的資助下開始了中溫SOFC的研究。一種是用納米氧化鋯作電解質的SOFC,工作溫度約為450℃。另一種是用新型的質子導體作電解質的SOFC,已獲得接近理論電動勢的開路電壓和200mA/cm2的電流密度。此外,他們正在研究基于多孔陶瓷支撐體的新一代SOFC。  

        清華大學在90年代初開展了SOFC的研究,他們利用緩沖溶液法及低溫合成環境調和性新工藝成功地合成了固體電解質、空氣電極、燃料電極和中間聯結電極材料的超細粉,并開展了平板型SOFC成型和燒結技術的研究,取得了良好效果。  

        華南理工大學于1992年在國家自然科學基金會、廣東省自然科學基金、汕頭大學李嘉誠科研基金、廣東佛山基金共一百多萬元的資助下開始了SOFC的研究,組裝的管狀單體電池,用甲烷直接作燃料,大輸出功率為4mW/cm2,電流密度為17mA/cm2,連續運轉140h,電池性能無明顯衰減。  

        中國科學院山西煤炭化學研究所在1994年開始SOFC研究,用超細氧化鋯粉在1100℃下燒結制成穩定和致密的氧化鋯電解質。該所從80年代初開始煤氣化熱解的研究,以提供燃料電池的氣源。煤的灰熔聚氣化過程已進入工業性試驗階段,正在鎮江市建立工業示范裝置。該所還開展了使煤氣化熱解的煤氣在高溫下脫硫除塵和甲醇脫氫生產合成氣的研究,合成氣中CO和H2的比例為1∶2,已有成套裝置出售。  

        中國科學院大連化學物理所于1994年開展了SOFC的研究工作,在電極和電解質材料的研究上取得了可喜的進展。  

        中國科學院北京物理所于1995年在國家自然科學基金會的資助下,開展了用于SOFC的新型電解質和電極材料的基礎性研究。  

    5.國外燃料電池發展狀況

        發達國家都將大型燃料電池的開發作為重點研究項目,企業界也紛紛斥以巨資,從事燃料電池技術的研究與開發,現在已取得了許多重要成果,使得燃料電池即將取代傳統發電機及內燃機而廣泛應用于發電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應、電網調峰問題,2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發電設備已進入商業化生產,各等級的燃料電池發電廠相繼在一些發達國家建成。燃料電池的發展創新將如百年前內燃機技術突破取代人力造成工業革命,也像電腦的發明普及取代人力的運算繪圖及文書處理的電腦革命,又如網絡通訊的發展改變了人們生活習慣的信息革命。燃料電池的率、無污染、建設周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環保的綠色革命。如今,在北美、日本和歐洲,燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規模應用的階段,將成為21世紀繼火電、水電、核電后的第四代發電方式。燃料電池技術在國外的迅猛發展必須引起我們的足夠重視,現在它已是能源、電力行業不得不正視的課題。  

    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研發的影響,日本決定開發各種類型的燃料電池,PAFC作為大型節能發電技術由新能源產業技術開發機構(NEDO)進行開發。自1981年起,進行了1000kW現場型PAFC發電裝置的研究和開發。1986年又開展了200kW現場性發電裝置的開發,以適用于邊遠地區或商業用的PAFC發電裝置。  

        富士電機公司是目前日本大的PAFC電池堆供應商。截至1992年,該公司已向國內外供應了17套PAFC示范裝置,富士電機在1997年3月完成了分散型5MW設備的運行研究。作為現場用設備已有50kW、100kW及500kW總計88種設備投入使用。下表所示為富士電機公司已交貨的發電裝置運行情況,到1998年止有的已超過了目標壽命4萬小時。  

     

    表 現場用PAFC燃料電池的運行情況

    容量 臺數 累計運行時間 長累計 長連續 >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機是世界上大的燃料電池發電設備,從1989年開始在東京電力公司五井火電站內建造,1991年3月初發電成功后,直到1996年5月進行了5年多現場試驗,累計運行時間超過2萬小時,在額定運行情況下實現發電效率43.6%。在小型現場燃料電池領域,1990年東芝和美國IFC公司為使現場用燃料電池商業化,成立了ONSI公司,以后開始向*銷售現場型200kW設備"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,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業大獎。從燃料電池商業化出發,該設備被評價為具有高先進性、可靠性以及優越的環境性設備。它的制造成本是$3000/kW,近期將推出的商業化PC25D型設備成本會降至$1500/kW,體積比PC25C型減少1/4,質量僅為14t。明年即2001年,我國就將迎來座PC25C型燃料電池電站,它主要由日本的MITI(NEDO)資助的,這將是我國座燃料電池發電站。  

        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200kW PAFC的主要技術指標。初開發PAFC是為了控制發電廠的峰谷用電平衡,近來則側重于作為向公寓、購物中心、醫院、賓館等地方提供電和熱的現場集中電力系統。  

     

    表 ONSI公司PC25C型PAFC主要技術指標

    電力輸出 發電效率 燃料 質量 排熱利用 環境狀況NOX 體積 200kW 40% 城市煤氣 27.3t 42% 10×10-6   3×3×5.5 PAFC用于發電廠包括兩種情形:分散型發電廠,容量在10-20MW之間,安裝在配電站;中心電站型發電廠,容量在100MW以上,可以作為中等規模熱電廠。PAFC電廠比起一般電廠具有如下優點:即使在發電負荷比較低時,依然保持高的發電效率;由于采用模塊結構,現場安裝簡單,省時,并且電廠擴容容易。

    下圖為ONSI PC25C型電站:

     

    5.2.質子交換膜燃料電池(PEMFC)

        的加拿大Ballard公司在PEMFC技術上領xian,現在它的應用領域從交通工具到固定電站,其子公司Ballard Generation System被認為在開發、生產和市場化*質子交換膜燃料電池上處于世界地位。Ballard Generation System 初產品是250kW燃料電池電站,其基本構件是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)不燃燒地發電。Ballard公司正和世界許多公司合作以使Ballard Fuel Cell 商業化。Ballard Fuel Cell 已經用于固定發電廠:由Ballard Generation System,GPU International Inc.,Alstom SA 和 EBARA公司共同組建了Ballard Generation System,共同開發千瓦級以下的燃料電池發電廠。經過5年的開發,座250kW發電廠于1997年8月成功發電,1999年9月送至Indiana Cinergy,經過周密測試、評估,并提高了設計的性能、降低了成本,這導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場測試,緊接著,在2000年10月通過它的伙伴EBARA Ballard 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。在不同地區進行的測試將大大促進燃料電池電站的商業化。個早期商業化電廠將在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250kW PEMFC燃料電池電站:

        在美國,Plug Power公司是大的質子交換膜燃料電池開發公司,他們的目標是開發、制造適合于居民和汽車用經濟型燃料電池系統。1997年,Plug Power 模塊個成功地將汽油轉變為電力。近,Plug Power 公司開發出它的專li產品Plug Power 7000居民家用分散型電源系統。商業產品在2001年初推出。家用燃料電池的推出將使核電站、燃氣發電站面臨挑戰,為了推廣這種產品,1999年2月,Plug Power 公司和GE MicroGen成立了合資公司,產品改稱GE HomeGen 7000,由 GE MicroGen 公司負責推廣。此產品將提供7kW的持續電力。GE/Plug公司宣稱其2001年初售價為$1500/kW。他們預計5年后,大量生產的燃料電池售價將降至$500/kW。假設有20萬戶家庭各安裝一個7kW的家用燃料電池發電裝置,其總和將接近一個核電機組的容量,這種分散型發電系統可用于尖峰用電的供給,又因分散式系統設計增加了電力的穩定性,即使少數出現了故障,但整個發電系統依然能正常運轉。  

        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)、Volkswagen AG(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,克萊斯勒公司近給Ballard公司注入4億5千萬加元用于開發燃料電池汽車,大大的促進了PEMFC的發展。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,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計劃,雖然現在燃料電池汽車商業化的時機還未成熟,但幾家公司已確定了開始批量生產的時間表,Daimler-Benz公司宣布,到2004年將年產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,經過從80年代初到現在的近20年的發展,質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的電化學心臟,正是因為它的變化,才使得PEMFC呈現了今天的蓬勃生機。早期的膜電極是直接將鉑黑與起防水、粘結作用的Tefion微?;旌虾鬅釅旱劫|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Los Alamos 國家實驗室(LANL)提出了一種新方法,采用Nafion質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0.13 mg/cm2。1995年印度電化學能量研究中心(CEER)采用噴涂浸漬法制得了Pt載量為0.1 mg/cm2的膜電極,性能良好。據報道,現在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模民用發電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這之后,MCFC發展的非???,它在電池材料、工藝、結構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?,F在MCFC的主要研制者集中在美國、日本和西歐等國家。預計2002年將商品化生產。  

        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,1/3用于SOFC的開發。美國的MCFC技術開發一直主要由兩大公司承擔,ERC(Energy Research Corporation)(現為Fuel Cell Energy Inc.)和M-C Power公司。他們通過不同的方法建造MCFC堆。兩家公司都到了現場示范階段:ERC1996年已進行了一套設于加州圣克拉拉的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燃料電池在電池內部進行無燃氣的改質,而不需要單獨設置的改質器。根據試驗結果,ERC對電池進行了重新設計,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預計將以$1200/kW的設備費用提供3MW的裝置。這與小型燃氣渦輪發電裝置設備費用$1000/kW接近。但小型燃氣發電效率僅為30%,并且有廢氣排放和噪聲問題。與此同時,美國M-C Power 公司已在加州圣迭戈的海軍航空站進行了250kW裝置的試驗,現在計劃在同一地點試驗改進75kW裝置。M-C Power公司正在研制500kW模塊,計劃2002年開始生產。  

        日本對MCFC的研究,自1981年"月光計劃"時開始,1991年后轉為重點,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。日本同時研究內部轉化和外部轉化技術,1991年,30kW級間接內部轉化MCFC試運轉。1992年50-100kW級試運轉。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正在川越火力發電廠安裝,預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合作研制的內重整30kW MCFC 已運行了10000h。三洋公司也研制了30kW內重整MCFC。目前,石川島播磨重工有世界上大面積的MCFC燃料電池堆,試驗壽命已達13000h。日本為了促進MCFC的開發研究,于1987年成立了MCFC研究協會,負責燃料電池堆運轉、電廠外圍設備和系統技術等方面的研究,現在它已聯合了14個單位成為日本研究開發主力。  

        歐洲早在1989年就制定了1個Joule計劃,目標是建立環境污染小、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年已經開始,1989年已研制了1kW級電池堆,1992年對10kW級外部轉化型與1kW級內部轉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系統進行試運轉。意大利于1986年開始執行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MCFC技術的協議,已安裝一套單電池(面積1m2)自動化生產設備,年生產能力為2-3MW,可擴大到6-9MW。德國MBB公司于1992年完成10kW級外部轉化技術的研究開發,在ERC協助下,于1992年-1994年進行了100kW級與250kW級電池堆的制造與運轉試驗?,F在MBB公司擁有世界上大的280kW電池組體。  

        資料表明,MCFC與其他燃料電池比有著*優點: 

    a. 發電效率高 比PAFC的發電效率還高;
    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,也可與汽輪機聯合發電。若熱電聯產,效率可提高到80%;
    e. 中小規模經濟性 與幾種發電方式比較,當負載指數大于45%時,MCFC發電系統成本低。與PAFC相比,雖然MCFC起始投資高,但PAFC的燃料費遠比MCFC高。當發電系統為中小規模分散型時,MCFC的經濟性更為突出;
    f. MCFC的結構比PAFC簡單。

    5.4.固體氧化物燃料電池(SOFC)

        SOFC由用氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質和由多孔質給電子通電的燃料和空氣極構成??諝庵械难踉诳諝鈽O/電解質界面被氧化,在空氣燃料之間氧的分差作用下,在電解質中向燃料極側移動,在燃料極電解質界面和燃料中的氫或一氧化碳反應,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,此時產生電能。  

    SOFC的特點如下:

        由于是高溫動作(600-1000℃),通過設置底面循環,可以獲得超過60%效率的發電。  

        由于氧離子是在電解質中移動,所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。  

        由于電池本體的構成材料全部是固體,所以沒有電解質的蒸發、流淌。另外,燃料極空氣極也沒有腐蝕。動作溫度高,可以進行甲烷等內部改質。  

        與其他燃料電池比,發電系統簡單,可以期望從容量比較小的設備發展到大規模設備,具有廣泛用途。  

        在固定電站領域,SOFC明顯比PEMFC有優勢。SOFC很少需要對燃料處理,內部重整、內部熱集成、內部集合管使系統設計更為簡單,而且,SOFC與燃氣輪機及其他設備也很容易進行熱電聯產。下圖為西門子-西屋公司開發出的世界bi一臺SOFC和燃氣輪機混合發電站,它于2000年5月安裝在美國加州大學,功率220kW,發電效率58%。未來的SOFC/燃氣輪機發電效率將達到60-70%。  

        被稱為第三代燃料電池的SOFC正在積極的研制和開發中,它是正在興起的新型發電方式之一。美國是世界上早研究SOFC的國家,而美國的西屋電氣公司所起的作用尤為重要,現已成為在SOFC研究方面有的機構。  

        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內必須完成燃料的催化轉化與電化學反應兩個基礎過程,為SOFC的發展奠定了基礎。此后10年間,該公司與OCR機構協作,連接400個小圓筒型ZrO2-CaO電解質,試制100W電池,但此形式不便供大規模發電裝置應用。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研究得到蓬勃發展。西屋電氣公司將電化學氣相沉積技術應用于SOFC的電解質及電極薄膜制備過程,使電解質層厚度減至微米級,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發電機組,成功地進行連續運行試驗長達 5000h,標志著SOFC研究從實驗研究向商業發展。進入90年代DOE機構繼續投資給西屋電氣公司 6400余萬美元,旨在開發出高轉化率、2MW級的SOFC發電機組。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。該公司為荷蘭Utilies公司建造100kW管式SOFC系統,能量總利用率達到 75%,已經正式投入使用。目前,Siemens Westinghouse 宣布有兩座250kW SOFC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技術商業化的重要生產基地,這里擁有完整的SOFC電池構件加工、電池裝配和電池質量檢測等設備,是目前世界上規模大的SOFC技術研究開發中心。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,其中一套為熱電聯產裝置。另外美國阿爾貢國家實驗室也研究開發了疊層波紋板式SOFC電池堆,并開發出適合于這種結構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結構。 

        在日本,SOFC研究是"月光計劃"的一部分。早在1972年,電子綜合技術研究所就開始研究SOFC技術,后來加入"月光計劃"研究與開發行列,1986年研究出500W圓管式SOFC電池堆,并組成1.2kW發電裝置。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,電源開發公司與這兩家公司合作,開發出1kW圓管式SOFC電池堆,并連續試運行達1000h,大輸出功率為1.3kW。關西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機構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,取得了滿意的結果。從1989年起,東京煤氣公司還著手開發大面積平板式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?,FFuji與Sanyo公司開發的平板式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結構的SOFC發電裝置,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的商業化發展。德國的Siemens、Domier GmbH及ABB研究公司致力于開發千瓦級平板式SOFC發電裝置。Siemens公司還與荷蘭能源中心 (ECN)合作開發開板式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發電裝置,這種電池為金屬雙極性結構,在800℃下進行了實驗,效果良好?,F正考慮將其制成25~100kW級SOFC發電系統,供家庭或商業應用。 

    表 燃料電池的分類及技術比較

    燃料電池 電解質 工作溫度 電化學反應式 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 (Li、Na、K)2CO3 600-1000℃ 陽極:H2+CO32-→H2O+CO2+2e
    陰極:1/2O2+ CO2+2e→CO32-
    SOFC YSZ(用Y2O3穩定的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、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。我國規劃在2010年以前鋪設天然氣管線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。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公里的距離內運用管道輸送都是十經濟的。  

        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。  

        另外作為后續資源,我國已發現在南海、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正在研究其開采利用的技術。  

        半個世紀以來,世界大多數國家時早以完成了由煤炭時代向石油時代的轉換,正在向石油、天然氣時代過度。如1950年在世界能源結構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"。我國的能源工業也必將跟上世界能源消費潮流。  

        另外由于環保的需要和IGCC技術的推動,煤的大型氣化裝置技術已經過關。煤炭部門的有關專家介紹,目前的技術完全可以把煤轉換為氫氣,轉換效率可達80%,供給燃料電池作燃料,其效率要比常規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換成沼氣或人工煤氣或甲醇供分散的、小型的燃料電池使用。如廣東番禺正在建設使用養豬場沼氣的燃料電池電站。  

        我國在合成氨工業中,氫的年回收量可達到14億m3;在氯堿工業中有0.37億m3的氫可供回收利用。此外,在冶金工業、發酵制酒及丁醇溶劑廠等生產過程中都有大量氫可回收。上述各類工業副產氫的可回收總量,估計可達到15億m3以上。  

        從長遠發展看,小型、、靈活、分散的PEMFC、PAFC發電與集中高溫型MCFC和SOFC系統均是有燃料保證的。  

    7.燃料電池發電的經濟性

        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的國外商業價格為$1500/kW,PAFC的價格為$3000/kW。國內富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價格為10000元/kW。其他燃料電池國內暫無商業產品。  

        燃料電池發電與常規的火電投資比較不能單考慮電源投資,還應將長距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉換裝置的效率考慮在內。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。發電消耗的燃料為燃料電池的兩倍以上,按目前國內天然氣低市價(產地市價人民幣1元/m3)計算,當發電時間超過70000h以后,用燃料電池發電將比用傳統的熱機發電更經濟。在實際發電工程中還應考慮傳統的熱機發電占地面積大,環境污染重的問題。隨著燃料電池發電技術的不斷完善,造價將不斷的降低,特別是在規?;a后,其造價將大幅度的下降,有理由相信,不久的將來這種發電方式會對傳統熱機發電構成挑戰。  

        近上一些學者和組織認為:大容量、高參數機組發電,超高壓、大電網遠距離送電的集中供電是一些工業發達國家過去走過的道路。目前的情況正在發生變化,較分散的發電站的出現,再加上對改善能源投資的選擇,傳統的觀念變得過時了。1999年在布魯塞爾成立的熱電聯產(ICA)組織聲稱:"其實旨是推動世界范圍內的清潔、、分散的電力生產,它預言這是下一個世紀電力工業的方向" 。隨著小型分散的熱電廠、燃料電池發電、風力發電、太陽能發電、生物質能發電等的出現和增加,當今的電力系統將發生很大的轉變。超大型的電站與分散微型電站的結合可以減少在輸配電線路上的投資,會使得電力系統更安全更經濟。一個目前擁有50個發電廠的電力公司在未來若干年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連。這種電力網絡類似于目前的計算機網絡,少數的幾臺主機與眾多的PC機相連。這種電網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運行方式有一個重大的變革。  

        將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共存狀態。因為大電網有其優越性的同時,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%),同時也為電網調峰做出了貢獻。中小型分散式電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化。根據專家計算,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費用僅為建設高壓輸電線路的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已很發達的國家,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*的優越性。我國也將是這樣。  

    8.對電力系統的影響展望

        被稱為第四代發電方式的燃料電池,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)、容量可根據需要而定,所以受到了各方面的極大關注。各國家的政府都在這方面增加研發資金,推動其商業化的進程。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的重視。PAFC發電裝置已有數萬套進入賓館、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,發展MCFC和SOFC技術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發電效率高達55%~65%,而且還可提供余熱用于聯合循環發電,是一種優良的區域性供電電站。熱電聯供時,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系,頗類似于個人電腦與大型中心計算機的關系,二者互為補充。二十一世紀,這種區域性、環境友好的、的發電技術有可能發展成為一種主要的供電方式。  

        近日本提出2010年普及燃料電池的應用,并向發達歐美國家建議制定安全基準和通用規格。隨著其生產成本的降低,燃料電池也將在我國獲得快速的發展,它將對傳統的熱機發電構成有利的挑戰。展望其對電力系統的影響如下:  

    8.1 調峰能力增加

        應用氫氣做燃料PEMFC已經商業化,在國外容量為3kW、5kW、7kW等熱電聯用的燃料電池正在*地進入家庭,數百kW的燃料電池正在*地進入旅館、飯店商廈等場所。這些電力裝置同小型光伏發電裝置一樣可以獨立發電,也可與電力網相連。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器。據專家介紹,碳納米管儲氫技術已獲得突破,隨著其商業化的發展,實行家庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便,購一罐氫氣可以發電數月(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,打開氣閥就可以發電和供熱水。  

        可以使用天然氣、煤氣為燃料的MCFC、SOFC發電能力為數千kW發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,使城市的發電不再污染環境。成千上萬的燃料電池發電裝置服役,必將使得電網的調峰能力大大增強,常規的火電廠,由于存在有較大污染,因此讓其遠離城區帶基本負荷。在缺乏調峰手段和缺乏調峰電量的東北電網加大燃料電池的入網量,必將大大地提高未來電網的調峰能力。  

    8.2 節約配電網的建設費用

        我國有許多偏遠的山村和海島,遠離電網或處在電網的末端,用電量不大。從商業角度考慮,架設高電壓等級的線路是不合算的,但不架設又難以實現村村通電的目標。有了燃料電池,用當地生物質氣體為燃料,再配合當地的風能、太陽能等,就可以滿足當地的長期的電能需求。這樣可以使投資更加合理,又提高電網的經濟效益。  

    8.3 提高電網的安全性

        目前電網均采用高壓長距離輸電的方式使偏僻山區的水電和坑口、路口以及??谔幍幕痣娸斔偷截摵芍行牡貛?。中外近年多次電網事故證明,在地震、水災、暴風、冰雪、雷電等自然災害面前,這種系統往往是十分脆弱的。而星羅棋布的燃料電池加入到電網中供電,將會大大提高電網的安全性。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技術的突破、天然氣管線的鋪通和大型煤氣化技術的解決,屆時人們會看到,對于大規模的應用化石能源的電力系統來說,變長距離輸電為長距離輸氣,應用大中小相結合的各種燃料電池靠近負荷供電供熱會更經濟、更安全。  

    8.4 電網管理

        燃料電池發電將增加管理的復雜性。一是燃料電池發的均是直流電,需變頻后入網,如此將需要對諧波進行控制;二是價格管理,每一個小的系統與電網均有電量交換,需要進行合理的價格管理,這與其他新能源入網問題一樣(如太陽能、風能、生物質能發電),入網電量小,管理量不小。  

    9.結束語

        人類自從19世紀以來,經歷了三次能源結構革命。次能源革命發生在19世紀次產業革命以后,由于蒸汽機的大量應用,傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要,于是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主;第二次能源革命是在20世紀初開始的,當時不斷發展的電力、鋼鐵工業帶動了內燃機技術的推廣,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展和節能技術的發展。專家認為能源革命時間正在縮短,新的能源結構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境的矛盾日益尖銳、傳統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的份額(世界范圍內石油占總能源消費的36%,天然氣已占到23%),、潔凈、便捷的能源利用方式--燃料電池開始進入商業化階段。  

        我國的煤炭資源比較豐富,目前在我們的能源結構中約占72%。為了解決現代化巨大的電能需求與環境的尖銳矛盾,我國一方面加快了潔凈化用煤的技術(煤的整體氣化)發展,一方面在迅速地增大天然氣應用在能源中的比例。氣體能源的發展為燃料電池在我國廣泛應用創造了極好的條件。建議如下:  

        遼寧地區能源資源單一,從長遠看只能靠煤電解決本地區的電能需求。但是傳統電能轉換方式與本地的環境矛盾日益尖銳,發展使用氣體能源燃料電池發電可以很好地解決本地電能需求且不污染環境,也有利于解決本地十分棘手的電網調峰問題。燃料電池發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。應從現在起加強燃料電池發電的研究工作,立足于用高技術改造東北電網。  

        鑒于我國對電站用燃料電池的研究還比較落后,我們應走風力發電的路線,采用高起點起步,整機引進國外的燃料電池發電設備,可以先引進規模較小的電池堆。這樣可以使我們更快地掌握高技術,有利于燃料電池發電在我省更快的發展。  

        大連化學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條件,我國有大量的燃料電池所用的稀土資源。應很好地利用這一資源,在開發燃料電池應用市場的同時,參與燃料電池的生產,如同內蒙古和新疆風電產業一樣,既是產品的使用者也是生產者,搶占燃料電池這一高技術的制高點。
     

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