燃料電池
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於發電及汽車上。值得註意的是這種重要的新型發電方式可以大大降低空氣汙染及解決電力供應、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壹些發達國家建成。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。燃料電池的高效率、無汙染、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、核電後的第四代發電方式。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。 磷酸型燃料電池(PAFC) 燃料電池
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，以適用於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最大的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示範裝置，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。 東芝公司從70年代後半期開始，以分散型燃料電池為中心進行開發以後，將分散電源用11MW機以及200kW機形成了系列化。11MW機是世界上最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月初發電成功後，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，以後開始向全世界銷售現場型200kW設備"PC25"系列。PC25系列燃料電池從1991年末運行，到1998年4月，***向世界銷售了174臺。其中安裝在美國某公司的壹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，在中國就將迎來第壹座PC25C型燃料電池電站，它主要由日本的MITI（NEDO）資助的，這將是我國第壹座燃料電池發電站。 PAFC作為壹種中低溫型（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200kWPAFC的主要技術指標。最初開發PAFC是為了控制發電廠的峰谷用電平衡，近來則側重於作為向公寓、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。 PAFC用於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電廠比起壹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；由於采用模塊結構，現場安裝簡單，省時，並且電廠擴容容易。 質子交換膜燃料電池(PEMFC) 著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技術上全球領先，現在它的應用領域從交通工具到固定電站，其子公司BallardGenerationSystem被認為在開發、生產和市場化零排放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位。BallardGenerationSystem最初產品是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公司正和世界許多著名公司合作以使BallardFuelCell商業化。BallardFuelCell已經用於固定發電廠：由BallardGenerationSystem，GPUInternationalInc.，AlstomSA和EBARA公司***同組建了BallardGenerationSystem，***同開發千瓦級以下的燃料電池發電廠。經過5年的開發，第壹座250kW發電廠於1997年8月成功發電，1999年9月送至IndianaCinergy，經過周密測試、評估，並提高了設計的性能、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，也是在歐洲的第壹次測試。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月通過它的夥伴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。在不同地區進行的測試將大大促進燃料電池電站的商業化。第壹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。 圖是安裝在柏林的250kW PEMFC燃料電池電站： 在美國，PlugPower公司是最大的質子交換膜燃料電池開發公司，他們的目標是開發、制造適合於居民和汽車用經濟型燃料電池系統。1997年，PlugPower模塊第壹個成功地將汽油轉變為電力。最近，PlugPower公司開發出它的專利產品PlugPower7000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，PlugPower公司和GEMicroGen成立了合資公司，產品改稱GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司負責全球推廣。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年後，大量生產的燃料電池售價將降至$500/kW。假設有20萬戶家庭各安裝壹個7kW的家用燃料電池發電裝置，其總和將接近壹個核電機組的容量，這種分散型發電系統可用於尖峰用電的供給，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)、VolkswagenAG(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，克萊斯勒公司最近給Ballard公司註入4億5千萬加元用於開發燃料電池汽車，大大的促進了PEMFC的發展。1997年，Toyota公司就制成了壹輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車，它由壹個25kW的燃料電池和輔助幹電池壹起提供了全部50kW的能量，最高時速可以達到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是壹種新型、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壹斑。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微粒混合後熱壓到質子交換膜上制得的。Pt載量高達10mg/cm2。後來，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年代中後期，美國LosAlamos國家實驗室（LANL）提出了壹種新方法，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載量進壹步降低到0.13mg/cm2。1995年印度電化學能量研究中心（CEER）采用噴塗浸漬法制得了Pt載量為0.1mg/cm2的膜電極，性能良好。據報道，現在LANL試驗的壹些單電池中，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。 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 50年代初，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於其可以作為大規模民用發電裝置的前景而引起了世界範圍的重視。在這之後，MCFC發展的非常快，它在電池材料、工藝、結構等方面都得到了很大的改進，但電池的工作壽命並不理想。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。現在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將用於MCFC的開發，1/3用於SOFC的開發。美國的MCFC技術開發壹直主要由兩大公司承擔，ERC（EnergyResearchCorporation）（現為FuelCellEnergyInc.）和M-CPower公司。他們通過不同的方法建造MCFC堆。兩家公司都到了現場示範階段：ERC1996年已進行了壹套設於加州聖克拉拉的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%，並且有廢氣排放和噪聲問題。與此同時，美國M-CPower公司已在加州聖叠戈的海軍航空站進行了250kW裝置的試驗，現在計劃在同壹地點試驗改進75kW裝置。M-CPower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年後轉為重點，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，專門用於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，熱電效率大於45%，運行壽命大於5000h。由三菱電機與美國ERC合作研制的內重整30kWMCFC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最大面積的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，於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，目標是建立環境汙染小、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。意大利於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，已安裝壹套單電池（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公司於1992年完成10kW級外部轉化技術的研究開發，在ERC協助下，於1992年-1994年進行了100kW級與250kW級電池堆的制造與運轉試驗。現在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特優點： 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．由於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，當負載指數大於45%時，MCFC發電系統成本最低。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。 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。空氣中的氧在空氣極/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壹氧化碳反應，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： 由於是高溫動作（600-1000℃），通過設置底面循環，可以獲得超過60%效率的高效發電。 由於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。 由於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。l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高效熱電聯產。下圖為西門子-西屋公司開發出的世界第壹臺SOFC和燃氣輪機混合發電站，它於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壹。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，現已成為在SOFC研究方面最有權威的機構。 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，並指出烴類燃料在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。此後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年代後，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沈積技術應用於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的研究嶄新的壹頁。80年代中後期，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，標誌著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，SiemensWestinghouse宣布有兩座250kWSOFC示範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示範電廠，它可以提供110kW的電力和64kW的熱，發電效率達到46%，運行14000h。 燃料電池 編輯本段評估
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。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幹線，即薩哈林島--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），便於運輸，在3000公裏的距離內運用管道輸送都是十經濟的。 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***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"。中國的能源工業也必將跟上世界能源消費潮流。 另外由於環保的需要和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。
編輯本段經濟性
燃料電池是壹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的中國國外商業價格為$1500/kW，PAFC的價格為$3000/kW。中國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，按目前在中國天然氣最低市價（產地市價人民幣1元/m3）計算，當發電時間超過70000h以後，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，環境汙染重的問題。隨著燃料電池發電技術的不斷完善，造價將不斷的降低，特別是在規模化生產後，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。
編輯本段展望
中國稀土資源豐富，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%，而且還可提供優質余熱用於聯合循環發電，是壹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，頗類似於個人電腦與大型中心計算機的關系，二者互為補充。二十壹世紀，這種區域性、環境友好的、高效的發電技術有可能發展成為壹種主要的供電方式。 最近日本提出2010年普及燃料電池的應用，並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：
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源源不斷地進入家庭，數百kW的燃料電池正在源源不斷地進入旅館、飯店商廈等場所。這些電力裝置同小型光伏發電裝置壹樣可以獨立發電，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竈與煤氣罐配合使用壹樣方便，購壹罐氫氣可以發電數月（3kg氫氣能量可以使壹般轎車行駛500km）。在有煤
節約配電網的建設費用
中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。
提高電網的安全性
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、路口以及海口處的火電輸送到負荷中心地帶。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壹定的支承作用，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，對於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。
電網管理
燃料電池發電將增加管理的復雜性。壹是燃料電池發的均是直流電，需變頻後入網，如此將需要對諧波進行控制；二是價格管理，每壹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壹樣（如太陽能、風能、生物質能發電），入網電量小，管理量不小。