燃料電池及其發(fā)展前景

作者: Raymond George Klaus Hassmann
【摘要】燃料電池具有非同尋常的性能： 電效率可達(dá)60％以上，而且可以在帶著部分負(fù)荷運(yùn)行的情況下進(jìn)行維修，除了有低比率碳氧化物排放外幾乎沒有任何有害的排放物。文章介紹按溫度劃分的4種主要燃料電池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重點(diǎn)介紹高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)的應(yīng)用及其發(fā)展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market．
燃料電池是通過由電解液分隔開的2個(gè)電極中間的燃料(如天然氣、甲醇或純凈氫氣)的化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生出電能。與汽輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的電能相比，燃料電池具有非同尋常的特性：它的電效率可達(dá)60％以上，可以在帶部分負(fù)荷運(yùn)行的情況下進(jìn)行維修，而且除了排放低比率碳氧化物外，幾乎沒有任何其他的有害排放物。
1 燃料電池的分類
    目前研制的燃料電池技術(shù)在運(yùn)行溫度上有不同的類型，從比室溫略高直到高達(dá)1000℃的范
圍。大多數(shù)工業(yè)集團(tuán)公司的注意力集中在以下4種主要類型上：
(1)運(yùn)行溫度在60-80℃之間的聚合物電解液隔膜型燃料電池(PEMFC)；
(2)運(yùn)行溫度在160-220℃之間的磷酸類燃料電池(PAFC)；
(3)運(yùn)行溫度在620-660℃之間的熔融碳酸鹽類燃料電池(MCFC)；
(4)運(yùn)行溫度在880-1000℃之間的固體氧化物燃料電池(SOFC)。
    可以將這些類型的燃料電池劃分為低溫型(100℃及以下)、中溫型(約200℃左右)及高溫型
(600-l000℃)燃料電池。
    表1簡(jiǎn)要地列出了各種類型燃料電池的性能。中溫型和高溫型燃料電池適于用在靜止式裝置上，而低溫型燃料電池對(duì)于靜止裝置和移動(dòng)式裝置都適用。
    實(shí)用裝置的功率容量差別也很大，可以給筆記本電腦及移動(dòng)電話供電(數(shù)以W計(jì))，也可以給居民住宅(數(shù)kW)或是分散的電熱設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備(數(shù)百KW到數(shù)MW)供電。
    最適于用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車的是低溫型燃料電池。
    根據(jù)使用期限成本進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果表明，就發(fā)電成本而言，SOFC型燃料電池要PEM型低30％。這個(gè)結(jié)果是根據(jù)SOFC型燃料電池的電效率比PEM型的高，這2種燃料電池最終都可以達(dá)到l000美元／KW的投資成本這一假設(shè)條件而推導(dǎo)出來(lái)的。 
2 高溫燃科電池 
    高溫型燃料電池具有許多適于在靜止式裝置上使用的特性。但是在高溫型燃料電池產(chǎn)生出電能之前需要較長(zhǎng)的加熱過程，因而這種技術(shù)不能應(yīng)用于要求在短時(shí)間內(nèi)頻繁起動(dòng)的各種實(shí)用裝置。此外，高溫型燃料電池還具有以下特點(diǎn)：
    (1)不需要使用貴金屬來(lái)催化電化學(xué)反應(yīng)。一般情況下使用陶瓷材料。
    (2)對(duì)CO完全沒有限制。CO參加到電化學(xué)反應(yīng)過程并像H₂一樣被氧化。
    (3)對(duì)燃料表現(xiàn)出高度靈活性。可以給這類燃料電池發(fā)電設(shè)備供應(yīng)天然氣，天然氣在設(shè)備內(nèi)部被轉(zhuǎn)換成H₂和CO。這意味著無(wú)需任何外部燃料，從而大大簡(jiǎn)化了發(fā)電設(shè)備的平衡問題。
    (4)高溫可以將燃?xì)廨啓C(jī)連接到該系統(tǒng)上，在這種情況下，燃料電池發(fā)電設(shè)備是在300kPa壓力下運(yùn)行，并在不考慮燃?xì)廨啓C(jī)輸出的情況下將燃料電池的功率密度提高約20％，因此使總的電效率提高10％，可成倍地降低使用期限成本。
    (5)較高的運(yùn)行溫度也為排熱提供了更多的靈活性。在電效率達(dá)60％或更高水平的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中可限制廢熱排放，而在單循環(huán)下則會(huì)排放出更多的熱量。
    MCFC和SOFC是這類高溫型燃料電池的2種技術(shù)。它們使用的材料不同。MCFC是在一只陶瓷容器中放入液態(tài)的金屬碳酸鹽作為電解液，如果沒有采取防止電極老化的措施，燃料電他的使用壽命會(huì)受到影響。
    在MCFC中電化學(xué)反應(yīng)是由CO₃離子引發(fā)的。MCFC采用的是頰型電池，和SOFC型的管形設(shè)計(jì)方案相比，這種頰型電他的功率密度要稍微高一些。這在成本上要比SOFC型裝置優(yōu)越。但在另一方面，由于SOFC所用的陶瓷材料非常穩(wěn)定，可以用在950-1000℃范圍內(nèi)，所以SOFC裝置在抗老化性能上更具優(yōu)越性。到目前為止，所有的長(zhǎng)期電池試驗(yàn)和正在運(yùn)行的試驗(yàn)性機(jī)組都表明
SOFC型裝置的使用壽命可以達(dá)到70 000-80 000h，是MCFC型的2倍。
    MCFC和SOFC 2種技術(shù)在進(jìn)行100-250kW功率范圍的單循環(huán)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，成本都有大幅度的下降。目前在MCFC開發(fā)上占有主導(dǎo)地位的是美國(guó)的Fuel Cell Energy公司及其在德國(guó)的授權(quán)單
位MTU，日本的Ishikawajima-Harima重工(IHI)和三菱公司等。而Siemens Westinghouse在SOFC開發(fā)上處于領(lǐng)先水平。
3 中溫型燃料電池
    目前磷酸類燃料電池(PAFC)是具有最先進(jìn)技術(shù)的燃料電池。80年代，IFC(國(guó)際燃料電池公司)決定對(duì)其前期商業(yè)化生產(chǎn)線進(jìn)行投資，制造和銷售200kW的PAFC裝置，并將其投入市場(chǎng)。東芝公司在80年代末就已經(jīng)努力使PAFC技術(shù)進(jìn)入商用市場(chǎng)。從此，PAFC技術(shù)就一直在靜止燃料電池的市場(chǎng)中占據(jù)著顯赫的位置。迄今為止，全球已經(jīng)安裝了150多套PAFC燃料電池裝置。
    研究表明，這種燃料電池未能實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)商業(yè)化的原因大致有以下幾方面：
   (1)電效率最高為40％，超過維修期限后會(huì)降到35％甚至更低水平。通常情況下設(shè)備的使用期限不超過20 000運(yùn)行h。
   (2)有些試驗(yàn)性的設(shè)備(如東芝公司管理的1套11MW設(shè)備未能達(dá)到頂期的性能水平。
   (3)美國(guó)和日本政府大幅度削縮用于PAFC技術(shù)研

究和開發(fā)的投資。
   (4)從迄今積累的經(jīng)驗(yàn)及在改善設(shè)計(jì)參數(shù)和降低產(chǎn)品成本方面的潛力來(lái)看，讓PAFC技術(shù)成功
地躋身于當(dāng)今的市場(chǎng)中的可能性是極低的。
4 SOFC在配電市場(chǎng)方面的潛力
    Siemens Westinghouse公司根據(jù)對(duì)市場(chǎng)的分析，決定采取必要的措施加快SOFC技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)的步伐。預(yù)計(jì)在2003-2004年提供第l批產(chǎn)品，進(jìn)入商業(yè)性生產(chǎn)前的試驗(yàn)階段，裝置容量從目前的2MW擴(kuò)大到15MW。
    北美和歐洲被認(rèn)為是SOFC燃料電池技術(shù)最有希望的市場(chǎng)。Hagler Bailly公司和西門子公司對(duì)功率范圍為250 kW-l MW的市場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明到2005年SOFC燃料電池的市場(chǎng)容量
為每年10000MW。北美和歐洲幾乎各占50％�？紤]到北美洲用戶的結(jié)構(gòu)和他們的需求，在北美洲各類小型發(fā)電機(jī)組的總?cè)萘吭?010年可能達(dá)到每年約1000MW，其中600MW可能是燃料電池發(fā)電裝置。在各種類型的燃料電池中，SOFC的市場(chǎng)份額約占40％，到2010年在北美洲SOFC的全年銷售額將達(dá)到2.4億美元。
    在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的配電市場(chǎng)中的另一個(gè)獲勝者是微型燃?xì)廨啓C(jī)，主要是作為備用電源或輔助電源。由于SOFC和微型燃?xì)廨啓C(jī)的特性適于不同的應(yīng)用場(chǎng)所，SOFC效率高但投資成本也高，
而微型燃?xì)廨啓C(jī)成本低但效率也低，因而這2種技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)。而往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)逐漸失去其在市場(chǎng)中的份額。
    歐洲電網(wǎng)要比北美洲電網(wǎng)強(qiáng)大得多，歐洲電網(wǎng)強(qiáng)化了集中的大型發(fā)電廠的作用。因此在北美洲經(jīng)常出現(xiàn)的分散式電熱設(shè)備和動(dòng)力裝置的供電質(zhì)量和供電可靠性問題在歐洲是不突出的。但另一方面，在歐洲對(duì)能量?jī)?chǔ)存更為敏感。
    此外，一些國(guó)家政府將頒布新的規(guī)程和法律及新的能源價(jià)格，預(yù)計(jì)歐洲各國(guó)之間市場(chǎng)份額會(huì)有重大差異。在有些情況下這個(gè)過程會(huì)給SOFC用于配電裝置起到一定的促進(jìn)作用。此外，歐洲的自由化近程落后于北美洲。因此，市場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)有很大程度的不確定性。
5 SOFC技術(shù)應(yīng)用的擴(kuò)展
   使用天然氣作為燃料的SOFC是車載式裝置，其擴(kuò)展應(yīng)用可有以下幾種形式：
(1)家庭應(yīng)用：新一代燃料電池將是扁平管型的，其功率密度是目前所用圓柱型燃料電池技術(shù)
的2倍，因而將制造出5kW的燃料電池裝置。這種設(shè)計(jì)方案是可行的，在配電市場(chǎng)中可以替代
圓柱型燃料電池。
(2)l0MW以上的系統(tǒng)裝置：很顯然，只要SOFC技術(shù)占有了功率范圍在250-10MW的市場(chǎng)，那么下一步最必然的是要爭(zhēng)取占有l(wèi)0MW以上更大規(guī)模發(fā)電設(shè)備的市場(chǎng)。通過把更多SOFC鏈接起來(lái)便能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，也滿足了高效率低成本的要求。20MW級(jí)規(guī)模燃料電池的電效率已經(jīng)接近甚至超過70％。
(3)用液態(tài)燃料運(yùn)行：使用天然氣作為燃料將SOFC的應(yīng)用局限在靠近天然氣供氣網(wǎng)的區(qū)域內(nèi)，從而使這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用受到限制。因此存在著讓SOFC使用液態(tài)燃料的迫切要求。因此，應(yīng)與大型石油公司合作進(jìn)行該課題的研究開發(fā)，選擇一種適宜的液體燃料并設(shè)計(jì)出最適于使用這種新燃料的SOFC發(fā)電裝置，以便為邊遠(yuǎn)的用戶服務(wù)。 
(4)C0₂的分離：Shell公司和 Siemens Westinghouse公司正在共同研制一種能將CO₂從完全反應(yīng)后的燃料中分離的SOFC設(shè)飛方案。例如，當(dāng)把其裝在用于回收油的平臺(tái)上時(shí)，可以把CO₂用泵壓到地下儲(chǔ)層中，這不但可省去CO₂的排放稅，還可提高原油的產(chǎn)出量。
 (5)綜合性應(yīng)用：CO₂分離裝置可能是點(diǎn)火的火花裝置，它使得SOFC在一種封閉且可再生的能量循環(huán)中成為關(guān)鍵性部件。經(jīng)過-段時(shí)間，SOFC能產(chǎn)生出熱量和電力，例如用于大型暖房的設(shè)施中，SOFC裝置產(chǎn)生的C0₂可用來(lái)加快植物的生長(zhǎng)。而任何一種農(nóng)作物收獲后的剩余有機(jī)物都可以轉(zhuǎn)化為氣體供給SOFC作燃料。 
 

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