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探討在我國電力系統(tǒng)發(fā)展燃料電池發(fā)電的技術(shù)路線
作者: 許世森(國家電力公司熱工研究院)【摘要】本文介紹了燃料電池發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)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(jì)劃和市場(chǎng)預(yù)測(cè)，總結(jié)了國外發(fā)展燃料電池的經(jīng)驗(yàn)。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(dá)到50％一70％，被譽(yù)為二十一世紀(jì)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(jìn)入商業(yè)化，其它幾種燃料電池預(yù)計(jì)在2005年一2010年200KW一將全面進(jìn)入商業(yè)此。對(duì)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(diǎn)和應(yīng)用形式
1．1 技術(shù)特點(diǎn)
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(huì)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(diǎn)：
(1)理論發(fā)電效率高，發(fā)展?jié)摿Υ�。燃料電池本體的發(fā)電效率可達(dá)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(dá)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(jī)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。
(6)變負(fù)荷率高。變負(fù)荷率可達(dá)到(8％一lO％)／min，負(fù)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(kuò)容和增容容易，建廠時(shí)間短。
(9)占地面積小，占地面積小于lm2／KW。
(10)自動(dòng)化程度高，可實(shí)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(jì)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(jià)格和壽命問題。
2．1 燃料電池的應(yīng)用形式
(1)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)用燃料電池大，約(2-20)MW。
(3)基本負(fù)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(dòng)電源、便攜式電源、航空電源、應(yīng)急電源和計(jì)算機(jī)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(dá)到60%-75%(LHV)，這一目標(biāo)將在2005年左右實(shí)現(xiàn)。預(yù)計(jì)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(dá)到62％以上。以燃料電池組成的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的總熱效率可達(dá)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(dá)到(O．139一 0．236)kg／MW·h以下，遠(yuǎn)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(jìn)入燃料電池之前必須經(jīng)過嚴(yán)格的凈化處理，碳?xì)浠衔镆脖仨氈卣蓺錃夂虲O， 因此，尾氣中S02、碳?xì)浠衔锖凸虘B(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(jī)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(diǎn)，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(jī)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(dāng)甚至更高的發(fā)電效率。作為備用電源的柴油發(fā)電
機(jī)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(dòng)快、變負(fù)荷能力強(qiáng)，是很好的備用電源�，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)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(tái)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(zhǎng)期不能恢復(fù)供電，給社會(huì)和經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失。北約轟炸南聯(lián)盟，使電力系統(tǒng)嚴(yán)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(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)，供電的可靠性將會(huì)大大提高。
對(duì)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(duì)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(yán)重、電壓波動(dòng)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(huì)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(duì)于邊遠(yuǎn)地區(qū)，負(fù)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(duì)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(dòng)電源，適合于各種建設(shè)工地、野外作業(yè)和臨時(shí)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(dòng)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(yán)重，掌握清潔高效發(fā)電的高新技術(shù)對(duì)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(diǎn)，以及發(fā)達(dá)國家竟相投入巨資研究開發(fā)的行動(dòng)，足以說明燃料電池發(fā)電技術(shù)在21世紀(jì)會(huì)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(qiáng)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(shí)施，其中一個(gè)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(jì)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(dān)者和推動(dòng)者，其目的也是為電力公司注入新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
國家電力公司處在完成“兩型”、“兩化”、 “進(jìn)入世界500強(qiáng)”的歷史時(shí)刻，恰逢黨中央國務(wù)院號(hào)召全國各行業(yè)“加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展高科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的有利時(shí)機(jī)，在國家電力公司內(nèi)不失時(shí)機(jī)地進(jìn)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(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新的技術(shù)路線，以高起點(diǎn)，在盡可能短的時(shí)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(duì)國家電力公司進(jìn)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(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)、提高國際競(jìng)爭(zhēng)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(huì)有很大市場(chǎng)。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?xì)庖徽羝?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(jí)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(shí)，利用電解水制氫，低出力時(shí)用燃料電池發(fā)電，達(dá)到既儲(chǔ)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(duì)一些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)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(jìn)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(jī)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(yàn)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(jìn)，不但會(huì)受制于人，還將付出更大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，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(diǎn)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下的迫切要求
分散式電源作為大電網(wǎng)的有效補(bǔ)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(shì)。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(chǎng)潛力巨大。
倘若電力系統(tǒng)不及時(shí)進(jìn)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(chǎng)。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，國電公司既是用戶，又是開發(fā)者。對(duì)于燃料電池這樣重要的發(fā)電高新技術(shù)，應(yīng)不失時(shí)機(jī)地著手研究開發(fā)，聯(lián)合國內(nèi)一些基礎(chǔ)研究單位，爭(zhēng)取納入國家的攻關(guān)計(jì)劃，獲得國家支持，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，形成燃料電池發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)的優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)的不同需求。
3 國外燃料電池發(fā)展計(jì)劃及商業(yè)化的預(yù)測(cè)
研究美、日、歐洲等國家和地區(qū)燃料電池的發(fā)展進(jìn)程及商業(yè)化的預(yù)測(cè)，對(duì)我們制定燃料電池的發(fā)展戰(zhàn)略和預(yù)測(cè)應(yīng)用前景會(huì)有一定的參考價(jià)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(jì)劃
1997年，美國總統(tǒng)克林頓頒發(fā)了"改善氣候行動(dòng)計(jì)劃”， 燃料電池被確定為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，聯(lián)邦政府為此制定了一項(xiàng)“美國聯(lián)邦燃料電池發(fā)展計(jì)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(xiàng)計(jì)劃中，對(duì)每一個(gè)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(tái)200kw PAFC發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行。
美國政府鼓勵(lì)在一些對(duì)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(jī)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(gè)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(jì)注入新的活力，提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)。
美國DOE的燃料電池發(fā)展計(jì)劃如下：
PAFC己商業(yè)化，不再投入資金進(jìn)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2MW MCFC的現(xiàn)場(chǎng)示范，預(yù)計(jì)2002年進(jìn)行20MW的示范；2003年左右，使250KW和MW級(jí)MCFC達(dá)到商業(yè)化；2010年，燃用天然氣的250KW一20MW MCFC分散電源達(dá)到商業(yè)化，100MW以上MCFC的中心電站也進(jìn)入商業(yè)化; 2020年，100MW以上燃煤MCFC中心發(fā)電站進(jìn)入商業(yè)化。MCFC技術(shù)目標(biāo)是運(yùn)行溫度為650℃，發(fā)電效率達(dá)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(dá)到85%(LHV)以上。
目前，己完成25kw和100kw SOFC現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，正在進(jìn)行SOFC的商業(yè)化設(shè)計(jì)。預(yù)計(jì)2002年左右，進(jìn)行MW級(jí)SOFC示范；2003年左右，100kw一1MW SOFC進(jìn)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(jìn)入商業(yè)化，100MW以上燃用天然氣的SOFC以中心電站形式進(jìn)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(jìn)入商業(yè)化。SOFC技術(shù)目標(biāo)是：運(yùn)行溫度為1000℃，發(fā)電效率達(dá)到62％(LHV)，組成聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率達(dá)到72％(LHV)，熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率達(dá)到85%(LHV)以上，燃煤時(shí)發(fā)電效率可達(dá)到65％(LHV)，這一目標(biāo)預(yù)計(jì)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(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。Plug Power公司與GE合作，計(jì)劃2001年使10kw PEFC進(jìn)入商業(yè)化，價(jià)格達(dá)到S750-1000／kw，大批量生產(chǎn)后，使PEFC的價(jià)格達(dá)到$350／kw。
(2)市場(chǎng)預(yù)測(cè)
美國能源部(DOE)對(duì)美國潛在的燃料電池市場(chǎng)的預(yù)測(cè)認(rèn)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�，F(xiàn)在美國的燃料電池年生產(chǎn)能力為60MW，商業(yè)化的價(jià)格為$2000一$3000／kw，若年生產(chǎn)能力達(dá)到100MW／a，商業(yè)化的價(jià)格則可達(dá)到$l000-$1500/Kw。 若能達(dá)到(2000-4000)MW／a的生產(chǎn)能力，燃料電池的原材料費(fèi)僅$200一$300／kw。那么燃料電池的價(jià)格則有可能達(dá)到$900-$l100／kw，此時(shí)可完全與常規(guī)的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)。
3．2 日本燃料電池發(fā)電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程及應(yīng)用前景預(yù)測(cè)
(1)發(fā)展進(jìn)程
日本在PAFC研究方面，走的是一條引進(jìn)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(jìn)兩臺(tái)PAFC燃料電池發(fā)電機(jī)組，大阪煤氣公司也在1973年引進(jìn)兩臺(tái)PAFC機(jī)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(jì)劃”，燃料電池發(fā)電是其中一項(xiàng)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(jī)制造)和11MW(東芝與IFC 合制)均在日本投運(yùn)，日本公司制造的PAFC機(jī)組已運(yùn)行了近100多臺(tái)。
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10kw MCFC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(yùn)行。MCFC已被列為日本“新陽光計(jì)劃”的一個(gè)重點(diǎn)，目標(biāo)
是2000年一2010年，實(shí)現(xiàn)燃用天然氣的10MW一50MW分布式MCFC發(fā)電機(jī)組的商業(yè)化，并進(jìn)行100MW以上燃用天然氣的MCFC聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的示范，2010年后，實(shí)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(jì)劃”開始研究的，立足于自主開發(fā)。1989年一1991年，開發(fā)出l00W一400W SOFC電池堆，1992年一1997年開發(fā)出l0kw平板型SOFC。SOFC的研究進(jìn)展也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于NEDO原來的計(jì)劃。 “新陽光計(jì)劃”中預(yù)計(jì)2000年一2010年，使SOFC達(dá)到MW級(jí)，并形成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。日本的PEFC也被列入“新陽光計(jì)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(jì)劃”和“新陽光計(jì)劃”中，先后資助了3臺(tái)200kw、2臺(tái)lMW和l臺(tái)5MW的PAFC；1臺(tái)100kw和1臺(tái)1MW的MCFC示范電站研究開發(fā)、建設(shè)及運(yùn)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(shí)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(tái)燃料電池機(jī)組，裝機(jī)容量達(dá)到20.1MW，燃料電池及 電廠的費(fèi)用主要由業(yè)主承擔(dān)，但是制造商和政府也各承擔(dān)一部分。這種政府和企業(yè)聯(lián)合研 究開發(fā)的方式促進(jìn)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(shí)，其工程計(jì)劃僅須申報(bào)即可動(dòng)工。對(duì)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(jiǎn)化。在醫(yī)院、旅館、辦公大樓等安裝的燃料電池發(fā)電機(jī)組，政府提供的經(jīng)費(fèi)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(duì)裝設(shè)于電力公司或自備發(fā)電用的燃料電池項(xiàng)目，日本開發(fā)銀行將提供投資額40％的低息貸款。
(3)市場(chǎng)預(yù)測(cè)
1990年，日本通產(chǎn)省發(fā)表了“長(zhǎng)期電源供需展望”報(bào)告，預(yù)計(jì)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(dá)到實(shí)用化；發(fā)電效率達(dá)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(jìn)展速度低于預(yù)期值，因此日本目前已將原目標(biāo)做了修正，預(yù)計(jì)2000年燃料電池裝機(jī)容量將達(dá)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(dá)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(jìn)程
目前，歐洲的燃料電池發(fā)電技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)“歐洲燃料電池集團(tuán)(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l00kw MCFC電廠，1996年投運(yùn)。德國正在開發(fā)250kw MCFC。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(jìn)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(shí)，目前也將PEFC應(yīng)用于固定電站，已建成250kw PEFC示范電站，目標(biāo)是在近幾年內(nèi)使250kw級(jí)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)kw SOFC電池堆。韓國電力公司于1993年從日本購進(jìn)一座200kw PAFC進(jìn)行示范運(yùn)行。
3．4 國外發(fā)展燃料電池發(fā)電技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)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(yàn)。下面歸納幾點(diǎn)：
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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(cái)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(duì)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(jì)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。
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日本走的是一條通過與美國合作、引進(jìn)技術(shù)并消化吸收實(shí)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(yàn)也是政府對(duì)燃料電池給予高度重視，先后列入了“月光計(jì)劃”和“新陽光計(jì) 劃”，大力投入研究開發(fā)。另一條經(jīng)驗(yàn)是研究機(jī)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(tuán)，既承擔(dān)研究開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，也享受成功的優(yōu)惠。
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加拿大Ballard公司在PEFC方面成功的經(jīng)驗(yàn)告訴我們：只要堅(jiān)定不移地進(jìn)行研究開發(fā)，一個(gè)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。
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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(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國和日本。主要原因是政府和企業(yè)對(duì)燃料電池發(fā)電技術(shù)重視不夠。目前，歐洲已經(jīng)意識(shí)到這一點(diǎn)，成立了-個(gè)燃料電池發(fā)電技術(shù)集團(tuán)，引進(jìn)美國、日本的技術(shù)，并進(jìn)行研究開發(fā)。
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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(jià)格昂貴。電解質(zhì)的腐蝕嚴(yán)重，壽命較短，這些特點(diǎn)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(yùn)行，燃料氣和空氣的處理系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，加壓運(yùn)行時(shí)，可組成熱電聯(lián)產(chǎn)。但是，PAFC的發(fā)電效率目前僅能達(dá)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(huì)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(shí)。PAFC目前的技術(shù)已成熟，產(chǎn)品也進(jìn)入商業(yè)化，做為特殊用戶的分散式電源、現(xiàn)場(chǎng)可移動(dòng)電源和備用電源，PAFC還有市場(chǎng)，但用作大容量集中發(fā)電站比較困難。
(3)MCFC：在650℃一700℃運(yùn)行，可采用鎳做電催化劑，而不必使用貴重金屬：燃料可實(shí)現(xiàn)內(nèi)重整，使發(fā)電效率提高，系統(tǒng)簡(jiǎn)化；CO可直接用作燃料；余熱的溫度較高，可組成燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)，使發(fā)電容量和發(fā)電效率進(jìn)一步提高。與SOFC相比，MCFC的優(yōu)點(diǎn)是：操作溫度較低，可使用價(jià)格較低的金屬材料，電極、隔膜、雙極板的制造工藝簡(jiǎn)單，密封和組裝的技術(shù)難度相對(duì)較小，大容量化容易，造價(jià)較低。缺點(diǎn)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(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，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(dá)到2MW。從MCFC的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)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(zhǎng)(已達(dá)到70000小時(shí))。CO可做為燃料，使燃料電池以煤氣為燃料成為可能。SOFC的運(yùn)行溫度在1000℃左右，燃料可以在電池內(nèi)進(jìn)行重整。由于運(yùn)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(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，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(zhǎng)(可大于40000小時(shí))；但SOFC面臨技術(shù)難度較大，價(jià)格可能比MCFC高。示范業(yè)績(jī)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?xì)廨喗Y(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(jìn)一步得到體現(xiàn)。
(5)PEFC：PEPC的運(yùn)行溫度較低(約80℃)，它的啟動(dòng)時(shí)間很短，在幾分鐘內(nèi)可達(dá)到滿負(fù)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(duì)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(zhǎng)，運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。PEFC是理想的可移動(dòng)電源，是電動(dòng)汽車、潛艇、航天器等移動(dòng)工具電源的理想選擇之一。目前，在移動(dòng)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(chǎng)，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(diǎn)：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�；既能以天然氣為燃料，又具有以煤為燃料的可能性；技術(shù)的先進(jìn)性及商業(yè)化進(jìn)程；運(yùn)行的可靠性和壽命；降低造價(jià)的潛力；國內(nèi)的基礎(chǔ)。綜合考慮以上幾點(diǎn)，對(duì)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(diǎn)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?
（2）MCFC和SOFC各有特點(diǎn)，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(jìn)程，對(duì)于MCFC，應(yīng)走引進(jìn)、消化吸收、研究創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的技術(shù)路線，并盡快投入商業(yè)應(yīng)用：對(duì)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(dòng)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(shì)和的市場(chǎng)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(duì)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(xiàn)
[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(shí)施方案研究， 國家電力公司熱工研究院，1999．12
作者簡(jiǎn)介：
許世森，男，l965年10月出生。工學(xué)博士，高級(jí)工程師，研究室主任。長(zhǎng)期從事IGCC、 燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究，是國家電力公司研究燃料電池發(fā)電技術(shù)的技術(shù)路線和實(shí)施方案的技術(shù)負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)編寫國家電力公司燃料電池發(fā)展規(guī)劃。
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