燃料電池及其發(fā)展前景

【摘要】燃料電池具有非同尋常的性能： 電效率可達60％以上，而且可以在帶著(zhù)部分負荷運行的情況下進(jìn)行維修，除了有低比率碳氧化物排放外幾乎沒(méi)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(guò)由電解液分隔開(kāi)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)反應直接產(chǎn)生出電能。與汽輪發(fā)電機生產(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60％以上，可以在帶部分負荷運行的情況下進(jìn)行維修，而且除了排放低比率碳氧化物外，幾乎沒(méi)有任何其他的有害排放物。

1 燃料電池的分類(lèi)
目前研制的燃料電池技術(shù)在運行溫度上有不同的類(lèi)型，從比室溫略高直到高達1000℃的范
圍。大多數工業(yè)集團公司的注意力集中在以下4種主要類(lèi)型上：
(1)運行溫度在60-80℃之間的聚合物電解液隔膜型燃料電池(PEMFC)；
(2)運行溫度在160-220℃之間的磷酸類(lèi)燃料電池(PAFC)；
(3)運行溫度在620-660℃之間的熔融碳酸鹽類(lèi)燃料電池(MCFC)；
(4)運行溫度在880-1000℃之間的固體氧化物燃料電池(SOFC)。
可以將這些類(lèi)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(lèi)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(huà)供電(數以W計)，也可以給居民住宅(數kW)或是分散的電熱設備和動(dòng)力設備(數百KW到數MW)供電。
最適于用來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)的是低溫型燃料電池。
根據使用期限成本進(jìn)行的經(jīng)濟性比較結果表明，就發(fā)電成本而言，SOFC型燃料電池要PEM型低30％。這個(gè)結果是根據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到l000美元／KW的投資成本這一假設條件而推導出來(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(cháng)的加熱過(guò)程，因而這種技術(shù)不能應用于要求在短時(shí)間內頻繁起動(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。一般情況下使用陶瓷材料。
(2)對CO完全沒(méi)有限制。CO參加到電化學(xué)反應過(guò)程并像H2一樣被氧化。
(3)對燃料表現出高度靈活性?？梢越o這類(lèi)燃料電池發(fā)電設備供應天然氣，天然氣在設備內部被轉換成H2和CO。這意味著(zhù)無(wú)需任何外部燃料，從而大大簡(jiǎn)化了發(fā)電設備的平衡問(wèn)題。
(4)高溫可以將燃氣輪機連接到該系統上，在這種情況下，燃料電池發(fā)電設備是在300kPa壓力下運行，并在不考慮燃氣輪機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)較高的運行溫度也為排熱提供了更多的靈活性。在電效率達60％或更高水平的聯(lián)合循環(huán)系統中可限制廢熱排放，而在單循環(huán)下則會(huì )排放出更多的熱量。
MCFC和SOFC是這類(lèi)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(méi)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型的管形設計方案相比，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定，可以用在950-1000℃范圍內，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(cháng)期電池試驗和正在運行的試驗性機組都表明
SOFC型裝置的使用壽命可以達到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)現場(chǎng)試驗中，成本都有大幅度的下降。目前在MCFC開(kāi)發(fā)上占有主導地位的是美國的Fuel Cell Energy公司及其在德國的授權單23 位MTU，日本的Ishikawajima-Harima重工(IHI)和三菱公司等。而Siemens Westinghouse在SOFC開(kāi)發(fā)上處于領(lǐng)先水平。

3 中溫型燃料電池
目前磷酸類(lèi)燃料電池(PAFC)是具有最先進(jìn)技術(shù)的燃料電池。80年代，IFC(國際燃料電池公司)決定對其前期商業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行投資，制造和銷(xiāo)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)中占據著(zhù)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(guò)維修期限后會(huì )降到35％甚至更低水平。通常情況下設備的使用期限不超過(guò)20 000運行h。
(2)有些試驗性的設備(如東芝公司管理的1套11MW設備未能達到頂期的性能水平。
(3)美國和日本政府大幅度削縮用于PAFC技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)的投資。
(4)從迄今積累的經(jīng)驗及在改善設計參數和降低產(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公司根據對市場(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。預計在2003-2004年提供第l批產(chǎn)品，進(jìn)入商業(yè)性生產(chǎn)前的試驗階段，裝置容量從目前的2MW擴大到15MW。
北美和歐洲被認為是SOFC燃料電池技術(shù)最有希望的市場(chǎng)。Hagler Bailly公司和西門(mén)子公司對功率范圍為250 kW-l MW的市場(chǎng)進(jìn)行了調查，結果表明到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(hù)的結構和他們的需求，在北美洲各類(lèi)小型發(fā)電機組的總容量在2010年可能達到每年約1000MW，其中600MW可能是燃料電池發(fā)電裝置。在各種類(lèi)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(xiāo)售額將達到2.4億美元。
在競爭日益激烈的配電市場(chǎng)中的另一個(gè)獲勝者是微型燃氣輪機，主要是作為備用電源或輔助電源。由于SOFC和微型燃氣輪機的特性適于不同的應用場(chǎng)所，SOFC效率高但投資成本也高，
而微型燃氣輪機成本低但效率也低，因而這2種技術(shù)不會(huì )產(chǎn)生市場(chǎng)上競爭。而往復式發(fā)動(dòng)機會(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)強大得多，歐洲電網(wǎng)強化了集中的大型發(fā)電廠(chǎng)的作用。因此在北美洲經(jīng)常出現的分散式電熱設備和動(dòng)力裝置的供電質(zhì)量和供電可靠性問(wèn)題在歐洲是不突出的。但另一方面，在歐洲對能量?jì)Υ娓鼮槊舾小?br /> 此外，一些國家政府將頒布新的規程和法律及新的能源價(jià)格，預計歐洲各國之間市場(chǎng)份額會(huì )有重大差異。在有些情況下這個(gè)過(guò)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)預測結果會(huì )有很大程度的不確定性。

5 SOFC技術(shù)應用的擴展
使用天然氣作為燃料的SOFC是車(chē)載式裝置，其擴展應用可有以下幾種形式：
(1)家庭應用：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。這種設計方案是可行的，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取占有l0MW以上更大規模發(fā)電設備的市場(chǎng)。通過(guò)把更多SOFC鏈接起來(lái)便能實(shí)現這個(gè)目標，也滿(mǎn)足了高效率低成本的要求。20MW級規模燃料電池的電效率已經(jīng)接近甚至超過(guò)70％。
(3)用液態(tài)燃料運行：使用天然氣作為燃料將SOFC的應用局限在靠近天然氣供氣網(wǎng)的區域內，從而使這項新技術(shù)的應用受到限制。因此存在著(zhù)讓SOFC使用液態(tài)燃料的迫切要求。因此，應與大型石油公司合作進(jìn)行該課題的研究開(kāi)發(fā)，選擇一種適宜的液體燃料并設計出最適于使用這種新燃料的SOFC發(fā)電裝置，以便為邊遠的用戶(hù)服務(wù)。13
(4)C02的分離：Shell公司和 Siemens Westinghouse公司正在共同研制一種能將CO2從完全反應后的燃料中分離的SOFC設飛方案。例如，當把其裝在用于回收油的平臺上時(shí)，可以把CO2用泵壓到地下儲層中，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(guò)-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施中，SOFC裝置產(chǎn)生的C02可用來(lái)加快植物的生長(cháng)。而任何一種農作物收獲后的剩余有機物都可以轉化為氣體供給SOFC作燃料。