（电力系统及其自动化专业论文）燃料电池模型及其发电系统的研究.pdf

运行的模型，这个模型只是用了小部分参数，而且作了很多假设，在基本反 映出燃料电池特性的基础上，这个模型可以用来进行系统规划研究。并对几种 模型的特点及其应用范围作了说明。 第五章在简要叙述了熔融碳酸盐燃料电池发电系统原理后，从以下几个方 面对系统的开发进行了论证：单体元件( 电极和电解质) 性能的提高，燃料的 处理，余热利用，电力调节和并网，燃料电池燃气轮机汽轮机联合发电以及 系统控制与优化。另外，对m c f c 发电系统容量和全球的市场作了简单的介绍。 关键词：燃料电池模型发电系统发电技术 s t u d y o ff u e l - c e l lm o d e la n d p o w e rs y s t e m m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：c a i h u i h o n g a d v i s o r ：l vl i n f u e lc e l l sa r ed e v i c e sc a p a b l eo fc o n v e r t i n gc h e m i c a le n e r g yi n t oh e a ta n dd c e l e c t r i ce n e r g yb ym e a n so ft h eo x i d a t i o no fa f u e l ，u s u a l l yh y d r o g e n f o rs o m et i m e t h e yh a v eb e e nc o n s i d e r e d a sa l t e r n a t i v ep o w e rc o n v e r t e r sb o t hf u r 仃a n s p o r t a t i o na n d f o rs t a t i o n a r yp o w e rg e n e r a t i o n s i n c es u c has y s t e mg e n e r a t e se l e c t r i ce n e r g ya s l o n ga si ss u p p l i e dc o n t i n u o u s l yf r o mo u t s i d e ，i tc a na l s ob ec o n s i d e r e dag e n e r a t i n g s y s t e m s i m i l a rt oc o n v e n t i o n a lg e n e r a t i n gs y s t e m s f u e lc e i l sh a v et h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lg e n e r a t i n gs y s t e m s ： l o we n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ；h i g h l ye f f i c i e n tp o w e rg e n e r a t i o n ；d i v e r s i t yo ff u e l s ； r e u s a b i l i t y o fe x h a u s th e a t ；m o d u l a r i t y ；f a s t e ri n s t a l l a t i o n r e c e n tw o r l d w i d e c l e a n - a i rm o v e m e n t sh a v eg r e a t l yi n c r e a s e dt h ei m p o r t a n c eo ff u e lc e l ld e v e l o p m e n t d e v e l o p m e n t o fv a r i o u st y p e so ff u e l - c e l ls y s t e m sh a sa l s ob e e ns t i m u l a t e db yt h i s n e w t r e n d t h e r e f o r e ，w ee x p e c t e d f u e lc e l l st ob eu s e de x t e n s i v e l yi nt h ef u t u r e t h ef u e lc e l l se x i s t e n t p r o b l e m s a n dt h e b a c k g r o u n d o ft h i st h e s i sa r e s u m m a r i z e di nt h ef i r s tc h a p t e r t h en e c e s s i t yo fd e v e l o p m e n tf u e lc e l lg e n e r a t i o n t e c h n o l o g yi n c h i n a sp o w e rs y s t e mi sv e r i f i e d ，a n dt e c h n i c a ll i n ef o rd e v e l o p i n g f u e lc e l lg e n e r a t i o ni sp u tf o r w a r d i n c h a p t e r2 ，ad e s c r i p t i o n o fw h a taf u e lc e l l i s ，h o wi tw o r k s ，e f f e r e n t a p p l i c a t i o n so f f u e lc e i l s ，a n dd i f f e r e n tt y p e so ff u e lc e i l sa r eg i v e n t h ef u e lc e l l sm o d e l sa r ep r e s e n t e di nc h a p t e r3 b a s e do nt h eb a l a n c ec o n d i t i o m i nf u e lc e l l ss t a c k ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d t h ed y n a m i cm o d e li s d e v e l o p e dw i t has e to fc o r r e l a t i o ne q u a t i o n so fv o l t a g e ，f u e lu t i l i z a t i o n ，c u r r e n t d e n s i t ya n do t h e rv a r i a b l e si n v o l v e di nt h eo p e r a t i n gc o u r s e ，w h i c ha r es o m ep a r t i a l i l l d i f f e r e n t i a le q u a t i o n sw i t hv a r i a b l ec o e f f i c i e n t s f r o mt h ed i s t u r b a n c eo f t h el o a d ，t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h e s ev a r i a b l ea r ed i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wg o o d a g r e e m e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hp r o v e st h a tt h ea n a l y s i sa n dt h em o d e l a r ec o r r e c t t h er e s u l t sa r eh e l p f u lt od e f i n i t i o no ft h ec o n t r o lm e t h o da n dt h ef l o w f i e l d a sw e l la st h es e l e c t i o no f e e l lm a t e d a l s c h a p t e r 4d e v e l o p sag e n e r i cd y n a m i cm o d e lf o rag r i d - - c o n n e c t e df u e l - c e l lp l a n t b a s e do nm a t l a b s i m u l i n k t h em o d e li s d e f i n e db yas m a l ln u m b e ro f p a r a m e t e r sa n di s s u i t a b l ef o rp l a n n i n gs t u d i e s t h es t e a d ys t a t ep o w e rg e n e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a n ta r ed e r i v e da n da n a l y z e d t w om a j o rl o o p sf o rv o l t a g e a n dp o w e rc o n t r o la r ei n c o r p o r a t e d t h i sc h a p t e ra l s op r e s e n t sa na p p l i c a t i o no ft h e p r o p o s e dm o d e l t ot h es t u d yo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nf o rau t i l i t yt h a te m p l o y sf u e l c e l l sa n d g a st u r b i n ep l a n t s 。 i n c h a p t e r5 ，t h ep r i n c i p l e o fm o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l p o w e rs y s t e m i s i n t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e m ，s u c h a st h e i m p r o v e m e n to fc e l l c o m p o n e n t si n c l u d i n g e l e c t r o d e sa n d e l e c t r o l y t e ，t h e f u e l p r o c e s s i n g ，t h e h e a t r e c o v e r y , t h ep o w e rc o n d i t i o n i n ga n dg r i di n t e r c o n n e c t i o n ，t h ec o n t r o ls y s t e m a n dt h e c o m b i n eg e n e r a t i o n i na d d i t i o n ，t h ec a p a c i t ya n dm a r k e to ff u e l - c e l lp l a n ta l ea l s o d e s c r i b e d k e y w o r d s ：f u e l c e l lm o d e l p o w e rs y s t e mp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 1 引言 1 1 选题背景及研究意义 能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力，国家文明发展程度和人 民生活水平的重要指标。人类社会进步的历史表明，每一次能源技术的创新突 破都给生产力的发展和社会进步带来了重大而深远的变革。这既证明了能源科 技其内涵的活力，也证明了它对形成新兴产业的重要作用。 对于当今时代来说，环境保护已成为人类社会可持续发展战略的核心，是 影响当前世界各国的能源决策和科技向导的关键因素。同时，它也是促进能源 科技发展的巨大推动力。2 0 世纪所建立起来的庞大能源系统已无法适应未来社 会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临着巨大挑战。 能源的生产与消费和全球性的气候变化，同地球上的温室效应有密切的关 系。导致温室效应的原因，一半以上是来自全球目前的能源体系，即含碳化石 燃料燃烧后所释放的二氧化碳。这类燃料所提供的能量约占世界能源的五分之 四，而且目前每年还以3 的幅度在持续增长。因此，二氧化碳的排放量也以同 样的速度递增。预计，到2 0 2 0 年会增加近2 倍，2 0 2 5 年将增加3 倍。因此，提 高能源的利用率和发展替代能源将成为2 1 世纪的主要议题。 人类社会发展至今，绝大多数的能量转换是通过热机过程来实现的。热机 过程受卡诺循环的限制，不但转化效率低，造成严重的能源浪费，而且产生大 量的粉尘、二氧化碳、氮的氧化物和硫的氧化物等有害物质以及噪声。由此所 造成的大气、水质、土壤等污染，严重地威胁着人类的生存环境。 燃料电池i l l 是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池。 燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过 程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高( 4 0 6 0 ) ，环境友好，几 乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。而且，二氧化碳的排放量也比常规发电厂 减少4 0 以上。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发受各 国政府和大公司的重视，被认为是2 l 世纪首选的洁净、高效的发电技术。 燃料电池的最佳燃料是氢。当地球上化石燃料逐渐减少时，人类赖以生存 的能量将是核能，或是太阳能。那时，可用核能、太阳能发电，以电解水的方 式来制取氢。利用氢作为载能体，采用燃料电池技术将氢与大气中的氧转化为 各种用途的电能，如汽车动力、家庭用电等。那时的世界即将进入氢能时代。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 1 2 燃料电池发电技术现状。甜 1 2 1 我国燃料电池的发展概况 我国的燃料电池研究始于19 5 8 年。原电子工业部天津电源研究所最早开展 了m c f c 的研究。2 0 世纪7 0 年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究 曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制的两种碱性石 棉膜型氢氧燃料电池系统( k w 级a f c ) 均通过了例行的航天环境模拟试验。1 9 9 0 年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院p e m f c 的研究任务，1 9 9 3 年 开始迸行直接甲醇质子交换膜燃料电池( d m f c ) 的研究。电力工业部哈尔滨电站 成套设备研究所于1 9 9 1 年研制出由7 个单电池组成的m c f c 原理性电池。“八 五”期间，大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、北京化工冶金研究所、 清华大学等十几个单位进行了与s o f c 有关的研究。到2 0 世纪9 0 年代中期， 在国家科技部与中科院将燃料电池技术列入“九五”科技攻关计划的推动下， 中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。以大连化学物理研究所为牵头单位， 全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了 0 1 k w 、1 2 k w 、5 k w 和2 5 k w 电池组与电池系统。5 k w 电池组包括内增湿部 分其重量比功率为1 0 0 w k g ，体积比功率为3 0 0 w l 。 我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了很大进展，积 累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就 燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专 家对燃料电池的研究十分重视，1 9 9 6 年和1 9 9 8 年两次在香山会议上对我国燃料 电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要 性和必要性。近几年我国加大了在p e m f c 方面的研究力度。 2 0 0 0 年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成3 0 k w 车用燃料电 池的全部试验工作。2 0 0 1 年已有5 家单位生产出燃料电池概念车，并接受订货。 在高温燃料电池的研究方面也取得新的突破，设计并成功地运行了原型电池堆。 1 2 2 国外燃料电池发展状况 发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以 巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃 料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 是这种重要的新型发电方式实现电能的终点生产与消费同步，可以大大提高燃 料利用率、降低空气污染及解决电力供应、提高电网的安全性。 ( 1 ) 磷酸型燃料电池( p a f c ) 日本是对p a f c 研究开展较早的国家，受1 9 7 3 年世界性石油危机以及美国 p a f c 研发的影响，自2 0 世纪7 0 年代起日本决定开发各种类型的燃料电池， p a f c 被作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构( n e n o ) 进行开发。 自1 9 8 1 年起。进行了2 0 0 k w 现场型p a f c 发电装置的研究和开发。1 9 8 6 年又 开展了1 0 0 0 k w 现场型发电装置的开发，以适用于边远地区或商业应用。目前， 开发出的最大的装置为1 1 m w ，到2 0 0 1 年为止已有1 2 台装置运行时间超过了 4 万小时的设计寿命，有2 0 0 多台装置运行在世界各地。富士电机公司是目前日 本最大的p a f c 电池堆供应商。在1 9 9 7 年3 月完成了分散型5 m w 设备的运行 研究。现在已有5 0 k w 、1 0 0 k w 及5 0 0 k w 总计8 8 种设备投入使用。东芝公司 安装在美国某公司的1 号机和安装在日本大阪梅田中心的大阪煤气公司2 号机， 累计运行时间均已突破了4 万小时。从燃料电池的寿命和可靠性来看，累计运 行时间4 万小时是燃料电池的长远目标。近期将推出的商业化p c 2 5 d 型设备成 本会降至1 5 0 0 美元瓜w ，体积是p c 2 5 c 的3 4 ，质量仅为1 4 吨。 ( 2 ) 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 著名的加拿大b a u a r d 公司在p e m f c 技术上全球领先，现在已将p e m f c 技 术扩展到交通和固定电站方面，其子公司b a l l a r dg e n e r a t i o ns y s t e m 被认为在开 发、生产和市场化方面一直走在世界前列。其第一座2 5 0 k w 发电厂于1 9 9 7 年8 月成功发电，1 9 9 9 年9 月送至i n d i a n ac i n e r g y ，经过周密测试、评估后，设计了 第二座电厂，提高了性能，降低了成本，安装在柏林，输出功率2 5 0 k w 。不久 b a l l a r d 公司的第三座2 5 0 k w 电厂也在2 0 0 0 年9 月安装在瑞士进行了现场测试， 在2 0 0 0 年1 0 月通过它的伙伴e b a r ab a l l a r d 将第四座燃料电池电厂安装在日 本的n t t 公司，向亚洲开拓了市场。 ( 3 ) 熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 由于其可以作为大规模发电装置应用，可以应 用无“污染”氢燃料而引起了世界范围的重视。m c f c 发展的非常快，到了2 0 世纪8 0 年代，已被作为第二代燃料电池，并成为近期实现兆瓦级商品化燃料电 池电站的主要研究目标。现在m c f c 的主要研制者集中在美国、日本和西欧等 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 国家，2 0 0 2 年已经商品化生产。美国能源部( d e e ) 去年已拨给固定式燃料电池 电站的研究费用4 4 2 0 万美元，而其中的2 3 将用于m c f c 的开发，美国的m c f c 技术开发一直主要由两大公司承担，e r c ( e n e r g y r e s e a r c hc o r p o r a t i o n ，现为f u e l c e l le n e r g yi n c 1 和m cp o w e r 公司，2 家公司都到了现场示范阶段。e r c 预计将 以1 2 0 0 美元k w 的设备费用提供3 m w 的装置。这与小型燃气涡轮发电装置设 备费用t 0 0 0 美元k w 比较接近。但小型燃气轮机发电效率仅有3 0 ，并且有废 气排放和噪声问题。美国m cp o w e r 公司已在加州圣迭弋的海军航空站进行了 2 5 0 k w 装置的试验，现在计划在同一地点试验改进7 5 k w 装置。m cp o w e r 公 司正在研制的5 0 0 k w 模块，2 0 0 2 年已经开始生产出厂。日本对m c f c 的研究， 自1 9 8 1 年“月光计划”时开始，1 9 9 1 年后转为重点，每年在燃料电池上的费用 为12 15 亿美元。并在1 9 9 0 年追加2 亿美元，专门用于m c f c 的研究。1 9 9 4 年，分别由日立和石川岛播磨重工完成了2 个1 0 0 k w 、电极面积l m 2 、加压外 重整的m c f c 。另外由中部电力公司制造的1 m w 外重整m c f c 正在川越火力 发电厂安装，预计以天然气为燃料时，热电效率高于4 5 ，运行寿命大于5 0 0 0 h 。 由三菱电机与美国e r c 合作研制的内重整3 0 k w m c f c 已运行了1 0 0 0 0 h 。三洋 公司研制了3 0 k w 的内重整m c f c 。目前，石川岛播磨重工有世界上最大面积 的m c f c 燃料电池堆。试验寿命已超过1 3 0 0 0 h 。日本为促进m c f c 的开发研究， 于1 9 8 7 年成立了m c f c 研究协会，负责燃料电池堆的运转、电厂外围设备和系 统技术等方面的研究，现在它与1 4 个单位联合成为日本研究开发主力。欧洲早 在1 9 8 9 年就制定了1 个j o u l e 计划，目标是建立环境污染小、可分散安装、功 率为2 0 0 m w 的“第二代”电厂，包括m c f c 、s o f c 和p e m f c 三种类型，它 将任务分配到各国。进行m c f c 研究的主要有荷兰、意大利、德国、丹麦和西 班牙。荷兰对m c f c 的研究从1 9 8 6 年就已经开始，1 9 8 9 年研制出了l k w 级电 池堆，1 9 9 2 年对1 0 k w 级外部转化型与l k w 级内部转化型电池堆进行了试验， 1 9 9 5 年对以煤制气与天然气为燃料的2 个2 5 0 k w 系统进行了试运转。意大利于 1 9 8 6 年开始执行m c f c 国家研究计划，1 9 9 2 1 9 9 4 年研制5 0 1 0 0 k w 电池堆， 意大利a n s o d o 与i f c 签订了有关m c f c 技术的协议，已安装1 套单电池( 面积 1 m 2 ) 自动化生产设备，年生产能力为2 3 m w ，可扩大到6 9 m w 。德国m b b 公司于1 9 9 2 年完成了1 0 k w 级外部转化技术的研究开发，在e r c 协助下，于 1 9 9 2 1 9 9 4 年进行了1 0 0 k w 级与2 5 0 k w 级电池堆的制造与运转试验。现在 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) m b b 公司拥有世界上最大的电池组体。 h ) 固体氧化物燃料电池( s o f c ) 被称为第三代燃料电池的s o f c 正在积极的研制和开发中，它被认为是正 在兴起的新型发电方式主力型之一。美国是世界上最早研究s o f c 的国家，而 美国的西屋电气公司所起的作用尤为重要，现已成为在s o f c 研究方面最有权 威的机构。世界上最大的s o f c 燃科电池为2 5 0 k w ，2 0 0 1 年8 月份已在德国进 入第二考核期。早在1 9 6 2 年，西屋电气公司就以甲烷为燃料，在s o f c 试验装 置上获得了电流，并指出烃类燃料在s o f c 内必须完成燃料的催化转化与电化 学反应两个基础过程，这是s o f c 发展的基础。从1 9 9 5 年起，西屋电气公司采 用空气电极作支撑管，简化了s o f c 的结构，使电池的功率密度提高了近3 倍。 该公司为荷兰u t i l i e s 公司建造1 0 0 k w 级s o f c 系统，能量总利用率达到7 5 。 在日本，s o f c 研究是“月光计划”的一部分。早在1 9 7 2 年，电子综合技术研 究所就开始研究s o f c 技术。从1 9 8 9 年起，东京煤气公司还着手开发大面积平 板式s o f c 装置，1 9 9 2 年6 月完成了1 0 0 w 平板式s o f c 装置，该电池的有效 面积达4 0 0 e r a 2 现在f u j i 与s a n y o 公司开发的平板式s o f c 功率已达到k w 级。 另外，中部电力公司与三菱重工合作，从1 9 9 0 年起对叠层波纹板式s o f c 系统 进行研究和综合评价，研制出4 0 0 w 试验装置，该装置的单电池有效面积达到 】3 l c m 2 。 1 3 探讨我国电力行业发展燃料电池发电的可行性及其重大意义 被称为第四代发电方式的燃料电池，由于燃料利用效率可达8 0 ，不排放 有害气体，容量可根据需要而定，所以受到了各方面的极大关注。各国政府都 在这方面增加研发资金，推进其商业化进程。我国稀土资源丰富，发展m c f c 和s o f c 技术具有十分有利的条件。以天然气和净化煤气为燃料的m c f c 和 s o f c 发电效率高达5 5 6 5 ，利用余热与微型燃气轮机联合循环发电已能使 其发电效率达7 0 以上，是一种优良的区域性供电电站。热电联供时，燃料利 用率高达8 0 以上。专家们认为它与各种大型中心电站的关系，颇类似于个人 电脑与大型中心计算机的关系，二者互为补充。2 1 世纪，这种区域性、环境友 好的、高效的发电技术有可能会发展成为一种重要的供电方式。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 1 31 我国电力系统发展燃料电池发电技术的理由 ( 1 ) 提高化石燃料发电效率 以高温燃料电池组成的联合循环发电系统，可使发电效率达到6 0 0 一7 5 ( l h v ) ，这一目标将在2 0 0 5 年左右实现。预计到2 0 1 0 年，发电效率可超过 8 0 。煤气化燃料电池联合循环( i g f c ) 的发电效率可达6 0 以上。以燃料电 池组成的热电联产机组的总效率可达8 5 以上。燃料电池既可用作小容量分散 电源，又可用于集中发电，应用范围广泛。 ( 2 ) 有效降低火力发电的污染物和温室气体排放量 燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，n o 。排放量很小，一般可达 0 1 3 9 - - 0 2 3 6 k g ( m w h ) 以下，远远低于天然气联合循环的n o x 排放量l 一3 k g ( m w h ) 。尾气中s 0 2 、碳氢化合物和固态粒子等污染物排放量小于1 1 0 一。 与常规燃煤发电机相比，c 0 2 排放量可减少4 0 4 5 0 。 ( 3 ) 提高供电的灵活性和可靠性 与目前一些可作为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、 污染更低。在2 5 0 k w l o m w 功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当 甚至更高的发电效率。作为备用电源的柴油发电机由于污染和噪声大不宜在未 来的城市中应用。低温燃料电池不仅发电效率高，而且启动快、变负荷能力强， 是很好的备用电源。 现代社会对供电可靠性和环境兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布 式电源系统日益受到重视。近年来美国、加拿大、我国台湾相继发生因自然灾 害或人为因素造成的大面积停电，给社会和经济造成巨大的损失。这些由不可 抗拒的力量引起的电网破坏无不使入引发出一个重要的思考：提高我国电力系 统供电的可靠性和供电质量，虽然主要依靠电网的改造和技术革新，但如果在 电网中有许多分布式电源在供电，其可靠性将会大大提高。对于边远地区，负 荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大，且电网末端地区电力 质量不稳定。对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式电源，更能有效地解 决这些地区的电力供应问题。 ( 4 】提高国家能源和电力安全 美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一。美、日之所以能在燃 料电池技术方面处于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 密不可分。掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家能源和电力安全具有重要 的战略意义，而燃料电池发电技术，正是这种高效清洁的发电技术之一。 ( 5 ) 加强技术创新，发展高科技，形成高新技术产业 燃料电池发电技术是电力工业的高新技术，已受到普遍重视。采用引进、 消化、吸收和再创新的技术路线，以高起点，在尽可能短的时间内初步形成自 主产权的燃料电池关键技术，不仅可使我国在燃料电池发电技术领域与国外的 差距大大缩小，而且对国家电力公司进行电源结构调整、技术创新、形成高新 技术产业、实现跨越式发展、提高国际竞争能力都具有重要的意义。 ( 6 ) 燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景 未来2 0 年，随着我国“西气东送”，全国天然管网的不断完善及液化天然 气( l n g ) 的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大的市场。煤层 气也是燃料电池的理想燃料。我国丰富的煤层气资源也将是燃料电池发电的巨 大潜在能源之一。燃料电池可与常规燃气一蒸汽联合循环结合，形成更高效率 的发电方式。与煤气化联合循环( i g c c ) 结合，形成数百兆瓦级的大型、高效、 低污染的中心发电站，比i g c c 效率更高，污染更小。 燃料电池可与水电、风电和太阳能发电等结合，在高出力时，利用电解水 制氢，低出力时用燃料电池发电，达到既储能，又高效发电的目的。采用汽化 或厌氧处理的方法，将生物质变为燃料气，通过燃料电池发电，提高能源转换 效率，并降低污染物的排放量。对一些经济欠发达但有丰富沼气资源的地区， 利用燃料电池发电技术有可能更会有效地解决这些地区的电力供应问题。 1 3 2 各种燃料电池发电技术的综合比较 ( 1 ) 碱性燃料电池( a f c ) 与其它燃料电池相比，a f c 功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以 纯氯做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用贵重金属做催化剂，价格昂贵。电解质 的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了a f c 仅限于航天或军事应用，不适合 民用。 ( 2 ) 磷酸型燃料电池( p a f c ) 最早在民用的燃料电池，其发电效率目前仅能达到4 0 4 5 ( l h v ) t 它 需要贵金属做电催化剂：燃料必须外重整：燃料气中的c o 的浓度必须小于l 7 四川i 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) ( 1 7 5 ) 2 ( 2 0 0 ) ：寿命难以超过4 00 0 0 h 。p a f c 的技术已经成熟，产品 也进入商业化，发展潜力较小，用作大容量集中发电站较困难。 ( 3 ) 熔融碳酸型燃料电池( m c f c ) 与p a f c 相比，m c f c 降低造价的潜力很大；可实现内部重整，使发电效 率提高，系统简化；c o 可直接用作内重整；余热的温度较高，可组成燃气一蒸 气联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与s o f c 相比，m c f c 操作 温度较低，制造工艺简单，密封和组装技术难度相对较小，大容量化容易，造 价较低。缺点是：必须配备c 0 2 循环系统；要求燃料气中h 2 s 和c o 小于0 5 1 0 ；电解质具有腐蚀性，易挥发；与s o f c 相比寿命较短，组成联合循环发 电的效率低。从m c f c 的技术特点和发展趋势来看，m c f c 是将来民用发电( 分 散电源和中心电站) 的理想选择之一。 ( 4 ) 固体氧化物燃料电池( s o f c ) 与液体电解质的燃料电池( a f c 、p a f c 和m c f c ) 相比，s o f c 避免了电 解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，延长了电池使用寿命。c o 可作为燃料，使燃 料电池以煤气为燃料成为可能。s o f c 的运行温度在1 0 0 0 左右，燃料可在电 池内进行重整。与m c f c 相比，s o f c 组成联合循环的效率更高，但s o f c 面 临的技术难度较大，价格可能比m c f c 高。示范业绩证明s o f c 是未来化石燃 料发电技术的理想选择之一。 ( 5 ) 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 与p a f c 相比，电流密度和比功率较高。与p a f c 和m c f c 等液体电解质 燃料电池相比，它具有寿命长、运行可靠的特点。但p e m f c 的余热温度较低， 热利用率较低，综合发电效率低。p e m f c 是电动汽车、潜艇、航天器等移动工 具电源的理想选择之一，不适合做大容量中心电站。 1 3 3 我国电力系统发展燃料电池发电的技术路线 ( 1 ) 优先发展能组成大容量联合循环发电，能以煤气为燃料，并具有降低造 价潜力的高温燃料电池发电技术。即选择m c f c 和s o f c 为我国电力系统燃料 电池发电技术的主要发展方向。m c f c 和s o f c 各有特点，都有各自实用范围 和发展潜力，目前均没有达到商业化。m c f c 适合与底部热回收系统组成热电 联供，s o f c 则适合加压运行，底部采用燃气轮机和余热回收系统，组成高效率 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 的复合循环发电系统。随着氢能技术的发展，p e m f c 在移动电源、分散电源、 应急电源、家庭电源等方面具有一定的优势和市场潜力。a f c 不适合民用发电， p a f c 技术目前已经相对成熟，与m c f c 、s o f c 和p e m f c 比较，技术已相对 落后，这两种燃料电池不应该作为研究开发的方向。 ( 2 ) 我国发展燃料电池应高起点，走引进、消化、吸收的路线，重点研究和 发展燃料电池发电系统的集成和优化、与电网联结、运行和维护技术、与燃料 电池堆匹配的辅助系统等技术。对于燃料电池本体一些关键技术，应积极参与 消化、吸收，争取能够掌握积层、密封和组装的技术。 ( 3 ) 在示范电站的建设和运行中，进一步评估燃料电池的应用前景，验证其 应用于发电系统的可行性，并掌握运行和维护技术，消化、吸收燃科电池发电 系统中的关键技术，为进步推广应用燃料电池发电作好准备。 3 4 燃料电池发电的经济性 燃料电池是一种正在逐步完善的能源利用方式。其投资成本正在不断的降 低，目前p e m f c 的国外商业价格为1 5 0 0 美元，k w ，p a f c 的价格为3 0 0 0 美元 瓜w 。日本富原公司公布其p e m f c 接受订货的价格为1 0 0 0 0 元，k w 。其他燃料 电池国内暂无商业产品。 燃料电池发电与常规的火电投资比较不能单考虑电源投资，还应将长距离 输电、配电投资与厂用皂、输电能耗和两种能源转换装置的效率考虑在内。如 此来计算综合投资大型的火电厂约为1 3 1 5 万元k w 。发电消耗的燃料为燃料 电池的2 倍以上，按目前国内天然气最低市价( 产地市价人民币1 元m 3 ) 计算， 当发电时间超过7 0 0 0 0h 以后，用燃料电池发电将比用传统的热机发电更经济。 在实际发电工程中还应考虑传统的热机发电占地面积大、环境污染重的问题。 随着燃料电池发电技术的不断完善，造价将会不断的降低，特别是在规模化生 产后，其造价将大幅度的下降，有理由相信，不久的将来这种发电方式会对传 统热机发电构成挑战。 最近国际上一些学者和国际组织认为：大容量、高参数杌组发电，超高压、 大电弼远距离送电的集中供电是一些工业发达国家过去走过的道路。目前的情 况正在发生变化，较分散的发电站的出现，再加上对改善能源投资的选择。传 统的观念正在变得过时。1 9 9 9 年在布鲁塞尔成立的国际热电联产( i g 组织声 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 称：“其实质是推动世界范围内的清洁、高效、分散的电力生产，这是下一个世 纪( 2 1 世纪) 电力工业的方向”。随着小型分散的热电厂、燃料电池发电、风力发 电、太阳能发电、生物质能发电等的出现和增加，当今的电力系统将发生很大 的转变。超大型的电站与分散微型电站的结合可以减少在输配电线路上的投资， 会使得电力系统更安全更经济。一个目前拥有5 0 个发电厂的电力公司在未来若 干年内会有几百个甚至几千个微型电站与之相连。这种电力网络类似于目前的 计算机网络，少数的几台主机与众多的p c 机相连。这种电网会使得各种能源得 到更好利用和配置，这种变化将要求未来的电力系统运行方式有一个重大的变 革。 将来的电网系统将是现有的大电厂和中小燃料电池共存的状态。因为大电 网有其优越性的同时，也存在着缺陷，如高电压长距离输电将有6 8 的损 失。而分散的中小型燃料电池电站可以在许多地点建立，可以减少送电损失( 输 气能量损失一般仅为3 ) ，同时能为电网调峰做出贡献。中小型分散式电源将 灵活地适应季节性和地域性的电力需求变化。气体能源的供应是否会成问题 呢? 根据专家计算，一条直径为0 9 1 m 的输氢管道用于9 5 0 1 6 0 0 k m 输气其所 输能量约相当于5 0 0 k v 高压输电线路输送能量的1 0 倍以上，而输氢管道所需的 建设费用仅为建设高压输电线路的2 5 5 0 ，日常运行维护也比输电线路低 得多。因此这种方式在经济上是有前景的。 1 3 ，5 燃料电池发电对我国电力系统的重大变革 燃料电池的引入虽然主要发生在配电网，但它对整个电力系统的影响都将 是巨大而深远的。 ( 1 ) 调峰能力增加 应用氢气做燃料的p e m f c 已经商业化，在国外容量为3 k w 、5 k w 、7 k w 等热电联用的燃料电池正在源源不断地进入家庭，数百k w 的燃料电池正在源 源不断地进入旅馆、饭店、商厦等场所。这些电力装置同小型光伏发电装置一 样可以独立发电，也可与电力网相连。为了获得氢燃料，目前在非纯氢燃料电 池前均加了燃料改质器。据专家介绍，碳纳米管储氢技术已获得突破，随着其 商业化的发展，实行家庭发电将像用煤气灶与煤气罐配合使用一样方便。在有 煤气或天然气管道的地方，打开气阀就可以发电和供应热水。直接以天然气、 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 煤气为燃料、数千k w 的m c f c 、s o f c 发电装置将座落于较大的公用场所，用 管道向燃料电池提供燃气为附近的用户提供电力和热能，使城市的发电不再污 染环境。成千上万的燃料电池发电装置服役，必将使得电网的调峰能力大大增 强，常规的火电厂由于存在有较大污染，因此会让其远离城区带基本负荷。在 缺乏调峰手段和缺乏调蜂电量的地区加大燃料电池的入网量，必将大大地提高 未来电网的调峰能力。 ( 2 ) 节约配电网的建设费用 我国有许多偏远的山村和海岛，远离电网或处在电网的末端，用电量不大。 从商业角度考虑，架设高电压等级的线路是不合算的，但不架设又难以实现村 树通电的目标。有了燃料电池，用当地生物质气体为燃料，再配合当地的风能， 太阳能等，就可以满足当地长期的电能需求，这样可以使投资更加合理，提高 了电网的经济效益。 、 ( 3 ) 提高电网的安全性 目前电网均采用高压长距离输电的方式使偏僻山区的水电和坑口、路口以 及海口处的火电输送到负荷中心地带。中夕 近年多次电网事故证明，在地震、 水灾、暴风、冰雪、雷电等自然灾害面前，这种系统往往是十分脆弱的。而星 罗棋布的燃料电池加入到电网中供电，将会大大提高电网的安全性。在某个远 距离的基本负荷电源发生事故时，燃料电池可以对屯网起到一定的支撑作用， 保证重要用户的电能需求。随着m c f c 、s o f c 技术的突破、天然气管线的铺 通和大型煤气化技术的解决，届时人们会看到，对于大规模的应用化石能源的 电力系统来说，变长距离输电为长距离输气，应用大、中、小相结合的各种燃 料电池靠近负荷供电供热会更经济、更安全。 f 4 ) 影响我国电力市场的走向和最后格局 燃料电池发电是一种新型的分布式发电技术。分布式发电指的是通过规模 不大( 几十k w 到几十m w ) 、分布在负荷附近的发电设施经济、高效、可靠地 发电。分布式发电并不是一个全新的概念，早期的小火电、小热电也属于分布 式发电，只是由于技术经济性能不好，逐渐被淘汰了。目前，分布式发电在电 能生产中占有越来越大韵比重，并对电力系统产生重大的影响。 燃料电池发电的普及将对整个电力行业产生深远的影响。首先，电力公司 和用户之间将形成新型的关系。用户可以从电力公司买电，也可以用自己拥有 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 的燃料电池电源向电力公司卖电或为电力公司有偿提供削峰、紧急功率支持等 服务：其次，燃料电池发电也为其他行业( 如天然气公司) 进入电力市场打开 了方便之门。总之，整个电力市场的竞争将更加激烈，所以，燃料电池发电对 传统电力公司来说既是机遇也是挑战。 1 3 ，6 我国发展燃料电池发电技术的重大意义 由