甲烷燃料电池固定电站最新发展

1、以甲烷为原料的燃料电池固定电站的最新进展一、概述由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那 样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电 效率。此外，还具有以下优点：(1)部分负荷时也能保持高的效率；(2)通过与燃料供给 装置的组合，可适用范围的燃料；(3)由于输出功率单位由堆的输出功率决定，故机组容 量具有自由度；(4)电池本体的负荷响应性好；(5)NOx及SOx等的排出量少，有利环 保。正是由于由于其具有发电效率高，适应多种燃料和环境特性好等优点，近二十年来燃 料电池得到很大的发展，各类高性能，高稳定性的燃料电池已被广泛地应

2、用于字航、船舶、 电气、通讯及运输等方面。特别是近年由于全球对于提高能源利用率及减少环境污染的需 要，燃料电池再次受到广泛重视。二、燃料电池的原料一一氢气的制取发展燃料电池首先要解决原料气-氢气支取问题。目前，氢气生产的主要原料气又天 然气、汽油、柴油、煤、生物质及醇类。生产方法主要有正气重整、不完全氧化、气化法、 热裂解法和催化裂解等。其中，坦然其是与其它原料相比具有相对能耗较小、储量丰富、 投资较低等优点，目前，天然气蒸汽重整是生产氢气的最经济有效的途径，世界上氢气总 产量的3/4来自天然气蒸汽重整。天然气重整是利用甲烷与水蒸气在高温下发生反应而制 取氢气。这主要是因为：首先,天然气中含氢

3、量较高，天然气转化制氢技术成熟，成本相对 较低，制氢产生的温室气体相对较少。工业上也有以甲醇为燃料的燃料电池，但目前生产甲 醇最主要的原料也是天然气；其次，我国目前正大力发展城市天然气,将其作为燃料电池的 燃料符合国家的能源政策。燃料电池按电池中使用的电解质可分为以下几类:碱性燃料电 池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电 池(SOFC)、聚合物膜电解质型燃料电池(PEFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。这几种 燃料电池中，除碱性燃料电池必须采用纯氢和纯氧作为燃料和氧化剂，其他类型燃料电池 均可采用天然气重整气和空气作为燃料和氧化

4、剂。三、燃料电池固定电站的优势燃料电池由于具有高效、洁净、功率密度高及模块化结构等突出的特点，这决定了它 在固定发电系统、现场用电源、分布式电源、空间飞行器电源及交通工具用电源方面有广 阔的应用前景。以甲烷为原料的燃料电池作为固定电站正在蓬勃发展。传统的能源利用方式有两大弊病：一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后 才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有 3335%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活 环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用 的技术在不断地升级，如开发出了超高压

5、、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧 和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、 投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解 决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。 这正是燃料电池发电技术。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、 噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。燃料电池可以提供持续的电力。普通的锰干电池的化学反应物是事先存放在电池内部 的，电池向外供电时，反应物质被消耗却得不到补充，反应物质一旦消耗空，电池就不能 再继

6、续供电，也就寿终正寝了；对于蓄电池而言，则必须充入反向电流使其反应物质得到 恢复，才能继续工作。燃料电池则不同，因为燃料是从外部输入的，只要它们得到了不断 的供给，燃料电池就可以源源不断地向外供电。燃料电池可以提供高功率的电力。燃料电池发电装置是由许多基本单元组成的。一个 基本单元是两个电极夹一个电解质板。将上百个基本单元组装起来就构成一个电池组，再 将电池组集合起来就形成了发电站。可以根据不同的需要灵活地组装出不同规模的燃料电 池发电站。如日本已建成功率达11万千瓦的试验性燃料电池电厂，大约可供应一座30万 人口城市的全部用电量；德国试验出了可为电动汽车提供电能的50千瓦燃料电池。燃料 电池

7、的基本单元可按设计标准预先进行大规模生产，所以燃料电池电站的建设成本低，建 造周期短。另外，由于燃料电池重量轻、体积小、比功率高，移动起来比较容易，所以它 特别适合在海岛上或边远地区建造发电站，或建造分散型电站。大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机 组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但 是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现 为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄 能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的

8、燃烧能 量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有 害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没 有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%60%， 可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合 能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发 电厂相比，非常灵活。四、几种典型的燃料电池的发展状况碱溶液型燃料电池这是早期开发的产品。它用碱性液体做电解质，工作温度是室温。20世纪6070年 代时，美国阿波罗登月飞船、航天飞机和空

9、间轨道站的动力电源均采用碱溶液型燃料电池。70年代末，德国西门子公司研究了电极催化剂为非贵金属的碱溶液型燃料电池，在 此技术基础上，将8个67kW碱溶液型燃料电池堆组合在一起构成48kW级系统，该系统 输出电压为192V时电流可达250A。90年代后，燃料电池研究进入了一个新的高潮，并成 为德国国防技术发展的一部分。富士电机是日本研究碱溶液型燃料电池技术较早、成绩最突出的公司，60年代开发 了独特的富士电极，并参与了日本政府实施的1978年“日光计划”和1981年“月光计 划”中碱溶液型燃料电池研制工作。1985年后又试制出3.6kW和7.5kW两种碱溶液型燃 料电池装置。进入90年代后，由于

10、新型燃料电池的出现，又因以液态氢为燃料的碱溶液型燃料电 池造价昂贵，人们对它关注慢慢减少。磷酸燃料电池它以磷酸水溶液作为电解质，工作温度为150220C，发电效率达40%50%。技 术开发始于美国。1967年初，美国联合技术公司等组成的大财团，对磷酸燃料电池进行 研究，历经10年，共制造了 64台PC11A-2型磷酸燃料电池发电装置，先后在美国、加拿 大和日本的35个地方进行了试运行。80年代，日本新能源开发组织先后进行1MW和200kW现场型发电装置的研究，以适 用于边远地区或商业用的发电装置。现已建成两座分别为1MW和5MW的磷酸燃料电池电厂， 并通过试验运行。现在磷酸型燃料电池制造技术已

11、达实用化水平，在美国和日本已有产品进入市场。磷 酸燃料电池是现在研究国家最多的燃料电池之一，它为大型发电站建设作出了巨大的贡 献，但它在能量综合利用方面不如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，所以近年 的研究投入减少，进展速度减缓。（3）熔融碳酸盐燃料电池它以高温下处于熔化状态的碳酸盐（碳酸锂、碳酸钾）作为电解质，工作温度为600 700C，发电效率达45%55%，不仅可以直接利用余热进行供热，而且排出的高温气体 可以带动气轮机，进行第二次发电。它的最大的特点是可以组合成复合发电的电力回收型 系统。1987年后美国对该电池进行大规模研制与实验。目前美国能源研究公司设计的一 个20MW电池堆

12、已在迪斯特（Destec）电源系统公司进行联网演示，效果良好。熔融碳酸 盐能量（MCP）公司推出最先进MCP-3型电池堆，成为生产线上第一批产品，该电池堆燃 料利用率为75%，寿命达到1000h。1991年后日本把该电池研究转为重点。由三菱电机与美国能源研究公司合作研制的 内重整30kW熔融碳酸盐燃料电池，已运行了 10000h。目前，石川岛播磨重工有世界上最 大面积（1.4m2）的熔融碳酸盐燃料电池堆，试验寿命已达13000h。（4）固体氧化物燃料电池它以固体氧化物烧结体(如氧化锆)作为电解质，工作温度为9001000C，发电效率 可达50%60%。因为电解质是固体的，所以避免了许多麻烦，维

13、修费用也大为降低。 固体电解质型燃料电池放出的余热也能加热水或蒸汽，或向其他工序供热，也可用于二次 发电，因此，它可用于建造热电联供系统。它的工作寿命很长，美国威斯汀豪斯公司制造 的产品可连续工作5万10万小时，已达到了实用水平。美国西屋电气公司在该电池的 发展历程中起了举足轻重的作用，现已成为最有权威的单位。1962年，西屋电气公司就 以甲烷为燃料气，完成了燃料催化转化与电化学反应两个基础过程，为固体氧化物燃料电 池发展奠定了基础。80年代后，该公司采用电化学气相沉积技术，使电池性能得到明显 提高，从而揭开了崭新的一页。1986-1987年，分别在美国田纳西州和日本东京成功完成 管式固体氧化

14、物燃料电池组与发电机组的运行试验，标志着该电池研究从实验研究向商业 发展。固体氧化物燃料电池技术仍处于发展的初期，对于开发商来说，面临的关键问题就是 如何降低过高的成本，以提高其商业竞争力。质子交换膜燃料电池它用氟系高分子膜作电解质。电池阴极产生的H+能够穿过高分子膜到达阳极，并在 那里被还原。这种燃料电池的起动时间短，结构紧凑，功率密度高，工作温度为60100C， 便于小型化、轻量化，适合作为可移动式电源使用。1981年，美国通用公司为美国LANL研制出交通运输器具的动力电源，大大地推动了 其技术的发展。由此，世界各国都争相研究适合交通器具用的质子交换膜燃料电池。其中， 加拿大巴拉德公司是较

15、为成功的一个。1987年，巴拉德采用全氟磺酸质子交换膜，使该 电池比功率达到3W/cm2。1997年，建成了 3辆公共汽车质子交换膜燃料电池的能源系统， 已投入使用。其功率为250kW，工作效率达45%55%。在巴拉德公司带动下，许多汽车制 造商都参加了燃料电池车辆的研制，使该电池得到迅猛的发展。经初步预测，未来十年极 有可能达到10万辆燃料电池汽车。1997年至2001年，各大公司更是研制出41种车用燃 料电池。国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成世界上第一个燃 料电池厂，去年2月正式投产。质子交换膜燃料电池是一种新型、有远大前途的燃料电池，各国政府与大公司均投入 巨资

16、展开激烈竞争，努力降低制造成本，以实现其商业化。美国普拉格能量公司与通用公 司合作，2001年使10kw质子交换膜燃料电池进入商业化，价格达到$7501000 / kW，大 批量生产后，使其价格达到$350 /kW。五、燃料电池固定电站的发展目前国外重点开发能源发电的有以下几种燃料电池:是磷酸盐燃料电池美国已完成12kW-200kW级就地发电装置现场试验，技术趋于成熟，已可作为商品出 售。磷酸型燃料电池的开发1967年始于美国。目前，美国将磷酸型燃料电池列为国家级 重点科研项目进行研究开发，向全世界出售200 kW级的磷酸型燃料电池。到2002年初， 美国已在全世界安装测试了 200 kW P

17、AFC发电装置235套，累计发电470万小时。在美 国和日本，有几套装置已达到连续发电1万小时的设计目标。欧洲现有5套200kWPAFC 发电装置在运转。日本福日电器和三菱电器已经开发出500kWPAFC发电系统。日本还制 造出了世界上最大的（11MW）磷酸型燃料电池。受1973年世界性石油危机以及美国PAFC 研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池，PAFC作为大型节能发电技术由新能源 产业技术开发机构（NEDO）进行开发。自1981年起，进行了 100kW现场型PAFC发电 装置的研究和开发。1986年又开展了 200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区 或商业用的PAFC发电装

18、置。目前，日本对磷酸型燃料电池（PAFC）进行研发的公司主 要有富士电子高技术公司、东芝燃料电池电力系统公司、三菱电子等三个公司，其中只有 前两个公司提供PAFC产品。富士电子高技术公司2005年开发的一款新的PAFC燃料电 池使用寿命达到4000060000h，该产品的出现激发了新的市场需求。二是熔融碳酸盐燃料电池从1987年开始，美国燃料电池研究重点已由磷酸盐型转向高温熔融碳酸盐型。计划 1992-1993年完成了 70KW、120KW级熔融碳酸盐燃料电堆的评估试验，第一座演示性200KW 电站于1994年底开始运转，1998年开始出售正式产品。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）用 两种或多种

19、碳酸盐的低融混合物为电解质，如用碱-碳酸盐低温共融体渗透进多孔性基质， 电极为竦粉烧制而成，阴极粉末中含多种过渡金属元素作稳定剂。MCFC与其他燃料电池 比有着独特优点：1）发电效率高比PAFC的发电效率还高；2）不需要昂贵的白金作催化 剂，制造成本低；3）可以用CO作燃料；4）由于MCFC工作温度6001000C，排出的气 体可用来取暖，也可与汽轮机联合发电。若热电联产，效率可提高到80%； 5）中小规模 经济性与几种发电方式比较，当负载指数大于45%时，MCFC发电系统成本最低。与PAFC 相比，虽然MCFC起始投资高，但PAFC的燃料费远比MCFC高。当发电系统为中小规模分 散型时，MC

20、FC的经济性更为突出；MCFC的结构比PAFC简单。20世纪50年代初，MCFC由于其可以作为大规模民用发电装置的前景而引起了世界范 围的重视。在这之后，MCFC发展的非常快，它在电池材料、工艺、结构等方面都得到了 很大的改进，但电池的工作寿命并不理想。到了 20世纪80年代，它已被作为第二代燃料 电池，而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，研制速度日益加快。 现在MCFC的主要研制者集中在美国、日本和西欧等国家。三是质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（PEMFC）是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速发 展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广

21、的第五代燃料电池，它是 为航天和军用电源而开发的。在美国时代周刊的社会调查结果中被列为21世纪十大 科技新技术之首。美国多家公司以及日本的三洋、三菱等公司也已研究开发出便携式 PEMFC发电堆。加拿大电力系统公司与日本的EBARA公司合作研究开发250kWPEMFC 发电设备和1kWPEMFC便携式发电系统。德国在柏林建造了一个250kW的PEMFC的实 验堆。质子交换膜燃料电池的核心技术是电极-膜-电极三合一组件的制备技术。为了向气 体扩散，电极内加入质子导体，并改善电极与膜的接触，采用热压的方法将电极、膜、电 极压合在一起，形成了电极-膜-电极三合一组件，其中，质子交换膜的技术参数直接影响

22、 着三合一组件的性能，因而关系到整个电池及电池组的运行效率。PEMFC的价格也制约 着其商业化进程，因此，改进其必要组件性能，降低运行成本，是发展PEMFC的重要方 向。四是固体氧化物燃料电池在固定电站领域，被称为第三代燃料电池，正在积极的研制和开发中，是正在勃勃兴 起的新型发电方式之一。固体氧化物燃料电池是在高温工作下的燃料电池，但电解质是固 体的，不存在MCFC中电解质的蒸发和移动问题，便于电解质的管理和避免了对电池材 料的腐蚀，提高了电池的寿命，电池部件全为固体，可安装成薄的层状结构，各部件可制 成特定形状，燃料纯度要求低，可允许燃料含硫100ppm（MCFC允许1ppm），因此可以 使

23、用煤气化的合成煤气作为燃料，重整可以在内部进行，便于余热吸收，与MCFC相比， 出力密度更大，发电效率高，可与燃气轮机和蒸汽轮机组成联合循环，其综合发电效率高 达60%65%。目前已开发了管式、平板式和瓦楞式等多种结构形成的固体氧化物燃料电 池，这种燃料电池被称为第三代燃料电池。缺点是制造成本较高；温度太高；电介质易裂 缝；电阻较大；工艺结构制作难度较高。SOFC在高温下工作也给其带来一系列材料，密 封和结构上的问题，如电极的烧结，电解质与电极之间的界面化学扩散以及热膨胀系数不 同的材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等。这些也在一定程度上制约着SOFC的发 展，成为其技术突破的关健方面。在固定

24、电站领域，SOFC明显比PEMFC有优势。SOFC 很少需要对燃料处理，内部重整、内部热集成、内部集合管使系统设计更为简单，而且， SOFC与燃气轮机及其他设备也很容易进行高效热电联产。未来的SOFC/燃气轮机发电效 率将达到60%70%。被称为第三代燃料电池的SOFC正在积极的研制和开发中，它是正 在兴起的新型发电方式之一。美国是世界上最早研究SOFC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SOFC研究方面最有权威的机构。六、我国燃料电池固定电站发展应坚持的方向优先发展高温燃料电池发电技术：因我国天然气和煤燃料充足、资源丰富，极具优势。 未来二十年，随着我国“西气东送”全

25、国天然气管道网不断完善及液化天然气广泛应用， 燃用天然气的燃料电池发电将会有很大的市场，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。所以选择熔融碳酸盐和固体氧化物型是我国高温燃料电池发电技术的 主要发展方向。坚持走引进消化、自主开发、研究创新的国产化技术和高起点跨越式发展技术相结合 的发展道路：对于各类燃料电池的研究，国外已示范成功了 2MW和100kW燃料电池发电机 组，而我国在这方面才刚刚起步。对于磷酸盐型和质子交换膜型燃料电池，国内与国外的 差距就更大。倘若我们现在不在国外基础上研发燃料电池发电技术，等到燃料电池完全成 熟后再引进，不但会受制于人，还将付出更大的经济代价，更谈不上尽快形成燃料电池的 产业化。参考文献：Angelo U. Dufour.Fuel cellsa new contributor to stationary power.Journal ofPower Sources,1998,(71):19