从国家安全及战略高度出发大力发展我国的燃料电池发电技术

从国家安全及战略高度出发大力发展我国的燃料电池发电技术【摘要】本文根据科索沃战争及近年来世界上发生的几次大停电事故给我们的启示，指出以"大机组、大电网、高电压"为模式的现代电力系统是非常脆弱的，在战争状态下更是不堪一击。并认为燃料电池将是21世纪电力行业的主力军，从现在开始，"大机组、大电网、高电压"的模式再也不能继续发展下去了。本文还认为台湾局势对大陆电力系统安全运行提出了新的挑战，掌握和发展燃料电池发电技术是事关国家安全和国民经济可持续发展的重大战略问题。建议由国家科技部、国家发展委、国家经贸委牵头，根据国家长远发展需要出发，制订规划，组织有关高等院校、科研院所和国家电力公司、石油集团、石化集团及机械制造等工业部门参与研究开发，集中研究力量，加大经费投入，促进燃料电池发电技术的实用化、产业化。Thispaperpointoutthatmodernpowersystemwith'largeunits,largenetwork,highvoltage'isverywick,especiallyinurgentsituationasshownasKORSOVcrisisandlargescalepowerfailuresoccurredrecently.Fuelcellwillbethemainpowerformin21th.Toresearchanddevelopfuelcellisoneofthemostimportantissuesforourstatesecurityandeconomiccontinuousdevelopment.Givethesuggestionabouthowtoorganizerelativeuniversity,scientificresearchinstitution,statePowerCompany,petroleumtradesandmanufacturingindustriestogethertodevelopthetechnologyoffuelcell.1、科索沃战争及近年来美国西部大停电、马来西亚全国性大停电、台湾发生的三次大停电事故给我们的启示科索沃战争实际上以南联盟的失败而结束了，战前人们预料的北约必须出动地面部队才能结束战斗、有可能又是一场越南战争的情况没有出现，北约仅靠78天的空袭就迫使南联盟屈服了。在这里我们必须充分注意到美国用石墨炸弹破坏南联盟电力系统，从而破坏南联盟国民经济，造成南联盟人民生活陷入极大困境在结束战争中所起的巨大作用。电力工业属技术资金密集型行业，电能生产、输送、使用是在同一时间内完成的。现代电力系统的主要特征是"大机组、大电网、高电压"，运行技术复杂、管理水平要求高。电网上任何一点的故障所产生的扰动都会以光的速度波及开来，严重的故障可能会引起大面积停电甚至全网崩溃，造成灾难性的后果。今年7月29日23时30分，由于台南县关庙乡附近山崩，压倒台电第326号高压输电线铁塔，使得嘉义及台南的两条输电线路跳闸所引发的台湾全岛大停电，至少造成上百亿元新台币的损失，并导致岛内民众一片惊慌。1996年7月2日、8月10日在美国西部连续发生的大停电事故和1996年8月3日马来西亚发生的全国性大停电事故，以及台湾1995年5月24日、8月5日、1999年7月29日发生的三次大停电事故，损失惨重，教训沉痛，给以大电网集中供电的现代社会敲响了警钟。科索沃战争和上述大停电事故告诉我们：以"大机组、大电网、高电压"为模式的现代电力系统是非常脆弱的，在战争状态下更是不堪一击！大电网大面积停电所造成的后果是灾难性的！从现在开始，"大机组、大电网、高电压"的模式再也不能继续发展下去了！如何保证大电网的安全稳定运行，如何保证电力的连续生产、稳定供应成为下世纪电力工业面临的重大课题。在这里我们要指出：分散电源供电系统-燃料电池发电厂由于其巨大的优越性将成为21世纪电力行业的主力军，掌握和发展燃料电池发电技术是事关国家安全和中华民族振兴的重大问题；是事关我国国民经济可持续发展和占领21世纪电力工业技术制高点的重大战略课题。2、燃料电池发电技术发展简况2.1燃料电池的工作原理及特点燃料电池（Fuelcell）是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。其工作原理与一般的电池相似，基本上由电子导电的阴极和阳极及离子导电的电解质构成。在电极与电解质的界面上电荷载体由电子变为离子，在阳极（燃料电池的负极又称燃料极）进行氧化反应，在阴极（燃料电池的正极又称空气极）进行还原反应，燃料扩散通过阳极时失去电子而产生电流。当外部不断地输送燃料和氧化剂时，燃料氧化所释放的能量也就源源不断地转化为电能和热能。燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，有着传统的火力发电难以比拟的诸多技术上的优点。首先，燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。各种燃料发电的平均理论效率在90%以上，应用中因电解质的电阻以及阴阳极的化学反应阻力，实际效率也均在50%以上。如果进一步将化学反应中产生的热能加以利用，燃料电池的总效率可达到80%以上。其次，燃料电池的环境兼容性好。由于整个能量转换过程中没有燃烧，CO2的排放量比常规火电减少40-60%，SOX和NOX的排放量更低，比火电减少90%以上。同时，能量转换的主要装置无运动部件，因此噪音极小。据测试，在已建燃料电池电厂外9米处的噪音仅为60dB。第三，设备可靠性高，对负荷的适应能力强，可以无人操作。燃料电池过载运行或欠载运行都能承受而效率基本不变，负荷变化时响应速度很快。可以直接建在终端用户附近，没有庞大的输配电网络，供电可靠性高。同时节约大量的输配电设备费用并减少损耗。第四，燃料来源广、建设工期短、使用方便。由于是组件化设计，建厂时间很短（平均仅需2个月左右）。电厂不需大量冷水，占地面积极小（几十平方米即可），加上无污染无噪音，选址几乎没有任何限制。可用来发电的燃料种类众多，甲醇、煤气、沼气、天然气、含氢废气、轻油、柴油等均可。从以上这些突出的特点可以看出，燃料电池是一种高效洁净方便的发电装置，非常适合作移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，尤其适宜应用于重要的政府与军事等部门。随着燃料电池的商业化推广，其成本价格会迅速降低，民用市场的前景也将十分广阔。2.2燃料电池的主要类型燃料电池的种类不少，按使用的电解质不同分类，主要有磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体氧气物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。PAFC型燃料电池磷酸燃料电池（PAFC）电解质采用磷酸H3PO4。磷酸化学稳定性好且容易得到，利用磷酸的燃料电池工作温度适中（200℃左右），容易实现大型化应用。配磷酸燃料电池临（内PAF愚C托）是兽目前必技术最成熟、象应用最广泛和东商业化程度最悟高的燃料电池车。回犬MCF武C删型燃料电去池门侦良熔融碳酸盐型休燃料电池本（言MCF湿C枕）的电解质为月碳酸翁盐录Li2CO3桑-K2CO沫3耍，以氢气为燃炉料，氧气为氧无化剂，负荷电器流密丸度叔150mA/馅cm援2靠，单个电池电桶压达椒到兄0.75-0萌.85事V田。工作温度高杰至洁65芝0丈℃岭左右，不需要丽低温电池必须托的铂系催化剂上，而且对燃料真的纯度要求相雁对较低，可以狐在电池内重整支燃料。高工作间温度加速了化念学反应速度，枕减少了极化损闸失，效率提高痰到虑55-58诸%既，高温度的排灯放气体可用来挤进行热电联产双或与汽轮机联蒸合循环，总效搁率更可及达枪70揭%径及更高。所以照设备趟比威PAF忌C对型相对简单，船价格也有优势股。答MCF往C预型燃料电池的院商业化秧比所PAF睁C永型晚贸近赠1戒0兰年，要解决的必关键是寿命问浊题，即在高温麻下液态电解质超的腐蚀与渗漏烘问题主。兼据SOF湖C悟型燃料电哭池绒讯丹固体氧化物燃杏料电池米（稼SOF邻C臂）使用高温下裁成为氧离子导庸体的陶瓷（氧厕化锆系等）为萍电解质，因此晃不会出现电解冷质的蒸发和析脚出，也没有电谅解液引起的材舞料腐蚀和电极纹析出等问题。自工作温练度秀900-10改0蔑0赵℃冷，具有效率高档（田50-65展%纺）、出力密度拥大、结构简单看、寿命长等优魄点，可用于替倡代大型火电。末缺点是必须有吩能适应高温的蠢材料和较高的咱制造技术俘。桐味PEMF当C搏型燃料电池锁忽质子交换膜燃分料电池盲（托PEMF卷C拥）也称为固体眉聚合物（有机逮膜）电解质燃株料电池，相对魄于其它几种燃耐料电池发展较薯迟。工作温条度策50-10挽0狂℃阁，启动快，固券体有机膜的电券解质不怕震动迟。实际应用效阅率可例达冬80乎%竖以上，具有高熊比能量和比功扔率及低温快速金启动等特点倍。校客2.3萄莫燃料电池技术轧的发展概奶况革骤183宪9筐年英国砖的县W.Grov搞e甜在实验室里验就证了燃料电池耻的工作原理。烤但直驻到盏193劈9朱年苏格兰鱼的贴掏co派n康才第一次目用扇KO租H茅水溶液制造出嘱了燃料电池，件工作温看度坏10切0获℃缩，电池电幸压沉0.89摄V割，电流密激度凤13mA/c检m斩2宣。以后美国联液合技术公司道（碍UT亏C姓）购堵买矮Baco溉n否的专利，率先悟开发燃料电池聚技术，并挂于零198栗4尝年成立国际燃们料电池公司颠（殊IF盆C稍）棉。晕杯采燃料电池技术仰最初的应用开罩始于本世哭纪蛙6辰0谦年代的航天技僻术上。采用碱拿性电兴池姥AF崇C屡，但由于其应徒用条件较苛刻亚，必须使用纯搭氢和纯氧且微年量安的翻CO经2要即令电解质变性质，随后开发臭了磷酸型燃料赏电曲池戚PAF吨C畅。抽PAF谎C钓是目前技术最理成熟商业化应塘用最广泛的燃灿料电池，价格输已降低阔至宰150运0朗美小圆夕/k惊W好，美日欧等国昏投入运行丛的衔PAF盘C妻型电站已超过支百座，最大容舱量者为东京电直力公司的五井重电厂宪（尿11M候W别）。勺PAF倍C船的缺点是它需县要贵重金属铂玻做催化剂，还咬需要外部的燃泼料处理器来重签整燃料以提高哥含氢量，降低向了电池的效率蛋并增加了费用纳和占地。因此周，七十年代末比开始开发被称扬为第二代燃料仪电池的熔融碳乒酸盐电池鞋（茶MCF橡C望）即。粮MCF列C研工作于高缴温祖600-70拌0志℃余下，燃料的重陶整在内部进行割从而提高了效详率降低了成本吼，可用于大规匠模发电。目前循有差2M查W咸级验证电站哲于双199权6翼年开始在美扬国车Santa栏Clar聚a语运行，其建设滥周期川仅急2明月，占芝地庆400m场2吓，距厂城房呀9辆米处噪音低煤于认6显0义分贝，发电效挨率快53.7确%堤，燃料使用天张然气和液化气挽，单位造扎价包170剥0妙美莲圆朴/k楼W拾。执出固体电解质型备燃料电菜池苏SOF新C嚷被列为第三代馒燃料电池。具蠢有高效率寿命都长的优点，目逼前正进足行教k怀W隆级的试验工作暗。冲进质子交换膜燃益料电池夕（嫁PEMF箩C完）是近几年研骡究最广泛、技锻术发展最为迅鸣速的燃料电池尿。由于电解质种采用高分子膜慈，具有构造简精单、启动快、赖常温工作的优纹势，最适宜为柿汽车等瓦交通除工具提供无污妖染的动力。加摧拿皂大华Ballar设d概公司怀在迎199怪4孝年研制出可误载幻7蔑5枕人捧的胞PEMF叮C出型电动客车，榆连续行驶里程汁超梅过织40迟0怨公里。小侍目前，世界上绣几乎所有的经习济发达国家都钳在投巨资研究昆开发燃料电池待发电技术。美维国政府及众多杨企业反每年投资达数蚊亿美圆，棕以啊UT骤C隙及其派生出铅的溉IF椒C伪技术最为先进院，预IF育C斧和日本东膝芝公司重于辩199贫0测年成立灭的匆ONS痰I墓公司生产矿的生PC-2瞎5诱型设备应用最摸广，产品遍布受美日欧。日本到的富士电机、圾东芝公司、三饮菱电机等公司躬在政府支持下常，自六十年代笔开始，继美国隔之后大力研发棵燃料电池技术损，运行中的电抓站蜓仅炎PAF本C劣型即超共过兔10吵0稼座，装酸机炸30M单W踏以上。欧洲各蚂国，加拿大，落韩国等国家由贪政府和企业界熔合作，也在燃害料电池研究与按应用上取得诸捞多进展。亿休我国荷在应6槐0洞年代就开始了煎多种燃料电池剑的实验室研究将，变7凡0沃年代曾投入大畏量人力物力研版究燃料电池用友于空间技术，友此后研究工作玩有很长时期的榆停顿。最近几缎年，私科学绑界和企业界的峡一些有识之士艘开始重新将目辅光投向燃料电县池技术，尤其诱在盏PEMF黎C斜技术方面已取撞得了较大的进际展。但由于刚杏刚起步，国家键和企业投入资沉金极为有限（轿仅为千万元人湿民币级），且希研究力量分散抬各处，难以取器得突破性进展吹，尤其是难以含将取得的成果乏进行实际应用任试验。棒2.4傲豪燃料电池发电等方式与火力发售电方式的技术便经济比较筛坊燃料电池发电黑的高效率、无辰污染、低噪音弓性能符合未来民工业的发展趋单势，其简单的夕运行方式和优缸越的运行稳定桑性是火力发电仍难以比拟的，展多种燃料种类绍和方便来源使盼燃料电池不存长在应用上的障庙碍。促膏燃料电池是分水散电源，可以津直接建在终端书用户。没有庞昨大的输配电网锄络，不存在网吉络故障引起的膝供电中断，供掠电可靠性大大中提高了。燃料示电池故障只抓影响驶局部用户，没墙有现代电力系护统大面积停电顿的危险。雪从端目前群看，国外已运衣行的燃料电池妈电站的价格大烈约绒为锯150添0稍美微圆爷/k糟W亮，考虑燃料电次池的环保效益图，已具备与火映电竞争的资格限。燃料电池建妈设周期短，占医地极小，就近费负荷安装，节竖约建设费用、硬运行费用和维与护费用的同时苗，节约了输配耕电贪网络夫建设费用并减辱少线损。而在地传统火力发电推时，由于电站雁基本上都远离具负荷中心，往卖往需要投入相皂当于发电设备惯造臣价筹1-子2割倍的网络建设齿费用来配套。画网络的安全与塌稳定运行更是寸时刻困扰大电茄网的桨问题员之一。忌3控、从国家安全发及战略高度出撇发认识按发展怖我国燃料电池径发电技术的重掘大意茶义敬唇3.1疾台湾皮问题给我国电雅网安全运行提乳出新的挑赤战择龙希自李登辉提界出祥"拢两国下论废"稀以来，两岸关剧系骤然紧张。遇李登辉提盟出返"博两国损论钩"姑是对大陆反应扫的一种试探，上其目的是为台苍湾走向独立制挪造舆论。从李橡登辉上台以来例的种种表现看铃，其否定一个劝中国证的原则蓄谋已肃久，其最终目功标是分裂祖国港实现台湾独立对。这种局面的龙出现毫无疑问液会导致海峡两苏岸发生一场战茄争，而这一战袋争将引发更大磨范围的战争。帅也就是说，由猾于美国长期介交入台湾问题，屯和台湾有着广举泛而密切的联脖系，并且美国庭明确表示反对顷中国政府用武焦力解决台湾问怎题。所以一旦箭两岸发生战争爸，可以肯定美惯国将站在李登溉辉一边，陈兵习海峡直接和中笑国政府进行军云事对抗。最近应，竞选美国下或届总统的小乔规治凤.态布什就声称将改用武力保护台隔湾的安软全。在此情况客下，我国不仅圾仅是面对台湾抬李登辉的军队刃，更大程度上称是面对美国的岭强权势力，芹美国在科索沃回战争中使用的抱石墨炸弹完全抱可能会投向中拼国大陆的电力粗系统。匹由于大陆电网胆覆盖区域广、确人口多，战争坐破坏造成的大承停电所带来的霉灾难性后果将罗更为严重，对划此我们必须有插高度清醒的认敌识，万万不可踢掉以轻心。作指为国民他经济固基础的电力顾工业绘，如何保证电零能的连续生产忌稳定供应？如单何避免电网崩肚溃所带来的灾磁难性后果？已劝现实地摆在我凶们国家面前。饺我们必须制定惠相应的措施，裁未雨绸缪，防揪患于未然。很塌明显，燃料电主池作为分散电则源供电系统，岩在战争状态下悲的可靠性是任砌何其他系统所跃无法比拟的。受因此加快发展暖我国的燃料电溪池发电技术，米对保障国家安具全，抵御外敌渗入侵，促进国捏民经济健康发堪展将起到不可泥估量的作用。镜3.2运驾加快发展我国调的燃料电池发箭电技术，占掀领大2誉1宫世纪电力工业库技术制高点，氏是我国国民经口济可持续发展眠的战略需要临师由于燃料电池弯具有能量转换讨效率高，污染愚极小，用水少是、占地小等突即出优点，在发百达国家已受到愧政府和贡企业绢的高度重视，输并成为十分活屡跃的重要仆研究鹊领域。美国政候府盐199紧5夹年就把燃料电取池列为菊影响赛美国国家安全涛和经济繁荣谊的绢2甲7积个关键技术领宏域之一，美国菊时代式周县刊梯199根5挑年将燃料电池党电动车列锋为腥2炭1姜世纪十大高新株技术之首。美脱、加、日、欧齐都在投入巨资政开发燃料电池虎，已在国防工灵业和民用工业事等方面取得较格大进展。美、爱加、欧已将燃汇料电池示应用经于第三代潜艇妖，美国有数万炊台燃料电池发横电站应用于宾易馆、扒医院蔬及居民小区，浅日本已建唇成剂11M斗W五燃料电池发电纺厂库。捞公2纪1卧世纪将是氢能支的世纪，燃料介电池作为把氢困能直接转化为乱电能的洁净发济电装置即将大细规模全面进入毅社会葱，从军用到民尝用，从潜艇汽胞车动力、卫星舌飞船电源到城盐市区域供电，戒其开发应用前至景十分广阔，翻市场潜力巨大绒。美国预计：辛到太201叉7袋年晃30怠%槽的电能将由燃肠料电池提供。蔽我国是一个发魄展中国家，能垫源作为基础工废业在国民经济钟中的地位十分泉重要，加强燃堂料电池的研究胳开发并形成新读的经济增长点律，意义重大，尸尤其是关系到策我国加使入责WT书O距后未来整个能帜源行业的发展聚。符存我国政府已认方识到燃料电池金的重要性，但泛是，组织开发抖的力度还远远洽不够。与国外姨相比，我国的么燃料电池研究省水平还较低，漏总的来说仍处努于科研阶段，抽离实用化商业捐化应用还有较出大距离。迄今反为止，还没有网燃料电池发电把站的应用实例贯，这和我国这坑样一个大国的皇地位很不相称渐。拖其主要原因在残于：研究力量绕分散，经费投现入少，没有产嘉业界的参与。欣尽管国家位科技发部也将燃料电仪池技术列摘为趣"蚀九融五怨"伸攻关项目，但洪经费较少，年殿度经费仅为百天万元级，与发悦达国家数亿美备元的投入相比义微不足道。承细担研究任务的蛇也只是中科院车等少数科研院那所，没有企业星的乎介入，很难形社成产业化的趋暗势。而美、加循、欧、日则有筛数十家专门研少究开发、生产中制造燃料电池职的公司，如加料拿大奉的境Ballar农d园公司，其资产讽已趟达支1滨0益亿美元板。饺瑞跟从国家安全和愚国民经济可持势续发展的战略悟需要出发，我训国必须大力发魄展军民两用燃带料电池发电技坡术。为了促进抹燃料电池发电痒技术的实用化慨商业化研究开工发，钻建议由国家科桨技部、国家发册展委、国家经案贸委牵头，根添据国家长远发忠展需要出发，桶制订规划，组滋织有关高等院赴校、科研院所乞和国家电力公庙司、石油集团夕、石化集团及饱机械制造等工便业部门参与研活究开发。集中厌研究力量，加糕大经费投入。犬除国家加大研池究经费投入力治度外，各大电刘力、电气、汽区车、石油、石基化等企业也应谦投入大量人力患、物力、财力闪从事燃料电池健发电技术的研器究开发和应用疲工作。比如国寻家电力公司系刻统郑，抄1998-2往00域0逗年城乡电网改型造总费用腿达肚300民0吴亿元，可否从尝中拿置出珠1符0切亿元用于燃料绩电池发电技术猪的研究开发和滚应用工作付？音痛泽下世纪头十年伶，将是燃料电份池发电技术商但品化、产业化响的重要阶段，将其技术实用性吹、生产成本都遇将取得重大突挪破。徐分散电源供电体系洒统竖-秀燃料电池发电台厂必将驾在禽2耳1冻世纪内取代译以疏"递大机组、大电兼网、高电哲压管"象为主要特征的高现代卫电力系统，成届为电力行业的莫主力军。而燃辉料电池的普遍寇推广应用，必俘将在能源及相春关领域引发一碰场深刻的革命窃，促进新兴产破业的形成，带压动国民经济高差速发展。基对能源领域的章这场革命，政服府、企业、科钳研院所、高等排院校都必须给海予足够的认识圈和重视，准确南把握它所带给都我们的机遇和壮未来。针对电录力工业，我们为不应过分强调深发展更高的电分压等级、更大呼的单机容量以你及大区电网互况联等。适当控黑制单机容量、窑电压等级、电狐网规模的发展与，而应将有限买的人力、物力瞧、财力投入到米燃料电池发电斗技术的研究开妖发和应用上来誓，使之早日实时用化产业化，锻为国家安全和道国民经济可持穷续发展服务。参考文献泼1挂窃衣宝蝶廉中.归惠燃料电池现状脸与未漏来伐.灌电源技昨术影,1998;社22(5):蒸216习2否肿陆天怖虹课呀孙公扛权趋.爹西我国燃料电池合发展概种况慰.摩牺电源技限术华,1998;纲22(4):郊182汇3筑针郑重德选等配.衣深质子交换膜燃渠料电池研究进拔展蝴.练电源技顷术朵,1998;激22(3):挂133线4三养陆虎偷瑜烛.被丝质子交换膜燃哗料电池系统开街发及应用进饱展使.厕厨电工电能新技赌术腿,199楚9幅年湾第霸2横期兄除5怕袋徐洪伤峰子.瞎侄质子交换膜燃资料电池数学模莫型评奉述志.护穷电源技览术毫,1999;躺23(1):劫33等6猫搁衣宝廉察等蚀.翁你千瓦级质子交俭换膜燃料电珠池丑.寸肤电源技齐术误,1999;乓23(2):珍120闲7匆财赖郑拐坚帽.封蠢值得高度重视晨的新型产麦业看-冤燃料电离池狭.购坐中国能穗源蓬,1998,陪3庭8鼻池张曲馅强忌,矿李彦尖鹏畜,零许晋离源蛛.毙利用煤层气资稿源开发燃料电晴池的探殿讨娱.靠新能窗源吼,1998,胡20(8).知35-39帜9看谣日本燃料电池伶的开发和应芹用熊.救共新能队源迟,1998,亦20(11)勒.40-44嗓国10嘉礼毛宗恳强飞.栏社质子交换膜燃昆料电游池栽(PEMFC菌)石最新进捧展第.咸顾新能区源飞,1999隶,21(1)昂.7-10脸11险常刘