關鍵詞：燃料電池技術路線

燃料電池發(fā)電是將燃料的化學能直接轉換為電能的過程，其發(fā)電效率不受卡諾循環(huán)的限制，發(fā)電效率可達到50％一70％，被譽為二十一世紀重要的發(fā)電新技術之一。目前，國際上磷酸型燃料電池已進入商業(yè)化，其它幾種燃料電池預計在2005年一2010年200KW一將全面進入商業(yè)此。對于這種蓬勃發(fā)展的發(fā)電新技術，國家電力公司應該采取怎樣態(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)電的技術特點和應用形式

1．1技術特點

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)電化學反應，將化學能直接轉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，能量轉換效率高。與常規(guī)發(fā)電相比燃料電池具有以下優(yōu)點：

(1)理論發(fā)電效率高，發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｈ剂想姵乇倔w的發(fā)電效率可達到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)電效率受負荷和容量的影響較小。

(4)低噪音。在距發(fā)電設備3英尺(1．044米)處噪音小于60dB(A)。

(5)電力質量高。電流諧波和電壓諧波均滿足IEEE519標準。

(6)變負荷率高。變負荷率可達到(8％一lO％)／min，負荷變化的范圍大(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)模塊化結構，擴容和增容容易，建廠時間短。

(9)占地面積小，占地面積小于lm2／KW。

(10)自動化程度高，可實現(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：高價格和壽命問題。

2．1燃料電池的應用形式

(1)現(xiàn)場熱電聯(lián)供，常用的容量為200KW一1MW。

(2)分布式電源，容量比現(xiàn)場用燃料電池大，約(2—20)MW。

(3)基本負荷的發(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多種可移動電源、便攜式電源、航空電源、應急電源和計算機電源等。

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?

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)電效率達到60—75(LHV)，這一目標將在2005年左右實現(xiàn)。預計到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)電效率可達到62％以上。以燃料電池組成的熱電聯(lián)產(chǎn)機組的總熱效率可達到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，一般可達到(O．139一0．236)kg／MW·h以下，遠低于天然氣聯(lián)合循環(huán)的NOx排放量(1kg／MW·h一3kg/MW．h)。由于燃料進入燃料電池之前必須經(jīng)過嚴格的凈化處理，碳氫化合物也必須重整成氫氣和CO，因此，尾氣中S02、碳氫化合物和固態(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分離和隔絕技術尚不成熟的狀況下，通過提高能源轉換效率減少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、模塊化結構、體積小、可靠性高等突出特點，是理想的分布式電源。與目前一些可做為分布式電源的內燃機相比，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，具有與目前數(shù)百兆瓦中心電站相當甚至更高的發(fā)電效率。作為備用電源的柴油發(fā)電機由于污染和噪聲大不宜在未來的城市中應用。

低溫燃料電池不僅發(fā)電效率高，而且啟動快、變負荷能力強，是很好的備用電源?，F(xiàn)代社會對供電的可靠性和環(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、臺灣相繼發(fā)生因自然災害或人為因素造成的大面積停電，許多重要用戶長期不能恢復供電，給社會和經(jīng)濟造成了巨大的損失。北約轟炸南聯(lián)盟，使電力系統(tǒng)嚴重受損。這些由不可抗力引起的電網(wǎng)破壞無不使人引發(fā)出一個重要的思考：提高我國電力系統(tǒng)供電的可靠性和供電質量，雖然主要依靠電網(wǎng)的改造和技術革新，但如果在電網(wǎng)中有許多分布式電源在運轉，供電的可靠性將會大大提高。

對于象軍事基地、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、制藥和化學材料工業(yè)、精密制造工業(yè)等部門，對電力供應的可靠性和質量要求很高。目前采用的備用電源效率低、污染嚴重、電壓波動大。而采用燃料電池作為分布式電源向這些部門提供電力，會使供電的可靠性和電力質量大大提高。他們將是燃料電池發(fā)電技術的第一批用戶。

對于邊遠地區(qū)，負荷小且分散，若建設完善的電網(wǎng)，不僅投資大，線損大，且電網(wǎng)末端地區(qū)電力質量不穩(wěn)定。對于這些區(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，它也是理想的移動電源，適合于各種建設工地、野外作業(yè)和臨時急用。

2．4發(fā)展燃料電池發(fā)電技術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)電列為國家安全關鍵技術之一。美、日之所以能在燃料電池技術方面處于世界領先地位，與國家從戰(zhàn)略高度予以組織、資助和推動密不可分。在目前復雜的國際環(huán)境下，高技術的壟斷日趨嚴重，掌握清潔高效發(fā)電的高新技術對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，正是這種高效清潔的高新發(fā)電技術之一。燃料電池突出的優(yōu)點，以及發(fā)達國家竟相投入巨資研究開發(fā)的行動，足以說明燃料電池發(fā)電技術在21世紀會起到越來越重要的作用。

2．5發(fā)展燃料電池發(fā)電技術是國電公司“加強技術創(chuàng)新，發(fā)展高科技，形成高新技術產(chǎn)業(yè)”的需要

燃料電池發(fā)電技術是電力工業(yè)中的高新技術，己受到普遍重視。美國燃料電池發(fā)電技術的研究開發(fā)主要由美國能源部組織實施，其中一個重要的目的就是形成新的高技術產(chǎn)業(yè)，為美國的經(jīng)濟注入新的活力。日本的東京電力公司、關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)化的主要承擔者和推動者，其目的也是為電力公司注入新的經(jīng)濟增長點以獲得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

國家電力公司處在完成“兩型”、“兩化”、“進入世界500強”的歷史時刻，恰逢黨中央國務院號召全國各行業(yè)“加強技術創(chuàng)新，發(fā)展高科技，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的有利時機，在國家電力公司內不失時機地進行燃料電池發(fā)電技術的研究開發(fā)是非常必要的。采取引進、消化、吸收和再創(chuàng)新的技術路線，以高起點，在盡可能短的時間內初步形成自主產(chǎn)權的燃料電池發(fā)電關鍵技術，不僅可以使我國在燃料電池發(fā)電技術領域與國外的差距大大縮小，而且，對國家電力公司進行發(fā)電系統(tǒng)的結構調整、技術創(chuàng)新、形成高新技術產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)跨越式發(fā)、提高國際競爭能力都具有非常重要的意義。

2．6燃料電池發(fā)電技術在我國有廣闊的發(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)的廣泛應用，燃用天然氣的燃料電池發(fā)電將會有很大市場。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)燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)結合，形成更高效率的發(fā)電方式。與煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)結合，形成數(shù)百兆瓦級的大型、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、風電和太陽能發(fā)電等結合，在高出力時，利用電解水制氫，低出力時用燃料電池發(fā)電，達到既儲能，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變?yōu)槿剂蠚猓ㄟ^燃料電池發(fā)電，提高能源轉換效率，并降低污染物排放量。對一些經(jīng)濟欠發(fā)達但有豐富的沼氣資源的地區(qū)，利用燃料電池發(fā)電技術有可能更有有效地解決這些地區(qū)的電力供應問題。

2．7與國外有較大的差距

在燃料電池發(fā)電技術方面，我國與國際先進水平有較大的差距。在MCFC和SOF