探讨在我国电力系统发展燃料电池发电的技术路线

摘要：本文介绍了燃料电池发电技术的特点和应用形式，论证了在我国电力系统发展燃料电池发电技术的必要性。概述了国外燃料电池的发展计划和市场预测，总结了国外发展燃料电池的经验。通过技术比较，提出了在我国电力系统发展燃料电池发电的技术路线。

l、燃料电池发电的技术特点和应用形式

1.1 技术特点

燃料电池发电是在一定条件下使燃料（主要是H2）和氧化剂发电化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。与常规发电相比燃料电池具有以下优点：

（1）理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到50%一60％，组成的联合循环发电系统在（10-50）MW规模即可达到70％以上的发电效率。

（2）污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，C02排出量可减少40％一60％。Nox（＜2ppm）和SOx（＜1ppm）排放量很少。

（3）小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小。

（4）低噪音。在距发电设备3英尺（1.044米）处噪音小于60dB（A）。

（5）电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。

（7）燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。

（8）模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。

（9）占地面积小，占地面积小于lm2／KW.

（10）自动化程度高，可实现无人操作。

总之，燃料电池是一种高效、洁净的发电方式，既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站，是2l世纪重要的发电方式。制约燃料电池走向大规模商业化的主要因素是：高价格和寿命问题。

2.1 燃料电池的应用形式

（2）分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约（2-20）MW.

（3）基本负荷的发电站（中心发电站），容量为（100-300MW）。

（4）燃料电池还可用于100W-100KW多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源和计算机电源等。

2、为什么要在我国电力系统发展燃料电池发电技术？

2.1 采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一

2.2 燃料电池发电可有效地降低火力发电的污染物和温室气体排放量

2. 3 采用燃料电池发电可提高供电的灵活性和可靠性

燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高等突出特点，是理想的分布式电源。与目前一些可做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250KW-lOMW的功率范围内，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。现代社会对供电的可靠性和环境的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、台湾相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失。北约轰炸南联盟，使电力系统严重受损。这些由不可抗力引起的电网破坏无不使人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运转，供电的可靠性将会大大提高。

对于象军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电力供应的可靠性和质量要求很高。目前采用的备用电源效率低、污染严重、电压波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提供电力，会使供电的可靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。

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。燃料电池的重量比功率和体积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是理想的移动电源，适合于各种建设工地、野外作业和临时急用。

2.4 发展燃料电池发电技术是提高国家能源和电力安全的战略需要

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、资助和推动密不可分。在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家的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高新发电技术之一。燃料电池突出的优点，以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在21世纪会起到越来越重要的作用。

2.5 发展燃料电池发电技术是国电公司“加强技术创新，发展高科技，形成高新技术产业”的需要

燃料电池发电技术是电力工业中的高新技术，己受到普遍重视。美国燃料电池发电技术的研究开发主要由美国能源部组织实施，其中一个重要的目的就是形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力。日本的东京电力公司、关西电力公司及其它公用事业单位是日本燃料电池开发及商业化的主要承担者和推动者，其目的也是为电力公司注入新的经济增长点以获得巨大的经济效益和社会效益。

国家电力公司处在完成“两型”、“两化”、 “进入世界500强”的历史时刻，恰逢党中央国务院号召全国各行业“加强技术创新，发展高科技，实现产业化”的有利时机，在国家电力公司内不失时机地进行燃料电池发电技术的研究开发是非常必要的。采取引进、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发电关键技术，不仅可以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发电系统的结构调整、技术创新、形成高新技术产业、实现跨越式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。

2.6 燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景

未来二十年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的不断完善及液化天然气（LNG）的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。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（IGCC）结合，形成数百兆瓦级的大型、高效、低污染的中心发电站，比IGCC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。采取气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，并降低污染物排放量。对一些经济欠发达但有丰富的沼气资源的地区，利用燃料电池发电技术有可能更有有效地解决这些地区的电力供应问题。

2.7 与国外有较大的差距

2.8 在我国电力系统发展燃料电池发电技术是市场经济条件下的迫切要求

分散式电源作为大电网的有效补充己得到许多国家的重视，而电源提供者的多元化更是一种趋势。我国电网的容量大、技术水平和可靠性还较低、抵御各种灾害的能力较差，在这种情况下，小型高效的燃料电池分布式电源随着技术的商业化市场潜力巨大。

倘若电力系统不及时进行研究开发，在未来几年内，有可能被国外企业和国内其它其它行业或民营企业占领燃料电池分散电源市场。在市场经济条件下，国电公司既是用户，又是开发者。对于燃料电池这样重要的发电高新技术，应不失时机地着手研究开发，联合国内一些基础研究单位，争取纳入国家的攻关计划，获得国家支持，在尽可能短的时间内，形成燃料电池发电技术研究开发的优势，开发燃料电池发电关键技术和成套技术，形成国电公司的高新技术产业，既可优化调整电力结构，又能满足市场的不同需求。

3、国外燃料电池发展计划及商业化的预测

研究美、日、欧洲等国家和地区燃料电池的发展进程及商业化的预测，对我们制定燃料电池的发展战略和预测应用前景会有一定的参考价值。

3.1美国燃料电池发电技术研究开发状况

（1）美国燃料电池发电技术的研究开发计划

美国政府鼓励在一些对环境敏感的地区建立燃料电池发电站。此外，政府已促使美国所有的军事基地安装200KW燃料电池发电机组。通过这些措施，加速燃料电池的商业化，并提高国家能源的安全性。美国政府投入巨资研究开发燃料电池发电技术的另一个目的，就是要保持美国在这一领域的领先地位。随着商业化过程不断深入，将逐步形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力，提供更多的就业机会。

美国DOE的燃料电池发展计划如下：

PAFC己商业化，不再投入资金进行研究开发。PAFC目前的发电效率为40％一45%（LHV），热电联产的热效率为80％（LHV）。

（LHV），组成联合循环的发电效率达到72％（LHV），热电联产的热效率达到85%（LHV）以上，燃煤时发电效率可达到65％（LHV），这一目标预计2010完成。

美国是最早研究开发PEFC的国家，但在大容量化和商业应用方面已落后于加拿大。目前美国生产的质子交换膜仍居世界领先水平。美国在PEFC的开发方面是面向家庭用分散式电源，实现热电联供。Plug Power公司与GE合作，计划2001年使10kw PEFC进入商业化，价格达到S750-1000／kw，大批量生产后，使PEFC的价格达到$350／kw.

（2）市场预测

3.2 日本燃料电池发电技术的发展进程及应用前景预测

（1）发展进程

（2）政府采取的措施

日本政府在“月光计划”和“新阳光计划”中，先后资助了3台200kw、2台lMW和l台5MW的PAFC；1台100kw和1台1MW的MCFC示范电站研究开发、建设及运行。

在通产省和NEDO的统一组织和管理下，使公用事业单位（电力公司和煤气公司）和开发商及研究单位紧密结合，实现燃料电池研究开发和商业示范应用一体化。日本电力公司和煤气公司，过去十年来安装了约80多台燃料电池机组，装机容量达到20.1MW，燃料电池及 电厂的费用主要由业主承担，但是制造商和政府也各承担一部分。这种政府和企业联合研 究开发的方式促进了日本燃料电池的发展。使用燃料电池发电享有许多优惠政策：燃料电池的相关设备，在未超过一定规模时，其工程计划仅须申报即可动工。对500kw以下的常压燃料电池生产与使用的审批手续大大简化。在医院、旅馆、办公大楼等安装的燃料电池发电机组，政府提供的经费资助。新建的燃料电池发电设备享有10%的免税额，并获有30％的加速折旧。对装设于电力公司或自备发电用的燃料电池项目，日本开发银行将提供投资额40％的低息贷款。

（3）市场预测

3.3其它国家和地区的发展进程

3.4 国外发展燃料电池发电技术的经验总结

回顾国外燃料电地发展的道路，有许多值得我们吸取和借鉴的经验。下面归纳几点：

美国在燃料电池发电技术的研究开发方面始终处于世界领先地位。除了雄厚的财力之外，还有三方面重要的原因：一是政府将燃料电池发电技术视为提高火力发电效率、减少污染物和温室气体排放的重要措施，列入政府的“改变气侯技术战略”中，并大力投入资金和力量研究开发；二是燃料电池技术提高到“国家能源安全并大力投入资金和力量研究开发；二是将燃料电池技术提高到”国家能源安全关键技术“的战略高度，DOD和DOE均投入资金研究开发；三是对燃料电池的应用前景充满信心，希望能形成新的高技术产业，给美国的经济注入新的活力，政府和企业共同投入资金研究开发，力图保持领先地位。

日本走的是一条通过与美国合作、引进技术并消化吸收实现产业化的路线，并在PAFC的商业化方面己超过了美国，在MCFC的研究开发方面也接近美国。成功的重要经验也是政府对燃料电池给予高度重视，先后列入了“月光计划”和“新阳光计 划”，大力投入研究开发。另一条经验是研究机构、企业和用户联合，组成从研究、开发到商业应用一体化集团，既承担研究开发的风险，也享受成功的优惠。

燃料电池起源于欧洲，但是，现在欧洲的燃料电池技术已远远落后于美国和日本。主要原因是政府和企业对燃料电池发电技术重视不够。目前，欧洲已经意识到这一点，成立了-个燃料电池发电技术集团，引进美国、日本的技术，并进行研究开发。

4、各种燃料电池发电技术综合比较

（1）AFC：与其它燃料电池相比，AFC功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。

（3）MCFC：在650℃一700℃运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属：燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气／蒸汽联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低。缺点是：必须配置C02循环系统；要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM；熔融碳酸盐具有腐蚀性，而且易挥发；与SOFC相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC己接近商业化，示范电站的规模已达到2MW.从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是将来民用发电（分散电源和中心电站）的理想选择之一。

（4）SOFC：电解质是固体，可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池（AFC、PAFC和MCFC）相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长（已达到70000小时）。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右，燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长（可大于40000小时）；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源（500kw一50MW），也可用作大容量的中心电站（＞l00MW）。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。

（5）PEFC：PEPC的运行温度较低（约80℃），它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高（45％一50%（LHV）），对CO的容许值较高（＜10ppm）。PEFC的余热温度较低，热利用率较低。与PAFC和MCFC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。PEFC是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做大容量中心电站。

5、结论

选择适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，应综合考虑以下几点：较高的发电效率；环保性能好；既能作为高效、清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站的发展潜力；既能以天然气为燃料，又具有以煤为燃料的可能性；技术的先进性及商业化进程；运行的可靠性和寿命；降低造价的潜力；国内的基础。综合考虑以上几点，对适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，提出以下几点选择意见：

（1）优先发展高温燃料电池发电技术。即选择MCFC和SOFC为我国电力系统燃料电池发电技术的主要发展方向，这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站（以天然气或煤为燃料）的发展潜力。

（2）MCFC和SOFC各有特点，都存在许多问题，尚未商业化。若考虑技术难度和成熟程度以及商业化的进程，对于MCFC，应走引进、消化吸收、研究创新，实现国产化的技术路线，并尽快投入商业应用：对于SOFC，应立足于自主开发，走创新和跨越式发展的技术发展路线。

（3） 随着氢能技术的发展，PEFC在移动电源、分散电源、应急电源、家庭电源等方面具有一定优势和的市场潜力，国家电力公司应密切跟踪研究。

（4） AFC不适合于民用发电。PAFC技术目前已趋于成熟，与MCFC、SOFC和PEFC比较，已相对落后。因此，AFC和PAFC不应做为国家电力公司研究开发的方向。