【正文】 能燃料電池 (PEMFC) 著名的加拿大 Ballard公司在 PEMFC技術(shù)上全球領(lǐng)先，現(xiàn)在它的應(yīng)用領(lǐng)域從交通工具到固定電站，其子公司 Ballard Generation System被認(rèn)為在開發(fā)、生產(chǎn)和市場化零排放質(zhì)子交換膜太陽能燃料電池上處于世界領(lǐng)先地位。下圖是安裝在美國 Cinergy的 Ballard太陽能燃料電池裝置，目前正在測試： Ballard 太陽能燃料電池 下圖是安裝在柏林的 250kW PEMFC太陽能燃料 電池電站： 250kW PEMFC 太陽能燃料電池電站 在美國， Plug Power公司是最大的質(zhì)子交換膜太陽能燃料電池開發(fā)公司，他們的目標(biāo)是開發(fā)、制造適合于居民和汽車用經(jīng)濟(jì)型太陽能燃料電池系統(tǒng)。假設(shè)有 20萬戶家庭各安裝一個(gè) 7kW的家用太陽能燃料電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個(gè)核電機(jī) １６ 組的容量，這種分散型發(fā)電系統(tǒng)可用于尖峰用電的供給，又因分散式系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)依然能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。早期的膜電極是直接將鉑黑與起防水、粘結(jié)作用的 Tefion微 ?；旌虾鬅釅旱劫|(zhì)子交換膜上制得的。膜電極上鉑載量的減少，直接可以使太陽能燃料電池的成本降低，這就為其商品化的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備了條件。他們通過不同的方法建造 MCFC堆。 MC Power公司正在研制 500kW模塊，計(jì)劃 2021年開始生產(chǎn)。三洋公司也研制了 30kW內(nèi)重整 MCFC?，F(xiàn)在 MBB公司擁有世界上最大的 280kW電池組體。 SOFC的特點(diǎn)如下： l 由于是高溫動(dòng)作（ 6001000℃），通過設(shè)置底面循環(huán)，可以獲得超過 60%效率的高效發(fā)電。下圖為西門子 西屋公司開發(fā)出的世界第一臺(tái) SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電站，它于 2021年 5月安裝在美國加州大學(xué)，功率 220kW，發(fā)電效率 58%。 80年代中后期，它開始向研究大功率 SOFC電池堆發(fā)展。下圖為西屋公司在荷蘭安裝的 SOFC示范電廠，它可以提供 110kW的電力和 64kW的熱，發(fā)電效率達(dá)到 46%，運(yùn)行 14000h。早在 1972年，電子綜合技術(shù)研究所就開始研究 SOFC技術(shù)，后來加入 月光計(jì)劃 研究與開發(fā)行列， 1986年研究出 500W圓管式 SOFC電池堆，并組成 。 80年代后期，在美國和日本的影響下，歐共體積極推動(dòng)歐洲的 SOFC的商業(yè)化發(fā)展。我國還將利用豐富的鄰國天然氣資源，俄羅斯西西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量為 m3，可向我國年供氣 200~300億 m3 ；俄羅斯的東西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量 m3 ，可向我國年供氣 100~200億 m3；俄遠(yuǎn)東地區(qū)、薩哈林島探明天然氣儲(chǔ)量1萬億 m3，可向我國東北年供氣 100億 m3 以上。 另外作為后續(xù)資源，我國已發(fā)現(xiàn)在南海、東海深處有大量的天然氣水合物，其資源量為 700億噸石油當(dāng)量。 我國有 大量的生物資源（薪材 3000萬噸、秸桿 45000萬噸、稻殼 1500萬噸、垃圾），這種密度低分散度高資源可以轉(zhuǎn)換成沼氣或人工煤氣或 甲醇 供分散的、小型高效的太陽能燃料電池使用。國內(nèi)富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價(jià)格為 10000元 /kW。目前的情 況正在發(fā)生變化，較分散的發(fā)電站的出現(xiàn)，再加上對改善能源投資的選擇，傳統(tǒng)的觀念變得過時(shí)了。因?yàn)榇箅娋W(wǎng)有其優(yōu)越性的同時(shí)，也存在著缺陷，如高電壓長距離輸電將有 68%的損失。在近年它首先受到了交通界的重視，作為交通動(dòng)力裝置已被搬 上汽 車、艦船，幾乎同時(shí)它受到了國外電力系統(tǒng)的重視。隨著其生產(chǎn)成本的降低，太陽能燃料電池也將在我國獲得快速的發(fā)展，它將對傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成有利 的挑戰(zhàn)。在缺乏調(diào)峰手段和缺乏調(diào)峰電量的東北電網(wǎng)加大太陽能燃料電池的入網(wǎng)量，必將大大地提高未來電網(wǎng)的調(diào)峰能力。在某個(gè)遠(yuǎn)距離的基本負(fù)荷電源跳閘時(shí)，太陽能燃料電池可以對電網(wǎng)起到一定的支承作用，保證重要用戶的電能需求。 我國的煤炭資源比較豐富，目前在我們的能源結(jié)構(gòu)中約占 72%。這樣可以使我們更快地掌握高技術(shù)，有利于太陽能燃料電池發(fā)電在我省更快的發(fā)展。應(yīng)從現(xiàn)在起加強(qiáng)太陽能燃料電池發(fā)電的研究工作，立足于用高技術(shù)改造東北電網(wǎng)。專家認(rèn)為能源革 命時(shí)間正在縮短，新的能源結(jié)構(gòu)革命正在悄悄地來臨，其動(dòng)力來自于目前的能源利用方式與環(huán)境的矛盾日益尖銳、傳統(tǒng)的能源利用方式與能源資源量的矛盾日益尖銳。中外近年多次電網(wǎng)事故證明，在 地震 、水災(zāi)、暴風(fēng)、冰雪、雷電等自然災(zāi)害面前，這種系統(tǒng)往往是十分脆弱的。 可以使用天然氣、煤氣為燃料的 MCFC、 SOFC發(fā)電能力為數(shù)千 kW發(fā)電裝置將座落于較大的公用場所，用管道向太陽能燃料電池提供燃?xì)鉃楦浇挠脩籼峁╇娏蜔崮?，使城市的發(fā)電不再污染環(huán)境。二十一世紀(jì)，這種區(qū)域性、環(huán)境友好的、高效的發(fā)電技術(shù)有可能發(fā)展成為一種主要的供電方式。 8．對電力系統(tǒng)的影響展望 被稱為第四代發(fā)電方式的太陽能燃料電池，由于具有燃料利用效率可達(dá) 80%、不排放有害氣體（ PAFC不排放任何氣體）、容量可根據(jù)需要而定，所以受到了各方面的極大關(guān)注。這種電網(wǎng)會(huì)使得各種能源得到更好利用和配置，這種變化將要求未來的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式有一個(gè)重大的變革。隨著太陽能燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷完善，造價(jià)將不斷的降低，特別是在規(guī)模化生產(chǎn)后，其造價(jià)將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來這種發(fā)電方式會(huì)對傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。 ２２ 7．太陽能燃料電池發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性 太陽能燃料電池是一種正在逐步完善的能源利用方式。 另外由于環(huán)保的需要和 IGCC技術(shù)的推動(dòng)，煤的大型氣化裝置技術(shù)已經(jīng)過關(guān)。 我國還可利用的液化 天然氣（ LNG）資源也是十分可觀的，可向中國立即提供 LNG的國家有印度尼西亞、馬來西亞、卡塔爾等國。低溫太陽能燃料電池要用氫氣，高溫太陽能燃料電池可以直接使用天然氣、 煤氣。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從 1990年起對疊層波紋板式 SOFC系統(tǒng)進(jìn)行研究和綜合評價(jià)，研制出 406W試驗(yàn)裝置，該裝置的單電池有效面積達(dá)到 131cm2。使電池能量密度得到顯著提高，是比較有前途的 SOFC結(jié)構(gòu)。該公司為荷蘭 Utilies公司建造 100kW管式 SOFC系統(tǒng)，能量總利用率達(dá)到 75%，已經(jīng)正式投入使用。 80 年代后，為了開辟新能源，緩解石油資源緊缺而帶來的能源危機(jī)， SOFC研究得到蓬勃發(fā)展。 在固定電站領(lǐng)域， SOFC明顯比 PEMFC有優(yōu)勢?？諝庵械难踉诳諝鈽O /電解質(zhì)界面被氧化，在空氣燃料 之間氧的分差作用下，在電解質(zhì)中向燃料極側(cè)移動(dòng)，在燃料極電解質(zhì)界面和燃料中的氫或一氧化碳反應(yīng)，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。意大利于 1986年開始執(zhí)行 MCFC國家研究計(jì)劃， 19921994年研制50100kW電池堆，意大利 Ansodo與 IFC簽定了有關(guān) MCFC技術(shù)的協(xié)議，已安裝一套單電池（面積 1m2）自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，年生產(chǎn)能力為 23MW，可擴(kuò)大到 69MW。另外由中部電力公司制造的 1MW外重整 MCFC正在川越火力發(fā)電廠安裝，預(yù)計(jì)以天然氣為燃料時(shí)，熱電效率大于 45%，運(yùn)行壽命大于 5000h。但小型燃?xì)獍l(fā)電效率僅為 30%，并且有廢氣排放和噪聲問題。 美國能源部（ DOE）去年已撥給固定式太陽能燃料電池電站的研究費(fèi)用 4420萬美元，而其中的 2/3將用于 MCFC的開發(fā)， 1/3用于 SOFC的開發(fā)。 1995年印度電化學(xué)能量研究中心（ CEER）采用噴涂浸漬法制得了 Pt載量為 mg/cm2的膜電極，性能良好。這種變化從其膜電極的演變過程可見一斑。 GE/Plug公司宣稱其 2021年初售價(jià)為 $1500/kW。在不同地區(qū)進(jìn)行的測試將大大促進(jìn)太陽能燃料電池電站的商業(yè)化。 １４ 表 ONSI公司 PC25C型 PAFC主要技術(shù)指標(biāo) 電力輸出 發(fā)電效率 燃料 質(zhì)量 排 熱利用 環(huán)境狀況 NOX 體積 200kW 40% 城市煤氣 42% 1010 6 33 PAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在 1020MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠，容量在 100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。東芝 ONSI已完成了正式商用機(jī) PC25C型的開發(fā)，早已投放市場。作為現(xiàn)場用設(shè)備已有 50kW、 100kW及 500kW總計(jì) 88 種設(shè)備投入使用。太陽能燃料電池的高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆 21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。該所從 80年代初開始煤氣化熱解的研究，以提供太陽能燃料電池的氣源。他們在分析俄羅斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國 Westinghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國 Siemens板式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了六面體式新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸收了管式不密封的優(yōu)點(diǎn)，電池間組合采用金屬氈柔性聯(lián)結(jié)，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。 1995年上海交通大學(xué)與長慶油田合作開始了 MCFC的研究，目標(biāo)是共同開發(fā) 5kW～10kW的 MCFC。 中科院電工研究所最近開展了電動(dòng)車用 PEMFC系統(tǒng)工程和運(yùn)行模式研究，擬與有色金屬研究院合作研究 PEMFC/光伏電池 (制氫 )互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和從國外引進(jìn) PEMFC裝置。 復(fù)旦大學(xué)在 90年代初開始研制直接甲醇 PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制備和電極制備工藝。我國太陽能燃料電池的研究工作已表明： 膜太陽能燃料電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車的技術(shù)水平； 陽能燃料電池是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)成果； 可以與 世界發(fā)達(dá)國家進(jìn)行競爭，而且在市場份額方面，我國可以并且有能力占有一定比例。 5kW電池組包括內(nèi)增濕部分其重量比功率為 100W/kg，體積比功率為 300W/L。 4．我國太陽能燃 料電池的發(fā)展?fàn)顩r 我國的太陽能燃料電池研究始于 1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開展了MCFC的研究。因此，在這個(gè)循環(huán)回路中設(shè)置了熱交換器，將氣體溫度冷卻到 600℃，形成電池入口適宜的溫度，與來自觸媒燃燒器的供給氣體相混合。煤炭需經(jīng)煤氣化裝置生成作為 MCFC可用燃料的 CO 及 H2，并在進(jìn)入 MCFC前除去其中含有的雜質(zhì)（微量的雜質(zhì)就會(huì)構(gòu)成對 MCFC的惡劣影響），這種供給 MCFC精制煤氣，其壓力通常高于 MCFC的工作壓力，在進(jìn)入 MCFC供氣前先經(jīng)膨脹式渦輪機(jī)回收其動(dòng)力。 這種系統(tǒng)的效率可達(dá) 55~60%。除了有 CO2 外，燃料極排出氣體還含有未反應(yīng)的 可燃成份，一起輸送到改質(zhì)器的燃燒器側(cè)，天然氣改質(zhì)所必需的熱量就由該燃燒熱供給。 美日等國已相繼建立了一些磷酸太陽能燃料電池電廠、熔融碳酸鹽太陽能燃料電池電廠、質(zhì)子交換膜太陽能燃料電池電廠作為示范。為了避免因電池的形狀不同，電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的 SOFC?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下： 燃料極： H2 + CO23 = H2O+2e + CO2 （ 4） 空氣極： CO2 + 1/2O2 +2e=CO23 （ 5） 全 體： H2 + 1/2O2 =H2O （ 6） 在這一反應(yīng)中， e 同在 PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由 e 在外部回路中不間斷的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了太陽能燃料電池發(fā)電。 磷酸型太陽能燃料電池基本組成和反應(yīng)原理 磷酸太陽能燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成 H CO 和水蒸氣的混合物， CO 和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成 H2和 CO2。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。 氫 氧太陽能燃料電池反應(yīng)原理 這個(gè)反映是電觧水的逆過程。 ３ 太陽能燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。國際能源界預(yù)測，太陽能燃料電池是 21世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電方法之一。依據(jù)電解質(zhì)的不同，太陽能燃料電池分為堿性太陽能燃料電池（ AFC）、磷酸型太陽能燃料電池（ PAFC）、熔融碳酸鹽太陽能燃料電池（ MCFC）、固體氧化物太陽能燃料電池（ SOFC）及質(zhì)子交換膜太陽能燃料電池（ PEMFC）等。 1839年英國的 Grove發(fā)明了太陽能燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧太陽能燃料電池點(diǎn)亮了倫敦講演廳的照明燈。 1．引言 能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒有能源工業(yè)的發(fā)展就沒有現(xiàn)代文明。 隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。 60 年代，這種電池成功地應(yīng)用于阿波羅 (Appollo)登月飛船。但是機(jī)組大了其發(fā)電的靈活性又不能適應(yīng)戶戶的需要，電網(wǎng)隨用戶的用電負(fù)荷變化有時(shí)呈現(xiàn)為高峰，有時(shí)則呈現(xiàn)為低谷。同時(shí)還有以下一些特點(diǎn)： 不管是滿負(fù)荷還是部分負(fù)荷均能保持高發(fā)電效率； 不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率； 具有很強(qiáng)的 過負(fù)載能力； 通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛； 發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機(jī)組的容量的自由度大； 電池本體的負(fù)荷響應(yīng)性好，用于電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)于其他發(fā)電方式； 用天然氣和煤氣等為燃料時(shí)， NOX及 SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。而太陽能燃料電池的正、負(fù)極本身不包