【文章內(nèi)容簡介】 kW～10kW的MCFC。 中國科學(xué)院電工研究所在八五期間，考察了國外MCFC示范電站的系統(tǒng)工程，調(diào)查了電站的運行情況，現(xiàn)已開展了MCFC電站系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)。 . SOFC的研究簡況 最早開展SOFC研究的是中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所他們在1971年就開展了SOFC的研究，主要側(cè)重于SOFC電極材料和電解質(zhì)材料的研究。80年代在國家自然科學(xué)基金會的資助下又開始了SOFC的研究，系統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽極材料、單體SOFC結(jié)構(gòu)等，已初步掌握了濕化學(xué)法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術(shù)。 吉林大學(xué)于1989年在吉林省青年科學(xué)基金資助下開始對SOFC的電解質(zhì)、陽極和陰極材料等進(jìn)行研究,組裝成單體電池，通過了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計委和國家計委450萬元人民幣的資助，先后研究了電極、電解質(zhì)、密封和聯(lián)結(jié)材料等,，電流密度400mA/cm2，4個單體電池串聯(lián)的電池組能使收音機(jī)和錄音機(jī)正常工作。 1991年中國科學(xué)院化工冶金研究所在中國科學(xué)院資助下開展了SOFC的研究，從研制材料著手,制成了管式和平板式的單體電池，～，電流密度為150mA/cm2～180mA/cm2，～。1994年該所從俄羅斯科學(xué)院烏拉爾分院電化學(xué)研究所引進(jìn)了20W～30W塊狀疊層式SOFC電池組,電池壽命達(dá)1200h。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，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。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)于1982年開始從事固體電解質(zhì)和混合導(dǎo)體的研究，于1992年在國家自然科學(xué)基金會和863計劃的資助下開始了中溫SOFC的研究。一種是用納米氧化鋯作電解質(zhì)的SOFC，工作溫度約為450℃。另一種是用新型的質(zhì)子導(dǎo)體作電解質(zhì)的SOFC，已獲得接近理論電動勢的開路電壓和200mA/cm2的電流密度。此外,他們正在研究基于多孔陶瓷支撐體的新一代SOFC。 清華大學(xué)在90年代初開展了SOFC的研究，他們利用緩沖溶液法及低溫合成環(huán)境調(diào)和性新工藝成功地合成了固體電解質(zhì)、空氣電極、燃料電極和中間聯(lián)結(jié)電極材料的超細(xì)粉,并開展了平板型SOFC成型和燒結(jié)技術(shù)的研究,取得了良好效果。 華南理工大學(xué)于1992年在國家自然科學(xué)基金會、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)李嘉誠科研基金、廣東佛山基金共一百多萬元的資助下開始了SOFC的研究,組裝的管狀單體電池，用甲烷直接作燃料,最大輸出功率為4mW/cm2，電流密度為17mA/cm2，連續(xù)運轉(zhuǎn)140h，電池性能無明顯衰減。 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在1994年開始SOFC研究，用超細(xì)氧化鋯粉在1100℃下燒結(jié)制成穩(wěn)定和致密的氧化鋯電解質(zhì)。該所從80年代初開始煤氣化熱解的研究，以提供燃料電池的氣源。煤的灰熔聚氣化過程已進(jìn)入工業(yè)性試驗階段，正在鎮(zhèn)江市建立工業(yè)示范裝置。該所還開展了使煤氣化熱解的煤氣在高溫下脫硫除塵和甲醇脫氫生產(chǎn)合成氣的研究，合成氣中CO和H2的比例為1∶2，已有成套裝置出售。 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1994年開展了SOFC的研究工作，在電極和電解質(zhì)材料的研究上取得了可喜的進(jìn)展。 中國科學(xué)院北京物理所于1995年在國家自然科學(xué)基金會的資助下，開展了用于SOFC的新型電解質(zhì)和電極材料的基礎(chǔ)性研究。 5．國外燃料電池發(fā)展?fàn)顩r 發(fā)達(dá)國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)，現(xiàn)在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題，2MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運算繪圖及文書處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。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。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。 ．磷酸型燃料電池(PAFC) 受1973年世界性石油危機(jī)以及美國PAFC研發(fā)的影響，日本決定開發(fā)各種類型的燃料電池，PAFC作為大型節(jié)能發(fā)電技術(shù)由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）進(jìn)行開發(fā)。自1981年起，進(jìn)行了1000kW現(xiàn)場型PAFC發(fā)電裝置的研究和開發(fā)。1986年又開展了200kW現(xiàn)場性發(fā)電裝置的開發(fā)，以適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用的PAFC發(fā)電裝置。 富士電機(jī)公司是目前日本最大的PAFC電池堆供應(yīng)商。截至1992年，該公司已向國內(nèi)外供應(yīng)了17套PAFC示范裝置，富士電機(jī)在1997年3月完成了分散型5MW設(shè)備的運行研究。作為現(xiàn)場用設(shè)備已有50kW、100kW及500kW總計88種設(shè)備投入使用。下表所示為富士電機(jī)公司已交貨的發(fā)電裝置運行情況，到1998年止有的已超過了目標(biāo)壽命4萬小時。表 現(xiàn)場用PAFC燃料電池的運行情況容量 臺數(shù) 累計運行時間 最長累計 最長連續(xù) 1萬h 2萬h 3萬h50kW66 1018411 33655 7098 54 15 4100kW 19 274051 356076926 11 4 3500kW 3 4343716910 42143 0 0 東芝公司從70年代后半期開始，以分散型燃料電池為中心進(jìn)行開發(fā)以后，將分散電源用11MW機(jī)以及200kW機(jī)形成了系列化。11MW機(jī)是世界上最大的燃料電池發(fā)電設(shè)備，從1989年開始在東京電力公司五井火電站內(nèi)建造，1991年3月初發(fā)電成功后，直到1996年5月進(jìn)行了5年多現(xiàn)場試驗，累計運行時間超過2萬小時，%。在小型現(xiàn)場燃料電池領(lǐng)域，1990年東芝和美國IFC公司為使現(xiàn)場用燃料電池商業(yè)化，成立了ONSI公司，以后開始向全世界銷售現(xiàn)場型200kW設(shè)備PC25系列。PC25系列燃料電池從1991年末運行，到1998年4月，共向世界銷售了174臺。其中安裝在美國某公司的一臺機(jī)和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號機(jī)，累計運行時間相繼突破了4萬小時。從燃料電池的壽命和可靠性方面來看，累計運行時間4萬h是燃料電池的長遠(yuǎn)目標(biāo)。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。PC25C型作為21世紀(jì)新能源先鋒獲得日本通商產(chǎn)業(yè)大獎。從燃料電池商業(yè)化出發(fā)，該設(shè)備被評價為具有高先進(jìn)性、可靠性以及優(yōu)越的環(huán)境性設(shè)備。它的制造成本是$3000/kW，近期將推出的商業(yè)化PC25D型設(shè)備成本會降至$1500/kW，體積比PC25C型減少1/4，質(zhì)量僅為14t。明年即2001年，我國就將迎來第一座PC25C型燃料電池電站，它主要由日本的MITI（NEDO）資助的，這將是我國第一座燃料電池發(fā)電站。 PAFC作為一種中低溫型（工作溫度180210℃）燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、無噪音等特點，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。下表給出先進(jìn)的ONSI公司PC25C型200kW PAFC的主要技術(shù)指標(biāo)。最初開發(fā)PAFC是為了控制發(fā)電廠的峰谷用電平衡，近來則側(cè)重于作為向公寓、購物中心、醫(yī)院、賓館等地方提供電和熱的現(xiàn)場集中電力系統(tǒng)。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% 10106 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。PAFC電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)點：即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝簡單，省時，并且電廠擴(kuò)容容易。下圖為ONSI PC25C型電站： ．質(zhì)子交換膜燃料電池(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)子交換膜燃料電池上處于世界領(lǐng)先地位。Ballard Generation System 最初產(chǎn)品是250kW燃料電池電站，其基本構(gòu)件是Ballard燃料電池，利用氫氣（由甲醇、天然氣或石油得到）、氧氣（由空氣得到）不燃燒地發(fā)電。Ballard公司正和世界許多著名公司合作以使Ballard Fuel Cell 商業(yè)化。Ballard Fuel Cell 已經(jīng)用于固定發(fā)電廠：由Ballard Generation System，GPU International Inc.，Alstom SA 和 EBARA公司共同組建了Ballard Generation System，共同開發(fā)千瓦級以下的燃料電池發(fā)電廠。經(jīng)過5年的開發(fā)，第一座250kW發(fā)電廠于1997年8月成功發(fā)電，1999年9月送至Indiana Cinergy，經(jīng)過周密測試、評估，并提高了設(shè)計的性能、降低了成本，這導(dǎo)致了第二座電廠的誕生，它安裝在柏林，250kW輸出功率，也是在歐洲的第一次測試。很快Ballard公司的第三座250kW電廠也在2000年9月安裝在瑞士進(jìn)行現(xiàn)場測試，緊接著，在2000年10月通過它的伙伴EBARA Ballard 將第四座燃料電池電廠安裝在日本的NTT公司，向亞洲開拓了市場。在不同地區(qū)進(jìn)行的測試將大大促進(jìn)燃料電池電站的商業(yè)化。第一個早期商業(yè)化電廠將在2001年底面市。下圖是安裝在美國Cinergy的Ballard燃料電池裝置，目前正在測試： 下圖是安裝在柏林的250kW PEMFC燃料電池電站： 在美國，Plug Power公司是最大的質(zhì)子交換膜燃料電池開發(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)型燃料電池系統(tǒng)。1997年，Plug Power 模塊第一個成功地將汽油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。最近，Plug Power 公司開發(fā)出它的專利產(chǎn)品Plug Power 7000居民家用分散型電源系統(tǒng)。商業(yè)產(chǎn)品在2001年初推出。家用燃料電池的推出將使核電站、燃?xì)獍l(fā)電站面臨挑戰(zhàn)，為了推廣這種產(chǎn)品，1999年2月，Plug Power 公司和GE MicroGen成立了合資公司，產(chǎn)品改稱GE HomeGen 7000，由 GE MicroGen 公司負(fù)責(zé)全球推廣。此產(chǎn)品將提供7kW的持續(xù)電力。GE/Plug公司宣稱其2001年初售價為$1500/kW。他們預(yù)計5年后，大量生產(chǎn)的燃料電池售價將降至$500/kW。假設(shè)有20萬戶家庭各安裝一個7kW的家用燃料電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個核電機(jī)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)計增加了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個發(fā)電系統(tǒng)依然能正常運轉(zhuǎn)。 在Ballard公司的帶動下，許多汽車制造商參加了燃料電池車輛的研制，例如：Chrysler (克萊斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda (本田)、Nissan (尼桑)、Volkswagen AG(大眾)和Volvo(富豪)等，它們許多正在使用的燃料電池都是由Ballard公司生產(chǎn)的，同時，它們也將大量的資金投入到燃料電池的研制當(dāng)中，克萊斯勒公司最近給Ballard公司注入4億5千萬加元用于開發(fā)燃料電池汽車，大大的促進(jìn)了PEMFC的發(fā)展。1997年，Toyota公司就制成了一輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車，它由一個25kW的燃料電池和輔助干電池一起提供了全部 50kW的能量，最高時速可以達(dá)到 125km/h，行程可達(dá)500km。目前這些大的汽車公司均有燃料電池開發(fā)計劃，雖然現(xiàn)在燃料電池汽車商業(yè)化的時機(jī)還未成熟，但幾家公司已確定了開始批量