【導(dǎo)讀】革，它會(huì)使電力系統(tǒng)更加安全、經(jīng)濟(jì)。最后提出了發(fā)展太陽能燃料電池發(fā)電的具體建議。人類為了更有效地利。用能源一直在進(jìn)行著不懈的努力。歷史上利用能源的方式有過多次革命性的變革，從原始的。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了巨量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。污染仍然沒有得到根本解決。太陽能燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)用功率水平的太陽能燃料電池。池成功地應(yīng)用于阿波羅登月飛船。應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時(shí)，兆瓦級(jí)的磷酸太陽能燃料電池也研制成功。小功率電池在宇航、軍事、交通等各個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。來應(yīng)急，這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價(jià)的。100℃）、固體高分子型質(zhì)子膜太陽能燃料電池（PEMFC，也稱為質(zhì)子膜太陽能燃料電池，電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。這個(gè)反映是電觧水的逆過程。

　　

【正文】 2－→H 2O+CO2+2e 陰極： 1/2O2+ CO2+2e→CO32－ SOFC YSZ（用 Y2O3 穩(wěn)定的 ZrO2） 6001000℃ 陽極： H2+O2－ →H2O+2e 陰極： 1/2O2+2e→O2 － 6． 燃料 資源評(píng)估 ２１ 太陽能燃料電池運(yùn)行時(shí)必須使用流動(dòng)性好的氣體燃料。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。這種燃料的前景如何呢？我國的天然氣儲(chǔ)量是十分豐富的，現(xiàn)已探明陸地上儲(chǔ)量為 m3，專家認(rèn)為我國已探明天然氣儲(chǔ)量為30萬億 m3。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。中亞地區(qū)的哈薩克斯坦、烏茲 別克 斯坦和土庫曼斯坦三國探明的天然氣儲(chǔ)量 m3，可向外供氣 300億 m3。我國 規(guī)劃 在2021年以前鋪設(shè)天然氣管線 9000km，屆時(shí)有望在全國形成 兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫 的格局，形成可靠的供氣系統(tǒng)。其中的兩縱是南北的輸氣干線，即薩哈林島 大慶 沈陽干線和伊爾庫茨克 北京 日照 上海輸氣干線。目前我國的生產(chǎn)能力約為 300億m3/a， 2021年為 700億 m3， 2020年為 1000～ 1100億 m3。天然氣主要成分為 CH4（占90%左右），熱值高（每立方米天然氣熱值為 8600～ 9500千卡），便于運(yùn)輸，在 3000公里的距離內(nèi)運(yùn)用 管道 輸送都是十經(jīng)濟(jì)的。 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。 我國的煤層氣也十分豐富，陸上深埋 2021米以內(nèi)淺的煤層氣資源量為 32~35萬億m3 ，多于陸上天然氣資源量（ 30 萬億 m3），位于世界前列。 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。目前已有多個(gè)科研機(jī)構(gòu)正在研究其開采利用的技術(shù)。 半個(gè)世紀(jì)以來，世界大多數(shù)國家時(shí)早以完成了由煤炭時(shí)代向石油時(shí)代的轉(zhuǎn)換，正在向石油、天然氣時(shí)代過度。如 1950年在世界能源結(jié)構(gòu)中煤炭所占的比例為 %，而到 1996年則下降為 %，天然氣占 % 石油占 39% 兩者共占 63%。能源界預(yù)測(cè)目前的消費(fèi)量，石油只能再用 20年，而天然氣則可用 100年，為此稱 21世紀(jì)是 天然氣世紀(jì) 。我國的能源工業(yè)也必將跟上世界能源消費(fèi)潮流。 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)。煤炭部門的有關(guān)專家介紹，目前的技術(shù)完全可以把煤轉(zhuǎn)換為氫氣，轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 80%，供給太陽能燃料電池作燃料，其效率要比常規(guī)熱動(dòng)力裝置效率高得多。 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。如廣東番禺正在建設(shè)使用養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣的太陽能燃料電池電站。 我國在合成氨工業(yè)中，氫的年回收量可達(dá)到 14 億 m3；在氯堿工業(yè)中有 m3的氫可供回收利用。此 外，在 冶金 工業(yè)、發(fā)酵制酒及 丁醇 溶劑 廠等生產(chǎn) 過程中都有大量氫可回收。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計(jì)可達(dá)到 15億 m3以上。 從長遠(yuǎn)發(fā)展看，小型、高效、靈活、分散的 PEMFC、 PAFC 發(fā)電與集中高溫型 MCFC和 SOFC系統(tǒng)均是有燃料保證的。 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。其 投資 正在不斷的降低，目前PEMFC的國外商業(yè)價(jià)格為 $1500/kW， PAFC的價(jià)格為 $3000/kW。國內(nèi)富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價(jià)格為 10000元 /kW。其他太陽能燃料電池國內(nèi)暫無商業(yè)產(chǎn)品。 太陽能燃料電池發(fā)電與常規(guī)的火電投資比較不能單考慮電源投資，還應(yīng)將長距離輸電、配電投資與廠 用電 、輸電 能耗 和兩種能源轉(zhuǎn)換裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來計(jì)算綜合投資大型的火電廠每千瓦約為 ~。發(fā)電消耗的燃料為太陽能燃料電池的兩倍以上，按目前國內(nèi)天然氣最低市價(jià)（產(chǎn)地市價(jià)人民幣 1元 /m3）計(jì)算，當(dāng)發(fā)電時(shí)間超過 70000h以后，用太陽能燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電更經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際發(fā)電工程中還應(yīng) 考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電占地面積大，環(huán)境污染重的問題。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)?；a(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(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。 最近國際上一些學(xué)者和國際 組織 認(rèn)為：大容量、高參數(shù)機(jī)組發(fā)電，超高壓、大電網(wǎng)遠(yuǎn)距離送電的集中供電是一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家過去走過的道路。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(duì)改善能源投資的選擇，傳統(tǒng)的觀念變得過時(shí)了。 1999年在布魯塞爾成立的國際熱電聯(lián)產(chǎn)（ ICA）組織聲稱： 其實(shí)旨是推動(dòng)世界范圍內(nèi)的清潔、高效、分散的電力生產(chǎn)，它預(yù)言這是下一個(gè)世紀(jì)電力工業(yè)的方向 。隨著小型分散的熱電廠、太陽能燃料電池發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、 太陽能 發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等的出現(xiàn)和增加，當(dāng)今的電力系統(tǒng) 將發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變。超大型的電站與分散微型電站的結(jié)合可以減少在輸配電線路上的投資，會(huì)使得電力系統(tǒng)更安全更經(jīng)濟(jì)。一個(gè)目前擁有 50個(gè)發(fā)電廠的電力公司在未來若干年內(nèi)會(huì)有幾千個(gè)甚至幾萬個(gè)微型電站與之相連。這種電力網(wǎng)絡(luò)類似于目前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，少數(shù)的幾臺(tái)主機(jī)與眾多的 PC機(jī)相連。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。 將來的電網(wǎng)系統(tǒng)可能是現(xiàn)有的大電網(wǎng)和中小太陽能燃料電池共存狀態(tài)。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。而分散的中小型太陽能燃料電池電站可以在許多地點(diǎn)建立，可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為 3%），同時(shí)也為電網(wǎng)調(diào)峰做出了貢獻(xiàn)。中小型分散式電力系統(tǒng)將靈活地適應(yīng)季節(jié)性和地域性的電力需求變化。根據(jù)專家計(jì)算，一條直徑為 9501600公里輸氫其所輸能量約相當(dāng)于 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的 10倍以上，而輸氫管道所需的建設(shè)費(fèi)用僅為建設(shè)高壓輸電 線路的 1/21/4，日常運(yùn)行維護(hù)也比輸電線路低得多。在美國這樣的電力工業(yè)已很發(fā)達(dá)的國家，將來對(duì)太陽能燃料電池的市場(chǎng)需要約為 17000兆瓦以上，即中小型分散配置，有其獨(dú)特的優(yōu)越性。我國也將是這樣。 8．對(duì)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。各國家的政府都在這方面增加研發(fā)資金，推動(dòng)其商業(yè)化的進(jìn)程。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。PAFC發(fā)電裝置已有數(shù)萬套進(jìn)入賓館、家庭運(yùn)行， PAFC已有了 4萬多小時(shí)的運(yùn)行記錄。 ２３ 我國 稀土 資源豐富，發(fā)展 MCFC和 SOFC技術(shù)具有十分有利的條件。以天然氣 和凈化煤氣為燃料的 MCFC和 SOFC發(fā)電效率高達(dá) 55%～ 65%，而且還可提供優(yōu)質(zhì)余熱用于聯(lián)合 循環(huán) 發(fā)電，是一種優(yōu)良的區(qū)域性供電電站。熱電聯(lián)供時(shí) ,燃料利用率高達(dá) 80%以上。專家們認(rèn)為它與各種大型中心電站的關(guān)系，頗類似于個(gè)人 電腦 與大型中心計(jì)算機(jī)的關(guān)系，二者互為補(bǔ)充。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。 最近日本提出 2021年普及太陽能燃料電池的應(yīng)用，并向發(fā)達(dá)歐美國家建議制定安全基準(zhǔn)和 通用 規(guī)格。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(duì)傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成有利 的挑戰(zhàn)。展望其對(duì)電力系統(tǒng)的影響如下： 調(diào)峰能力增加 應(yīng)用氫氣做燃料 PEMFC已經(jīng)商業(yè)化，在國外容量為 3kW、 5kW、 7kW等熱電聯(lián)用的太陽能燃料電池正在源源不斷地進(jìn)入家庭，數(shù)百 kW的太陽能燃料電池正在源源不斷地進(jìn)入旅館、飯店商廈等場(chǎng)所。這些電力裝置同小型 光伏 發(fā)電裝置一樣可以獨(dú)立發(fā)電，也可與電力網(wǎng)相連。為了獲得氫燃料，目 前在非純氫太陽能燃料電池前均加了燃料改質(zhì)器。據(jù)專家介紹，碳納米管儲(chǔ)氫技術(shù)已獲得突破，隨著其商業(yè)化的發(fā)展，實(shí)行家庭發(fā)電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便，購一罐氫氣可以發(fā)電數(shù)月（ 3kg氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）。在有煤氣或天然氣管道的地方，打開氣閥就可以發(fā)電和供熱水。 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(chǎng)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。成千上萬的太陽能燃料電池發(fā)電裝置服役，必 將使得電網(wǎng)的調(diào)峰能力大大增強(qiáng)，常規(guī)的火電廠，由于存在有較大污染，因此讓其遠(yuǎn)離城區(qū)帶基本負(fù)荷。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。 節(jié)約配電網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用 我國有許多偏遠(yuǎn)的山村和海島，遠(yuǎn)離電網(wǎng)或處在電網(wǎng)的末端，用電量不大。從商業(yè)角度考慮，架設(shè)高電壓等級(jí)的線路是不合算的，但不架設(shè)又難以實(shí)現(xiàn) 村村通 電的目標(biāo)。有了太陽能燃料電池，用當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)氣體為燃料，再配合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能、太陽能等，就可以滿足當(dāng)?shù)氐拈L期的電能需求。這樣可以使投資更加合理，又提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。 提高電網(wǎng)的安全性 目前電網(wǎng)均采用高壓長距離輸電的方式使偏僻山區(qū)的水電和坑口、路口以及?？谔幍幕痣娸斔偷截?fù)荷中心地帶。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。而星羅棋布的太陽能燃料電池加入到電網(wǎng)中供電，將會(huì)大大提高電網(wǎng)的安全性。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(duì)電網(wǎng)起到一定的支承作用，保證重要用戶的電能需求。隨著 MCFC、 SOFC技術(shù)的突破、天然氣管線的鋪通和大型煤氣化技術(shù)的解決，屆時(shí)人們會(huì)看到，對(duì)于大規(guī)模的應(yīng)用化石能源的電力系統(tǒng)來說，變長距離輸電為長距離輸氣，應(yīng)用大中小相結(jié)合的各種太陽能燃料電池靠近負(fù)荷供電供熱會(huì)更經(jīng)濟(jì)、更安全。 ２４ 電網(wǎng)管理 太陽能燃 料電池發(fā)電將增加管理的復(fù)雜性。一是太陽能燃料電池發(fā)的均是直流電，需變頻后入網(wǎng)，如此將需要對(duì)諧波進(jìn)行控制；二是價(jià)格管理，每一個(gè)小的系統(tǒng)與電網(wǎng)均有電量交換，需要進(jìn)行合理的價(jià)格管理，這與其他新能源入網(wǎng)問題一樣（如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能發(fā)電），入網(wǎng)電量小，管理量不小。 9．結(jié)束語 人類自從 19世紀(jì)以來，經(jīng)歷了三次能源結(jié)構(gòu)革命。第一次能源革命發(fā)生在 19 世紀(jì)第一次產(chǎn)業(yè)革命以后，由于蒸汽機(jī)的大量應(yīng)用，傳統(tǒng)的能源 柴薪已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，于是各國的能源需求開始轉(zhuǎn)向以煤炭為主；第二次能源革命是在 20世紀(jì)初開 始的，當(dāng)時(shí)不斷發(fā)展的電力、 鋼鐵工業(yè) 帶動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的推廣，此時(shí)石油逐漸取代了煤炭的地位；第三次能源革命在 20世紀(jì) 70年代初開始的石油危機(jī)，它推動(dòng)了新能源的發(fā)展和 節(jié)能 技術(shù)的發(fā)展。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。新的能源資源在當(dāng)前已占有相當(dāng)?shù)姆蓊~（世界范圍內(nèi)石油占總能源消費(fèi)的 36%，天然氣已占到 23%），高效、潔凈、便捷的能源利用方式 太陽能燃料電池開始進(jìn)入商業(yè)化階段。 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%。為了解決現(xiàn)代化巨大的電能需求與環(huán)境的尖銳矛盾，我國一方面加快了潔凈化用煤的技術(shù) (煤的整體氣化 )發(fā)展，一方面在迅速地增大天然氣應(yīng)用在能源中 的比例。氣體能源的發(fā)展為太陽能燃料電池在我國廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了極好的條件。建議如下： 遼寧地區(qū)能源資源單一，從長遠(yuǎn)看只能靠煤電解決本地區(qū)的電能需求。但是傳統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換方式與本地的環(huán)境矛盾日益尖銳，發(fā)展使用氣體能源太陽能燃料電池發(fā)電可以很好地解決本地電能需求且不污染環(huán)境，也有利于解決本地十分棘手的電網(wǎng)調(diào)峰問題。太陽能燃料電池發(fā)電不僅是可能的而且是可行的，可以做成小型的電池堆或用其建成大型的電站。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)。 鑒于我國對(duì)電站用太陽能燃料電池的 研究還比較落后，我們應(yīng)走風(fēng)力發(fā)電的路線，采用高起點(diǎn)起步，整機(jī)引進(jìn)國外的太陽能燃料電池發(fā)電設(shè)備，可以先引進(jìn)規(guī)模較小的電池堆。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。 大連化學(xué)物理研究所走在了我國在太陽能燃料電池研究的前面，而且對(duì)太陽能燃料電池的種類研究的也比較全面，遼寧省有很好的太陽能燃料電池研究生產(chǎn)條件，我國有大量的太陽能燃料電池所用的稀土資源。應(yīng)很好地利用這一資源，在開發(fā)太陽能燃料電池應(yīng)用市場(chǎng)的同時(shí)，參與太陽能燃料電池的生產(chǎn)，如同內(nèi)蒙古和新疆風(fēng)電產(chǎn)業(yè)一樣，既是產(chǎn)品 的使用者也是生產(chǎn)者，搶占太陽能燃料電池這一高技術(shù)的制高點(diǎn)。