【導讀】革，它會使電力系統(tǒng)更加安全、經(jīng)濟。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，人們逐漸認識到傳統(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。橋大學的Bacon用高壓氫氧制成了具有實用功率水平的太陽能燃料電池。池成功地應用于阿波羅登月飛船。應用于宇航領域，同時，兆瓦級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、交通等各個領域中得到應用。來應急，這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價的。100℃）、固體高分子型質子膜太陽能燃料電池（PEMFC，也稱為質子膜太陽能燃料電池，電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。這個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 資源評估 ２１ 太陽能燃料電池運行時必須使用流動性好的氣體燃料。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？我國的天然氣儲量是十分豐富的，現(xiàn)已探明陸地上儲量為 m3，專家認為我國已探明天然氣儲量為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量 m3 ，可向我國年供氣 100~200億 m3；俄遠東地區(qū)、薩哈林島探明天然氣儲量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量 m3，可向外供氣 300億 m3。我國 規(guī)劃 在2021年以前鋪設天然氣管線 9000km，屆時有望在全國形成 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），便于運輸，在 3000公里的距離內(nèi)運用 管道 輸送都是十經(jīng)濟的。 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 700億噸石油當量。目前已有多個科研機構正在研究其開采利用的技術。 半個世紀以來，世界大多數(shù)國家時早以完成了由煤炭時代向石油時代的轉換，正在向石油、天然氣時代過度。如 1950年在世界能源結構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%。能源界預測目前的消費量，石油只能再用 20年，而天然氣則可用 100年，為此稱 21世紀是 天然氣世紀 。我國的能源工業(yè)也必將跟上世界能源消費潮流。 另外由于環(huán)保的需要和 IGCC技術的推動，煤的大型氣化裝置技術已經(jīng)過關。煤炭部門的有關專家介紹，目前的技術完全可以把煤轉換為氫氣，轉換效率可達 80%，供給太陽能燃料電池作燃料，其效率要比常規(guī)熱動力裝置效率高得多。 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使用養(yǎng)豬場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，估計可達到 15億 m3以上。 從長遠發(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)價格為 $1500/kW， PAFC的價格為 $3000/kW。國內(nèi)富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價格為 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，還應將長距離輸電、配電投資與廠 用電 、輸電 能耗 和兩種能源轉換裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來計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（產(chǎn)地市價人民幣 1元 /m3）計算，當發(fā)電時間超過 70000h以后，用太陽能燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機發(fā)電更經(jīng)濟。在實際發(fā)電工程中還應 考慮傳統(tǒng)的熱機發(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)電技術的不斷完善，造價將不斷的降低，特別是在規(guī)?；a(chǎn)后，其造價將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來這種發(fā)電方式會對傳統(tǒng)熱機發(fā)電構成挑戰(zhàn)。 最近國際上一些學者和國際 組織 認為：大容量、高參數(shù)機組發(fā)電，超高壓、大電網(wǎng)遠距離送電的集中供電是一些工業(yè)發(fā)達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)，再加上對改善能源投資的選擇，傳統(tǒng)的觀念變得過時了。 1999年在布魯塞爾成立的國際熱電聯(lián)產(chǎn)（ ICA）組織聲稱： 其實旨是推動世界范圍內(nèi)的清潔、高效、分散的電力生產(chǎn)，它預言這是下一個世紀電力工業(yè)的方向 。隨著小型分散的熱電廠、太陽能燃料電池發(fā)電、風力發(fā)電、 太陽能 發(fā)電、生物質能發(fā)電等的出現(xiàn)和增加，當今的電力系統(tǒng) 將發(fā)生很大的轉變。超大型的電站與分散微型電站的結合可以減少在輸配電線路上的投資，會使得電力系統(tǒng)更安全更經(jīng)濟。一個目前擁有 50個發(fā)電廠的電力公司在未來若干年內(nèi)會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連。這種電力網(wǎng)絡類似于目前的計算機網(wǎng)絡，少數(shù)的幾臺主機與眾多的 PC機相連。這種電網(wǎng)會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)運行方式有一個重大的變革。 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)。因為大電網(wǎng)有其優(yōu)越性的同時，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建立，可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為 3%），同時也為電網(wǎng)調峰做出了貢獻。中小型分散式電力系統(tǒng)將靈活地適應季節(jié)性和地域性的電力需求變化。根據(jù)專家計算，一條直徑為 9501600公里輸氫其所輸能量約相當于 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費用僅為建設高壓輸電 線路的 1/21/4，日常運行維護也比輸電線路低得多。在美國這樣的電力工業(yè)已很發(fā)達的國家，將來對太陽能燃料電池的市場需要約為 17000兆瓦以上，即中小型分散配置，有其獨特的優(yōu)越性。我國也將是這樣。 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 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注。各國家的政府都在這方面增加研發(fā)資金，推動其商業(yè)化的進程。在近年它首先受到了交通界的重視，作為交通動力裝置已被搬 上汽 車、艦船，幾乎同時它受到了國外電力系統(tǒng)的重視。PAFC發(fā)電裝置已有數(shù)萬套進入賓館、家庭運行， PAFC已有了 4萬多小時的運行記錄。 ２３ 我國 稀土 資源豐富，發(fā)展 MCFC和 SOFC技術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 55%～ 65%，而且還可提供優(yōu)質余熱用于聯(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 ,燃料利用率高達 80%以上。專家們認為它與各種大型中心電站的關系，頗類似于個人 電腦 與大型中心計算機的關系，二者互為補充。二十一世紀，這種區(qū)域性、環(huán)境友好的、高效的發(fā)電技術有可能發(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用，并向發(fā)達歐美國家建議制定安全基準和 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，它將對傳統(tǒng)的熱機發(fā)電構成有利 的挑戰(zhàn)。展望其對電力系統(tǒng)的影響如下： 調峰能力增加 應用氫氣做燃料 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入家庭，數(shù)百 kW的太陽能燃料電池正在源源不斷地進入旅館、飯店商廈等場所。這些電力裝置同小型 光伏 發(fā)電裝置一樣可以獨立發(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器。據(jù)專家介紹，碳納米管儲氫技術已獲得突破，隨著其商業(yè)化的發(fā)展，實行家庭發(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所，用管道向太陽能燃料電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能，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)的調峰能力大大增強，常規(guī)的火電廠，由于存在有較大污染，因此讓其遠離城區(qū)帶基本負荷。在缺乏調峰手段和缺乏調峰電量的東北電網(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)的調峰能力。 節(jié)約配電網(wǎng)的建設費用 我國有許多偏遠的山村和海島，遠離電網(wǎng)或處在電網(wǎng)的末端，用電量不大。從商業(yè)角度考慮，架設高電壓等級的線路是不合算的，但不架設又難以實現(xiàn) 村村通 電的目標。有了太陽能燃料電池，用當?shù)厣镔|氣體為燃料，再配合當?shù)氐娘L能、太陽能等，就可以滿足當?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、路口以及海口處的火電輸送到負荷中心地帶。中外近年多次電網(wǎng)事故證明，在 地震 、水災、暴風、冰雪、雷電等自然災害面前，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，將會大大提高電網(wǎng)的安全性。在某個遠距離的基本負荷電源跳閘時，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。隨著 MCFC、 SOFC技術的突破、天然氣管線的鋪通和大型煤氣化技術的解決，屆時人們會看到，對于大規(guī)模的應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，應用大中小相結合的各種太陽能燃料電池靠近負荷供電供熱會更經(jīng)濟、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)，如此將需要對諧波進行控制；二是價格管理，每一個小的系統(tǒng)與電網(wǎng)均有電量交換，需要進行合理的價格管理，這與其他新能源入網(wǎng)問題一樣（如太陽能、風能、生物質能發(fā)電），入網(wǎng)電量小，管理量不小。 9．結束語 人類自從 19世紀以來，經(jīng)歷了三次能源結構革命。第一次能源革命發(fā)生在 19 世紀第一次產(chǎn)業(yè)革命以后，由于蒸汽機的大量應用，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向以煤炭為主；第二次能源革命是在 20世紀初開 始的，當時不斷發(fā)展的電力、 鋼鐵工業(yè) 帶動了內(nèi)燃機技術的推廣，此時石油逐漸取代了煤炭的地位；第三次能源革命在 20世紀 70年代初開始的石油危機，它推動了新能源的發(fā)展和 節(jié)能 技術的發(fā)展。專家認為能源革 命時間正在縮短，新的能源結構革命正在悄悄地來臨，其動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。新的能源資源在當前已占有相當?shù)姆蓊~（世界范圍內(nèi)石油占總能源消費的 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構中約占 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 (煤的整體氣化 )發(fā)展，一方面在迅速地增大天然氣應用在能源中 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。應從現(xiàn)在起加強太陽能燃料電池發(fā)電的研究工作，立足于用高技術改造東北電網(wǎng)。 鑒于我國對電站用太陽能燃料電池的 研究還比較落后，我們應走風力發(fā)電的路線，采用高起點起步，整機引進國外的太陽能燃料電池發(fā)電設備，可以先引進規(guī)模較小的電池堆。這樣可以使我們更快地掌握高技術，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。應很好地利用這一資源，在開發(fā)太陽能燃料電池應用市場的同時，參與太陽能燃料電池的生產(chǎn)，如同內(nèi)蒙古和新疆風電產(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的制高點。