【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)展燃料電池發(fā)電的具體建議。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。式的變革都極大地推進(jìn)了現(xiàn)代文明的發(fā)展。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。廢渣、廢熱和噪聲的污染。對于發(fā)電行業(yè)來說，雖然采用的技術(shù)在不斷地升級(jí)，如開。戶的綜合能源效率仍然只有35%左右，大規(guī)模的污染仍然沒有得到根本解決。的氫氧燃料電池點(diǎn)亮了倫敦講演廳的照明燈。燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機(jī)和電極過程動(dòng)力學(xué)的。橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)用功率水平的燃料電池。池成功地應(yīng)用于阿波羅登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)。用于宇航領(lǐng)域，同時(shí)，兆瓦級(jí)的磷酸燃料電池也研制成功。荷變化有時(shí)呈現(xiàn)為高峰，有時(shí)則呈現(xiàn)為低谷。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】 C 的發(fā) 電效率還高； b． 不需要昂貴的白金作催化劑，制造成本低； c． 可以用 CO作燃料； d． 由于 MCFC 工作溫度 6001000℃ ，排出的氣體可用來取暖，也可與汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電。若熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到 80%； e． 中小規(guī)模經(jīng)濟(jì)性 與幾種發(fā)電方式比較，當(dāng)負(fù)載指數(shù)大于 45%時(shí)， MCFC 發(fā)電系統(tǒng)成本最低。與 PAFC 相比，雖然 MCFC 起始投資高，但 PAFC 的燃料費(fèi)遠(yuǎn)比 MCFC高。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)為中小規(guī)模分散型時(shí)， MCFC 的經(jīng)濟(jì)性更為突出； f． MCFC 的結(jié)構(gòu)比 PAFC 簡單。 ．固體氧化物燃料電池 (SOFC) SOFC 由用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（ YSZ）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成。空氣中的氧在空氣極 /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 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 23 頁 共 30 頁 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。電子通過外部回路，再次返回空氣極，此時(shí)產(chǎn)生電能。 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。 由于氧離子是在 電解質(zhì)中移動(dòng)，所以也可以用 CO、煤氣化的氣體作為燃料。 由于電池本體的構(gòu)成材料全部是固體，所以沒有電解質(zhì)的蒸發(fā)、流淌。另外，燃料極空氣極也沒有腐蝕。 l 動(dòng)作溫度高，可以進(jìn)行甲烷等內(nèi)部改質(zhì)。 與其他燃料電池比，發(fā)電系統(tǒng)簡單，可以期望從容量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備，具有廣泛用途。 在固定電站領(lǐng)域， SOFC 明顯比 PEMFC 有優(yōu)勢。 SOFC 很少需要對燃料處理，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡單，而且， SOFC 與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)行高效熱電聯(lián)產(chǎn)。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 20xx 年 5月安裝在美國加州大學(xué)，功率 220kW，發(fā)電效率 58%。未來的 SOFC/燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率將達(dá)到 6070%。 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 24 頁 共 30 頁 SOFC 被稱為第三代燃料電池的 SOFC正在積極的研制和開發(fā)中，它是正在興起的新型發(fā)電方式之一。美國是世界上最早研究 SOFC的國家，而美國 的西屋電氣公司所起的作用尤為重要，現(xiàn)已成為在SOFC研究方面最有權(quán)威的機(jī)構(gòu)。 早在 1962 年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料，在 SOFC試驗(yàn)裝置上獲得電流，并指出烴類燃料在 SOFC內(nèi)必須完成燃料的催化轉(zhuǎn)化與電化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)基礎(chǔ)過程，為 SOFC的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后 10 年間，該公司與 OCR 機(jī)構(gòu)協(xié)作，連接 400 個(gè)小圓筒型 ZrO2CaO 電解質(zhì)，試制 100W電池，但此形式不便供大規(guī)模發(fā)電裝置應(yīng)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。西屋電氣公司將電化學(xué)氣相沉積技術(shù)應(yīng)用 于 SOFC的電解質(zhì)及電極薄膜制備過程，使電解質(zhì)層厚度減至微米級(jí)，電池性能得到明顯提高，從而揭開了 SOFC的研究嶄新的一頁。 80年代中后期，它開始向研究大功率 SOFC電池堆發(fā)展。 1986年，400W管式 SOFC電池組在田納西州運(yùn)行成功。 1987年，又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了3kW 級(jí)列管式 SOFC 發(fā)電機(jī)組，成功地進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)長達(dá) 5000h，標(biāo)志著 SOFC 研究從實(shí)驗(yàn)研究向商業(yè)發(fā)展。進(jìn)入 90年代 DOE機(jī)構(gòu)繼續(xù)投資給西屋電氣公司 6400余萬美元，旨在開發(fā)出高轉(zhuǎn)化率、 2MW級(jí)的 SOFC 發(fā)電機(jī)組。 1992 年兩臺(tái) 25kW 管型 SOFC 分別在日本大阪、美國南加州進(jìn)行了幾千小時(shí)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。從 1995年起，西屋電氣公司采用空氣電極作支撐管，取代了原先 CaO穩(wěn)定的 ZrO2支撐管，簡化了 SOFC的結(jié)構(gòu) ,使電池的功率密度提高了近 3倍。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。目前， Siemens Westinghouse 宣布有兩座 250kW SOFC示范電廠很快將在挪威和加拿大的多倫多附近建成。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。 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 25 頁 共 30 頁 西門子 另外，美國的其它一些部門在 SOFC方面也有一定的實(shí)力。位于匹茲堡的 PPMF 是 SOFC技術(shù)商業(yè)化的重要生產(chǎn)基地，這里擁有完整的 SOFC電池構(gòu)件加工、電池裝配和電池質(zhì)量檢測等設(shè)備，是目前世界上規(guī)模最大的 SOFC 技術(shù)研究開發(fā)中心。 1990年，該中心為美國 DOE 制造了 20kW級(jí) SOFC裝置，該裝置采用管道煤氣為燃料，已連續(xù)運(yùn)行了 1700多小時(shí)。與此同時(shí)，該中心還為日本東京和大阪煤氣公司、關(guān)西電力公司提供了兩套 25kW級(jí) SOFC試驗(yàn)裝置，其中一套為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。另外美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室也研究開發(fā)了疊層波紋板式 SOFC電池堆，并開發(fā)出適合于這種結(jié)構(gòu)材料成型的澆注法和壓延法。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)。 在日本， SOFC研究是 月光計(jì)劃 的一部分。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 發(fā)電裝置。東京電力公司與三菱重工從 1986年 12 月開始研制圓管式 SOFC裝置，獲得了輸出功率為 35W 的單電池，當(dāng)電流密度為 200mA/cm2 時(shí)，電池電壓為 ，燃料利用率達(dá)到 58%。 1987年 7月，電源開發(fā)公司與這兩家公司合作，開發(fā)出 1kW圓管式 SOFC電池堆，并連續(xù)試運(yùn)行 達(dá) 1000h，最大輸出功率為 。關(guān)西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機(jī)構(gòu)則從美國西屋電氣公司引進(jìn) 3kW及 SOFC電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，取得了滿意的結(jié)果。從 1989年起，東京煤氣公司還著手開發(fā)大面積平板式 SOFC裝置， 1992年 6月完成了 100W平板式 SOFC裝置，該電池的有效面積達(dá) 400cm2。現(xiàn) Fuji與 Sanyo公司開發(fā)的平板式 SOFC 功率已達(dá)到千瓦級(jí)。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(píng)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。 在歐洲早在 70 年代，聯(lián)邦德國海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的SOFC發(fā)電裝置，單電池運(yùn)行性能良好。 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。德國的 Siemens、 Domier GmbH 及 ABB 研究公司致力于開發(fā)千瓦級(jí)平板式 SOFC發(fā)電裝置。 Siemens公司還與荷蘭能源中心 (ECN)合作開發(fā)開板式 SOFC單電池，有效電極面積為 67cm2。 ABB研究公司于 1993年研制出改良型平板式千瓦級(jí) SOFC發(fā)電裝置，這種電 池為金屬雙極性結(jié)構(gòu)，在 800℃ 下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，效果良好。現(xiàn)正考慮將其制成 25～100kW級(jí) SOFC發(fā)電系統(tǒng)，供家庭或商業(yè)應(yīng)用。 表 燃料電池的分類及技術(shù)比較 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 26 頁 共 30 頁 燃料電池 電解質(zhì) 工作溫度 電化學(xué)反應(yīng)式 PEMFC 固體有機(jī)膜 60100℃ 陽極： H2→2H++2e 陰極： 1/2O2+2H+ +2e →H2O PAFC H3PO4 175200℃ 陽極： H2→2H+ +2e 陰極： 1/2O2+ 2H+ +2e→H2O MCFC （ Li、 Na、 K） 2CO3 6001000℃ 陽極 ： H2+CO32－ →H2O+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 燃料電池運(yùn)行時(shí)必須使用流動(dòng)性好的氣體燃料。低溫燃料電池要用氫氣，高溫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 萬億 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 萬億 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 萬億 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 萬億 m3，可向外供氣 300 億 m3。我國規(guī)劃在 20xx 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， 20xx 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 20xx 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%，供給燃料電池作燃料， 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 27 頁 共 30 頁 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 億噸等），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、小型高效的燃料電池使用。如廣東番禺正在建設(shè)使用養(yǎng)豬場沼氣的燃料電池電站。 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 億 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