關于燃料電池發電技術的調研報告-資料下載頁

　　

【正文】 i、Na、K）2CO36001000℃ 陽極：H2+CO32－→H2O+CO2+2e陰極：1/2O2+ CO2+2e→CO32－SOFC YSZ（用Y2O3穩定的ZrO2） 6001000℃ 陽極：H2+O2－→H2O+2e陰極：1/2O2+2e→O2－6．燃料資源評估 燃料電池運行時必須使用流動性好的氣體燃料。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？我國的天然氣儲量是十分豐富的，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，可向我國年供氣200~300億m3 ； ，可向我國年供氣100~200億m3；俄遠東地區、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。中亞地區的哈薩克斯坦、可向外供氣300億m3。我國規劃在2010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。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。目前我國的生產能力約為300億m3/a， 2010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公里的距離內運用管道輸送都是十經濟的。 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2000米以內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。 另外作為后續資源，我國已發現在南海、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。%，%，% 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。我國的能源工業也必將跟上世界能源消費潮流。 另外由于環保的需要和IGCC技術的推動，煤的大型氣化裝置技術已經過關。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%，供給燃料電池作燃料，其效率要比常規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、），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、小型高效的燃料電池使用。如廣東番禺正在建設使用養豬場沼氣的燃料電池電站。 我國在合成氨工業中，氫的年回收量可達到14億m3；。此外，在冶金工業、發酵制酒及丁醇溶劑廠等生產過程中都有大量氫可回收。上述各類工業副產氫的可回收總量，估計可達到15億m3以上。 從長遠發展看，小型、高效、靈活、分散的PEMFC、PAFC發電與集中高溫型MCFC和SOFC系統均是有燃料保證的。 7．燃料電池發電的經濟性 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的國外商業價格為$1500/kW，PAFC的價格為$3000/kW。國內富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價格為10000元/kW。其他燃料電池國內暫無商業產品。 燃料電池發電與常規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。~。發電消耗的燃料為燃料電池的兩倍以上，按目前國內天然氣最低市價（產地市價人民幣1元/m3）計算，當發電時間超過70000h以后，用燃料電池發電將比用傳統的熱機發電更經濟。在實際發電工程中還應考慮傳統的熱機發電占地面積大，環境污染重的問題。隨著燃料電池發電技術的不斷完善，造價將不斷的降低，特別是在規模化生產后，其造價將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來這種發電方式會對傳統熱機發電構成挑戰。 最近國際上一些學者和國際組織認為：大容量、高參數機組發電，超高壓、大電網遠距離送電的集中供電是一些工業發達國家過去走過的道路。目前的情況正在發生變化，較分散的發電站的出現，再加上對改善能源投資的選擇，傳統的觀念變得過時了。1999年在布魯塞爾成立的國際熱電聯產（ICA）組織聲稱：其實旨是推動世界范圍內的清潔、高效、分散的電力生產，它預言這是下一個世紀電力工業的方向 。隨著小型分散的熱電廠、燃料電池發電、風力發電、太陽能發電、生物質能發電等的出現和增加，當今的電力系統將發生很大的轉變。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，會使得電力系統更安全更經濟。一個目前擁有50個發電廠的電力公司在未來若干年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連。這種電力網絡類似于目前的計算機網絡，少數的幾臺主機與眾多的PC機相連。這種電網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運行方式有一個重大的變革。 將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共存狀態。因為大電網有其優越性的同時，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%），同時也為電網調峰做出了貢獻。中小型分散式電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化。根據專家計算，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已很發達的國家，將來對燃料電池的市場需要約為17000兆瓦以上，即中小型分散配置，有其獨特的優越性。我國也將是這樣。 8．對電力系統的影響展望 被稱為第四代發電方式的燃料電池，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資金，推動其商業化的進程。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的重視。PAFC發電裝置已有數萬套進入賓館、家庭運行，PAFC已有了4萬多小時的運行記錄。 我國稀土資源豐富，發展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發電效率高達55%～65%，而且還可提供優質余熱用于聯合循環發電，是一種優良的區域性供電電站。熱電聯供時,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，這種區域性、環境友好的、高效的發電技術有可能發展成為一種主要的供電方式。 最近日本提出2010年普及燃料電池的應用，并向發達歐美國家建議制定安全基準和通用規格。隨著其生產成本的降低，燃料電池也將在我國獲得快速的發展，它將對傳統的熱機發電構成有利的挑戰。展望其對電力系統的影響如下： 調峰能力增加 應用氫氣做燃料PEMFC已經商業化，在國外容量為3kW、5kW、7kW等熱電聯用的燃料電池正在源源不斷地進入家庭，數百kW的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電裝置一樣可以獨立發電，也可與電力網相連。為了獲得氫燃料，目前在非純氫燃料電池前均加了燃料改質器。據專家介紹，碳納米管儲氫技術已獲得突破，隨著其商業化的發展，實行家庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便，購一罐氫氣可以發電數月（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，打開氣閥就可以發電和供熱水。 可以使用天然氣、煤氣為燃料的MCFC、SOFC發電能力為數千kW發電裝置將座落于較大的公用場所，用管道向燃料電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能，使城市的發電不再污染環境。成千上萬的燃料電池發電裝置服役，必將使得電網的調峰能力大大增強，常規的火電廠，由于存在有較大污染，因此讓其遠離城區帶基本負荷。在缺乏調峰手段和缺乏調峰電量的東北電網加大燃料電池的入網量，必將大大地提高未來電網的調峰能力。 節約配電網的建設費用 我國有許多偏遠的山村和海島，遠離電網或處在電網的末端，用電量不大。從商業角度考慮，架設高電壓等級的線路是不合算的，但不架設又難以實現村村通電的目標。有了燃料電池，用當地生物質氣體為燃料，再配合當地的風能、太陽能等，就可以滿足當地的長期的電能需求。這樣可以使投資更加合理，又提高電網的經濟效益。 提高電網的安全性 目前電網均采用高壓長距離輸電的方式使偏僻山區的水電和坑口、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，這種系統往往是十分脆弱的。而星羅棋布的燃料電池加入到電網中供電，將會大大提高電網的安全性。在某個遠距離的基本負荷電源跳閘時，燃料電池可以對電網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，對于大規模的應用化石能源的電力系統來說，變長距離輸電為長距離輸氣，應用大中小相結合的各種燃料電池靠近負荷供電供熱會更經濟、更安全。 電網管理 燃料電池發電將增加管理的復雜性。一是燃料電池發的均是直流電，需變頻后入網，如此將需要對諧波進行控制；二是價格管理，每一個小的系統與電網均有電量交換，需要進行合理的價格管理，這與其他新能源入網問題一樣（如太陽能、風能、生物質能發電），入網電量小，管理量不小。 9．結束語 人類自從19世紀以來，經歷了三次能源結構革命。第一次能源革命發生在19世紀第一次產業革命以后，由于蒸汽機的大量應用，傳統的能源柴薪已不能滿足工業生產的需要，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，當時不斷發展的電力、鋼鐵工業帶動了內燃機技術的推廣，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展和節能技術的發展。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境的矛盾日益尖銳、傳統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的份額（世界范圍內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燃料電池開始進入商業化階段。 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%。為了解決現代化巨大的電能需求與環境的尖銳矛盾，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。氣體能源的發展為燃料電池在我國廣泛應用創造了極好的條件。建議如下： 遼寧地區能源資源單一，從長遠看只能靠煤電解決本地區的電能需求。但是傳統電能轉換方式與本地的環境矛盾日益尖銳，發展使用氣體能源燃料電池發電可以很好地解決本地電能需求且不污染環境，也有利于解決本地十分棘手的電網調峰問題。燃料電池發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。應從現在起加強燃料電池發電的研究工作，立足于用高技術改造東北電網。 鑒于我國對電站用燃料電池的研究還比較落后，我們應走風力發電的路線，采用高起點起步，整機引進國外的燃料電池發電設備，可以先引進規模較小的電池堆。這樣可以使我們更快地掌握高技術，有利于燃料電池發電在我省更快的發展。 大連化學物理研究所走在了我國在燃料電池研究的前面，而且對燃料電池的種類研究的也比較全面，遼寧省有很好的燃料電池研究生產條件，我國有大量的燃料電池所用的稀土資源。應很好地利用這一資源，在開發燃料電池應用市場的同時，參與燃料電池的生產，如同內蒙古和新疆風電產業一樣，既是產品的使用者也是生產者，搶占燃料電池這一高技術的制高點。41 /