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关于燃料电池发电技术调研报告 (二 )
关于燃料电池发电技术调研报告 (二 ) 发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以 巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃料 电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这 种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题， 2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃 料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机 技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文 书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料 电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新 能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直 追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后 的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视， 现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。5.1．磷酸型燃料电池(PAFC) 受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种 类型的燃料电池，PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构 （NEDO）进行开发。自1981年起，进行了1000kW现场型PAFC发电装置的研究 和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商 业用的PAFC发电装置。
富士电机公司是目前日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年，该公 司已向国内外供应了17套PAFC示范装置，富士电机在1997年3月完成了分散型 5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设 备投入使用。下表所示为富士电机公司已交货的发电装置运行情况，到1998年止 有的已超过了目标寿命4万小时。
表 现场用PAFC燃料电池的运行情况 容量 台数累计运行时间 最长累计 最长连续 1万h 2万h 3万h 50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4 100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3 500kW 343437 16910 4214 3 0 0 东芝公司从70年代后半期开始，以分散型燃料电池为中心进行开发以后， 将分散电源用11MW机以及200kW机形成了系列化。11MW机是世界上最大的燃 料电池发电设备，从1989年开始在东京电力公司五井火电站内建造，1991年3月 初发电成功后，直到1996年5月进行了5年多现场试验，累计运行时间超过2万小 时，在额定运行情况下实现发电效率43.6%。在小型现场燃料电池领域，1990年 东芝和美国IFC公司为使现场用燃料电池商业化，成立了ONSI公司，以后开始向 全世界销售现场型200kW设备"PC25"系列。PC25系列燃料电池从1991年末运行， 到1998年4月，共向世界销售了174台。其中安装在美国某公司的一台机和安装在 日本大阪梅田中心的大阪煤气公司2号机，累计运行时间相继突破了4万小时。从 燃料电池的寿命和可靠性方面来看，累计运行时间4万h是燃料电池的长远目标。
东芝ONSI已完成了正式商用机PC25C型的开发，早已投放市场。PC25C型作为 21世纪新能源先锋获得日本通商产业大奖。从燃料电池商业化出发，该设备被评 价为具有高先进性、可靠性以及优越的环境性设备。它的制造成本是$3000/kW， 近期将推出的商业化PC25D型设备成本会降至$1500/kW，体积比PC25C型减少 1/4，质量仅为14t。明年即2001年，我国就将迎来第一座PC25C型燃料电池电站， 它主要由日本的MITI（NEDO）资助的，这将是我国第一座燃料电池发电站。
PAFC作为一种中低温型（工作温度180-210℃）燃料电池，不但具有发电 效率高、清洁、无噪音等特点，而且还可以热水形式回收大部分热量。下表给出 先进的ONSI公司PC25C型200kW PAFC的主要技术指标。最初开发PAFC是为了 控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院、宾馆 等地方提供电和热的现场集中电力系统。
表 ONSI公司PC25C型PAFC主要技术指标 电力输出发电效率 燃料 质量 排热利用 环境状况NOX 体积 200kW 40% 城市煤气 27.3t 42% 10×10-6 3×3×5.5 PAFC用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在10-20MW之间， 安装在配电站；
中心电站型发电厂，容量在100MW以上，可以作为中等规模热 电厂。PAFC电厂比起一般电厂具有如下优点：即使在发电负荷比较低时，依然 保持高的发电效率；
由于采用模块结构，现场安装简单，省时，并且电厂扩容容 易。
下图为ONSI PC25C型电站：
5.2．质子交换膜燃料电池(PEMFC) 著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技术上全球领先，现在它的应用领域 从交通工具到固定电站，其子公司Ballard Generation System被认为在开发、生产 和市场化零排放质子交换膜燃料电池上处于世界领先地位。Ballard Generation System 最初产品是250kW燃料电池电站，其基本构件是Ballard燃料电池，利用 氢气（由甲醇、天然气或石油得到）、氧气（由空气得到）不燃烧地发电。Ballard公司正和世界许多著名公司合作以使Ballard Fuel Cell 商业化。Ballard Fuel Cell 已经用于固定发电厂：由Ballard Generation System，GPU International Inc.，Alstom SA 和 EBARA公司共同组建了Ballard Generation System，共同开发千瓦级以下 的燃料电池发电厂。经过5年的开发，第一座250kW发电厂于1997年8月成功发电， 1999年9月送至Indiana Cinergy，经过周密测试、评估，并提高了设计的性能、降 低了成本，这导致了第二座电厂的诞生，它安装在柏林，250kW输出功率，也是 在欧洲的第一次测试。很快Ballard公司的第三座250kW电厂也在2000年9月安装 在瑞士进行现场测试，紧接着，在2000年10月通过它的伙伴EBARA Ballard 将第 四座燃料电池电厂安装在日本的NTT公司，向亚洲开拓了市场。在不同地区进行 的测试将大大促进燃料电池电站的商业化。第一个早期商业化电厂将在2001年底 面市。下图是安装在美国Cinergy的Ballard燃料电池装置，目前正在测试：
下图是安装在柏林的250kW PEMFC燃料电池电站：
在美国，Plug Power公司是最大的质子交换膜燃料电池开发公司，他们的 目标是开发、制造适合于居民和汽车用经济型燃料电池系统。1997年，Plug Power 模块第一个成功地将汽油转变为电力。最近，Plug Power 公司开发出它的专利 产品Plug Power 7000居民家用分散型电源系统。商业产品在2001年初推出。家用 燃料电池的推出将使核电站、燃气发电站面临挑战，为了推广这种产品，1999 年2月，Plug Power 公司和GE MicroGen成立了合资公司，产品改称GE HomeGen 7000，由 GE MicroGen 公司负责全球推广。此产品将提供7kW的持续电力。
GE/Plug公司宣称其2001年初售价为$1500/kW。他们预计5年后，大量生产的燃 料电池售价将降至$500/kW。假设有20万户家庭各安装一个7kW的家用燃料电池 发电装置，其总和将接近一个核电机组的容量，这种分散型发电系统可用于尖峰 用电的供给，又因分散式系统设计增加了电力的稳定性，即使少数出现了故障， 但整个发电系统依然能正常运转。
在Ballard公司的带动下，许多汽车制造商参加了燃料电池车辆的研制，例 如：Chrysler (克莱斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda (本田)、Nissan (尼桑)、 Volkswagen AG(大众)和Volvo(富豪)等，它们许多正在使用的燃料电池都是由 Ballard公司生产的，同时，它们也将大量的资金投入到燃料电池的研制当中，克 莱斯勒公司最近给Ballard公司注入4亿5千万加元用于开发燃料电池汽车，大大的 促进了PEMFC的发展。1997年，Toyota公司就制成了一辆RAV4型带有甲醇重整 器的跑车，它由一个25kW的燃料电池和辅助干电池一起提供了全部 50kW的能 量，最高时速可以达到 125km/h，行程可达500km。目前这些大的汽车公司均有燃料电池开发计划，虽然现在燃料电池汽车商业化的时机还未成熟，但几家公司 已确定了开始批量生产的时间表，Daimler-Benz公司宣布，到2004年将年产40000 辆燃料电池汽车。因而未来十年，极有可能达到100000辆燃料电池汽车。
PEMFC是一种新型、有远大前途的燃料电池，经过从80年代初到现在的 近20年的发展，质子交换膜燃料电池起了翻天覆地的变化。这种变化从其膜电极 的演变过程可见一斑。膜电极是PEMFC的电化学心脏，正是因为它的变化，才 使得PEMFC呈现了今天的蓬勃生机。早期的膜电极是直接将铂黑与起防水、粘 结作用的Tefion微粒混合后热压到质子交换膜上制得的。Pt载量高达10mg/cm2。
后来，为增加Pt的利用率，使用了Pt/C催化剂，但Pt的利用率仍非常低，直到80 年代中期，PEMFC膜电极的Pt载量仍高达4mg/cm2。80年代中后期，美国Los Alamos 国家实验室（LANL）提出了一种新方法，采用Nafion质子交换聚合物溶 液浸渍Pt/C多孔气体扩散电极，再热压到质子交换膜上形成膜电极。此法大大提 高了Pt的利用率，将膜电极的载铂量降到了0.4mg/cm2。1992年，LANL对该法进 行了改进，使膜电极的Pt载量进一步降低到0.13 mg/cm2。1995年印度电化学能量 研究中心（CEER）采用喷涂浸渍法制得了Pt载量为0.1 mg/cm2的膜电极，性能 良好。据报道，现在LANL试验的一些单电池中，膜电极上铂载量已降到 0.05mg/cm2。膜电极上铂载量的减少，直接可以使燃料电池的成本降低，这就为 其商品化的实现准备了条件。
5.3．熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 50年代初，熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）由于其可以作为大规模民用发 电装置的前景而引起了世界范围的重视。在这之后，MCFC发展的非常快，它在 电池材料、工艺、结构等方面都得到了很大的改进，但电池的工作寿命并不理想。
到了80年代，它已被作为第二代燃料电池，而成为近期实现兆瓦级商品化燃料电 池电站的主要研究目标，研制速度日益加快。现在MCFC的主要研制者集中在美 国、日本和西欧等国家。预计2002年将商品化生产。
美国能源部（DOE）去年已拨给固定式燃料电池电站的研究费用4420万美 元，而其中的2/3将用于MCFC的开发，1/3用于SOFC的开发。美国的MCFC技术 开发一直主要由两大公司承担，ERC（Energy Research Corporation）（现为Fuel Cell Energy Inc.）和M-C Power公司。他们通过不同的方法建造MCFC堆。两家公 司都到了现场示范阶段：ERC1996年已进行了一套设于加州圣克拉拉的2MW的 MCFC电站的实证试验，目前正在寻找3MW装置试验的地点。ERC的MCFC燃料 电池在电池内部进行无燃气的改质，而不需要单独设置的改质器。根据试验结果，ERC对电池进行了重新设计，将电池改成250kW单电池堆，而非原来的125kW堆， 这样可将3MW的MCFC安装在0.1英亩的场地上，从而降低投资费用。ERC预计 将以$1200/kW的设备费用提供3MW的装置。这与小型燃气涡轮发电装置设备费 用$1000/kW接近。但小型燃气发电效率仅为30%，并且有废气排放和噪声问题。
与此同时，美国M-C Power 公司已在加州圣迭戈的海军航空站进行了250kW装 置的试验，现在计划在同一地点试验改进75kW装置。M-C Power公司正在研制 500kW模块，计划2002年开始生产。
日本对 MCFC的研究，自1981年"月光计划"时开始，1991年后转为重点， 每年在燃料电池上的费用为12-15亿美元，1990年政府追加2亿美元，专门用于 MCFC的研究。电池堆的功率1984年为1kW，1986年为10kW。日本同时研究内 部转化和外部转化技术，1991年，30kW级间接内部转化MCFC试运转。1992年 50-100kW级试运转。1994年，分别由日立和石川岛播磨重工完成两个100kW、 电极面积1m2，加压外重整MCFC。另外由中部电力公司制造的1MW外重整 MCFC正在川越火力发电厂安装，预计以天然气为燃料时，热电效率大于45%， 运行寿命大于5000h。由三菱电机与美国ERC合作研制的内重整30kW MCFC 已 运行了10000h。三洋公司也研制了30kW内重整MCFC。目前，石川岛播磨重工 有世界上最大面积的MCFC燃料电池堆，试验寿命已达13000h。日本为了促进 MCFC的开发研究，于1987年成立了MCFC研究协会，负责燃料电池堆运转、电 厂外围设备和系统技术等方面的研究，现在它已联合了14个单位成为日本研究开 发主力。
欧洲早在1989年就制定了1个Joule计划，目标是建立环境污染小、可分散 安装、功率为200MW的"第二代"电厂，包括MCFC、SOFC和PEMFC三种类型， 它将任务分配到各国。进行MCFC研究的主要有荷兰、意大利、德国、丹麦和西 班牙。荷兰对MCFC的研究从1986年已经开始，1989年已研制了1kW级电池堆， 1992年对10kW级外部转化型与1kW级内部转化型电池堆进行试验，1995年对煤 制气与天然气为燃料的2个250kW系统进行试运转。意大利于1986年开始执行 MCFC国家研究计划，1992-1994年研制50-100kW电池堆，意大利Ansodo与IFC 签定了有关MCFC技术的协议，已安装一套单电池（面积1m2）自动化生产设备， 年生产能力为2-3MW，可扩大到6-9MW。德国MBB公司于1992年完成10kW级外 部转化技术的研究开发，在ERC协助下，于1992年-1994年进行了100kW级与 250kW级电池堆的制造与运转试验。现在MBB公司拥有世界上最大的280kW电池 组体。资料表明，MCFC与其他燃料电池比有着独特优点：
a． 发电效率高 比PAFC的发电效率还高；
b． 不需要昂贵的白金作催化剂，制造成本低；
c． 可以用CO作燃料；
d． 由于MCFC工作温度600-1000℃，排出的气体可用来取暖，也可与汽 轮机联合发电。若热电联产，效率可提高到80%；
e． 中小规模经济性 与几种发电方式比较，当负载指数大于45%时，MCFC 发电系统成本最低。与PAFC相比，虽然MCFC起始投资高，但PAFC的燃料费远 比MCFC高。当发电系统为中小规模分散型时，MCFC的经济性更为突出；
f． MCFC的结构比PAFC简单。
5.4．固体氧化物燃料电池(SOFC) SOFC由用氧化钇稳定氧化锆（YSZ）那样的陶瓷给氧离子通电的电解质 和由多孔质给电子通电的燃料和空气极构成。空气中的氧在空气极/电解质界面 被氧化，在空气燃料之间氧的分差作用下，在电解质中向燃料极侧移动，在燃料 极电解质界面和燃料中的氢或一氧化碳反应，生成水蒸气或二氧化碳，放出电子。
电子通过外部回路，再次返回空气极，此时产生电能。
SOFC的特点如下：
l 由于是高温动作（600-1000℃），通过设置底面循环，可以获得超过60% 效率的高效发电。
由于氧离子是在电解质中移动，所以也可以用CO、煤气化的气体作为燃 料。
由于电池本体的构成材料全部是固体，所以没有电解质的蒸发、流淌。另 外，燃料极空气极也没有腐蚀。
l 动作温度高，可以进行甲烷等内部改质。
与其他燃料电池比，发电系统简单，可以期望从容量比较小的设备发展到 大规模设备，具有广泛用途。在固定电站领域，SOFC明显比PEMFC有优势。SOFC很少需要对燃料处 理，内部重整、内部热集成、内部集合管使系统设计更为简单，而且，SOFC与 燃气轮机及其他设备也很容易进行高效热电联产。下图为西门子-西屋公司开发 出的世界第一台SOFC和燃气轮机混合发电站，它于2000年5月安装在美国加州大 学，功率220kW，发电效率58%。未来的SOFC/燃气轮机发电效率将达到60-70%。
被称为第三代燃料电池的SOFC正在积极的研制和开发中，它是正在兴起 的新型发电方式之一。美国是世界上最早研究SOFC的国家，而美国的西屋电气 公司所起的作用尤为重要，现已成为在SOFC研究方面最有权威的机构。
早在1962年，西屋电气公司就以甲烷为燃料，在SOFC试验装置上获得电 流，并指出烃类燃料在SOFC内必须完成燃料的催化转化与电化学反应两个基础 过程，为SOFC的发展奠定了基础。此后10年间，该公司与OCR机构协作，连接 400个小圆筒型ZrO2-CaO电解质，试制100W电池，但此形式不便供大规模发电 装置应用。80年代后，为了开辟新能源，缓解石油资源紧缺而带来的能源危机， SOFC研究得到蓬勃发展。西屋电气公司将电化学气相沉积技术应用于SOFC的电 解质及电极薄膜制备过程，使电解质层厚度减至微米级，电池性能得到明显提高， 从而揭开了SOFC的研究崭新的一页。80年代中后期，它开始向研究大功率SOFC 电池堆发展。1986年，400W管式SOFC电池组在田纳西州运行成功。1987年，又 在日本东京、大阪煤气公司各安装了3kW级列管式SOFC发电机组，成功地进行 连续运行试验长达 5000h，标志着SOFC研究从实验研究向商业发展。进入90年 代DOE机构继续投资给西屋电气公司 6400余万美元，旨在开发出高转化率、 2MW级的SOFC发电机组。1992年两台25kW管型SOFC分别在日本大阪、美国南 加州进行了几千小时实验运行。从1995年起，西屋电气公司采用空气电极作支撑 管，取代了原先CaO稳定的ZrO2支撑管，简化了SOFC的结构 ,使电池的功率密 度提高了近3倍。该公司为荷兰Utilies公司建造100kW管式SOFC系统，能量总利 用率达到 75%，已经正式投入使用。目前，Siemens Westinghouse 宣布有两座 250kW SOFC示范电厂很快将在挪威和加拿大的多伦多附近建成。下图为西屋公 司在荷兰安装的SOFC示范电厂，它可以提供110kW的电力和64kW的热，发电效 率达到46%，运行14000h。
另外，美国的其它一些部门在SOFC方面也有一定的实力。位于匹兹堡的 PPMF是SOFC技术商业化的重要生产基地，这里拥有完整的SOFC电池构件加工、 电池装配和电池质量检测等设备，是目前世界上规模最大的SOFC技术研究开发 中心。1990年，该中心为美国DOE制造了20kW级SOFC装置，该装置采用管道煤气为燃料，已连续运行了1700多小时。与此同时，该中心还为日本东京和大阪煤 气公司、关西电力公司提供了两套25kW级SOFC试验装置，其中一套为热电联产 装置。另外美国阿尔贡国家实验室也研究开发了叠层波纹板式SOFC电池堆，并 开发出适合于这种结构材料成型的浇注法和压延法。使电池能量密度得到显著提 高，是比较有前途的SOFC结构。
在日本，SOFC研究是"月光计划"的一部分。早在1972年，电子综合技术 研究所就开始研究SOFC技术，后来加入"月光计划"研究与开发行列，1986年研 究出500W圆管式SOFC电池堆，并组成1.2kW发电装置。东京电力公司与三菱重 工从1986年12月开始研制圆管式SOFC装置，获得了输出功率为35W的单电池， 当电流密度为200mA/cm2时，电池电压为0.78V，燃料利用率达到58%。1987年7 月，电源开发公司与这两家公司合作，开发出1kW圆管式SOFC电池堆，并连续 试运行达1000h，最大输出功率为1.3kW。关西电力公司、东京煤气公司与大阪 煤气公司等机构则从美国西屋电气公司引进3kW及2.5kW圆管式SOFC电池堆进 行试验，取得了满意的结果。从1989年起，东京煤气公司还着手开发大面积平板 式SOFC装置，1992年6月完成了100W平板式SOFC装置，该电池的有效面积达 400cm2。现Fuji与Sanyo公司开发的平板式SOFC功率已达到千瓦级。另外，中部 电力公司与三菱重工合作，从1990年起对叠层波纹板式SOFC系统进行研究和综 合评价，研制出406W试验装置，该装置的单电池有效面积达到131cm2。
在欧洲早在70年代，联邦德国海德堡中央研究所就研究出圆管式或半圆管 式电解质结构的SOFC发电装置，单电池运行性能良好。80年代后期，在美国和 日本的影响下，欧共体积极推动欧洲的SOFC的商业化发展。德国的Siemens、 Domier GmbH及ABB研究公司致力于开发千瓦级平板式SOFC发电装置。Siemens 公司还与荷兰能源中心 (ECN)合作开发开板式SOFC单电池，有效电极面积为 67cm2。ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦级SOFC发电装置，这 种电池为金属双极性结构，在800℃下进行了实验，效果良好。现正考虑将其制 成25～100kW级SOFC发电系统，供家庭或商业应用。
电化学反应式 阳极：H2→2H++2e 阴极：1/2O2+2H+ +2e →H2O 阳极：H2→2H+ +2e 阴极：1/2O2+ 2H+ +2e→H2O阳极：H2+CO32－→H2O+CO2+2e 阴极：1/2O2+ CO2+2e→CO32－ 阳极：H2+O2－→H2O+2e 阴极：1/2O2+2e→O2－ 辽宁地区能源资源单一，从长远看只能靠煤电解决本地区的电能需求。但 是传统电能转换方式与本地的环境矛盾日益尖锐，发展使用气体能源燃料电池发 电可以很好地解决本地电能需求且不污染环境，也有利于解决本地十分棘手的电 网调峰问题。燃料电池发电不仅是可能的而且是可行的，可以做成小型的电池堆 或用其建成大型的电站。应从现在起加强燃料电池发电的研究工作，立足于用高 技术改造东北电网。
鉴于我国对电站用燃料电池的研究还比较落后，我们应走风力发电的路线， 采用高起点起步，整机引进国外的燃料电池发电设备，可以先引进规模较小的电 池堆。这样可以使我们更快地掌握高技术，有利于燃料电池发电在我省更快的发 展。
大连化学物理研究所走在了我国在燃料电池研究的前面，而且对燃料电池 的种类研究的也比较全面，辽宁省有很好的燃料电池研究生产条件，我国有大量 的燃料电池所用的稀土资源。应很好地利用这一资源，在开发燃料电池应用市场 的同时，参与燃料电池的生产，如同内蒙古和新疆风电产业一样，既是产品的使 用者也是生产者，抢占燃料电池这一高技术的制高点。
