一鍵復(fù)制
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燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景篇一
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目前研制的燃料電池技術(shù)在運行溫度上有不同的類型，從比室溫略高直到高達1000℃的范
圍。大多數(shù)工業(yè)集團公司的注意力集中在以下4種主要類型上：
(1)運行溫度在60-80℃之間的聚合物電解液隔膜型燃料電池(pemfc)；
(2)運行溫度在160-220℃之間的磷酸類燃料電池(pafc)；
(3)運行溫度在620-660℃之間的熔融碳酸鹽類燃料電池(mcfc)；
(4)運行溫度在880-1000℃之間的固體氧化物燃料電池(sofc)。
可以將這些類型的燃料電池劃分為低溫型(100℃及以下)、中溫型(約200℃左右)及高溫型
(600-l000℃)燃料電池。
表1簡要地列出了各種類型燃料電池的性能。中溫型和高溫型燃料電池適于用在靜止式裝置上，而低溫型燃料電池對于靜止裝置和移動式裝置都適用。
實用裝置的功率容量差別也很大，可以給筆記本電腦及移動電話供電(數(shù)以w計)，也可以給居民住宅(數(shù)kw)或是分散的電熱設(shè)備和動力設(shè)備(數(shù)百kw到數(shù)mw)供電。
最適于用來驅(qū)動汽車的是低溫型燃料電池。
根據(jù)使用期限成本進行的經(jīng)濟性比較結(jié)果表明，就發(fā)電成本而言，sofc型燃料電池要pem型低30％。這個結(jié)果是根據(jù)sofc型燃料電池的電效率比pem型的高，這2種燃料電池最終都可以達到l000美元／kw的投資成本這一假設(shè)條件而推導(dǎo)出來的。
高溫型燃料電池具有許多適于在靜止式裝置上使用的特性。但是在高溫型燃料電池產(chǎn)生出電能之前需要較長的加熱過程，因而這種技術(shù)不能應(yīng)用于要求在短時間內(nèi)頻繁起動的各種實用裝置。此外，高溫型燃料電池還具有以下特點：
(1)不需要使用貴金屬來催化電化學(xué)反應(yīng)。一般情況下使用陶瓷材料。
(2)對co完全沒有限制。co參加到電化學(xué)反應(yīng)過程并像h2一樣被氧化。
(3)對燃料表現(xiàn)出高度靈活性。可以給這類燃料電池發(fā)電設(shè)備供應(yīng)天然氣，天然氣在設(shè)備內(nèi)部被轉(zhuǎn)換成h2和co。這意味著無需任何外部燃料，從而大大簡化了發(fā)電設(shè)備的平衡問題。
(4)高溫可以將燃?xì)廨啓C連接到該系統(tǒng)上，在這種情況下，燃料電池發(fā)電設(shè)備是在300kpa壓力下運行，并在不考慮燃?xì)廨啓C輸出的情況下將燃料電池的功率密度提高約20％，因此使總的電效率提高10％，可成倍地降低使用期限成本。
(5)較高的運行溫度也為排熱提供了更多的靈活性。在電效率達60％或更高水平的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中可限制廢熱排放，而在單循環(huán)下則會排放出更多的熱量。
mcfc和sofc是這類高溫型燃料電池的2種技術(shù)。它們使用的材料不同。mcfc是在一只陶瓷容器中放入液態(tài)的金屬碳酸鹽作為電解液，如果沒有采取防止電極老化的措施，燃料電他的使用壽命會受到影響。
在mcfc中電化學(xué)反應(yīng)是由co3離子引發(fā)的。mcfc采用的是頰型電池，和sofc型的管形設(shè)計方案相比，這種頰型電他的功率密度要稍微高一些。這在成本上要比sofc型裝置優(yōu)越。但在另一方面，由于sofc所用的陶瓷材料非常穩(wěn)定，可以用在950-1000℃范圍內(nèi)，所以sofc裝置在抗老化性能上更具優(yōu)越性。到目前為止，所有的長期電池試驗和正在運行的試驗性機組都表明
sofc型裝置的使用壽命可以達到70 000-80 000h，是mcfc型的2倍。
mcfc和sofc 2種技術(shù)在進行100-250kw功率范圍的單循環(huán)現(xiàn)場試驗中，成本都有大幅度的下降。目前在mcfc開發(fā)上占有主導(dǎo)地位的是美國的fuel cell energy公司及其在德國的授權(quán)單
位mtu，日本的ishikawajima-harima重工(ihi)和三菱公司等。而siemens westinghouse在sofc開發(fā)上處于領(lǐng)先水平。
目前磷酸類燃料電池(pafc)是具有最先進技術(shù)的燃料電池。80年代，ifc(國際燃料電池公司)決定對其前期商業(yè)化生產(chǎn)線進行投資，制造和銷售200kw的pafc裝置，并將其投入市場。東芝公司在80年代末就已經(jīng)努力使pafc技術(shù)進入商用市場。從此，pafc技術(shù)就一直在靜止燃料電池的市場中占據(jù)著顯赫的位置。迄今為止，全球已經(jīng)安裝了150多套pafc燃料電池裝置。
研究表明，這種燃料電池未能實現(xiàn)市場商業(yè)化的原因大致有以下幾方面：
(1)電效率最高為40％，超過維修期限后會降到35％甚至更低水平。通常情況下設(shè)備的使用期限不超過20 000運行h。
(2)有些試驗性的設(shè)備(如東芝公司管理的1套11mw設(shè)備未能達到頂期的性能水平。
(3)美國和日本政府大幅度削縮用于pafc技術(shù)研究和開發(fā)的投資。
(4)從迄今積累的經(jīng)驗及在改善設(shè)計參數(shù)和降低產(chǎn)品成本方面的潛力來看，讓pafc技術(shù)成功
地躋身于當(dāng)今的市場中的可能性是極低的。
siemens westinghouse公司根據(jù)對市場的分析，決定采取必要的措施加快sofc技術(shù)進入市場的步伐。預(yù)計在2003-2004年提供第l批產(chǎn)品，進入商業(yè)性生產(chǎn)前的試驗階段，裝置容量從目前的2mw擴大到15mw。
北美和歐洲被認(rèn)為是sofc燃料電池技術(shù)最有希望的市場。hagler bailly公司和西門子公司對功率范圍為250 kw-l mw的市場進行了調(diào)查，結(jié)果表明到2005年sofc燃料電池的市場容量
為每年10000mw。北美和歐洲幾乎各占50％?？紤]到北美洲用戶的結(jié)構(gòu)和他們的需求，在北美洲各類小型發(fā)電機組的總?cè)萘吭?010年可能達到每年約1000mw，其中600mw可能是燃料電池發(fā)電裝置。在各種類型的燃料電池中，sofc的市場份額約占40％，到2010年在北美洲sofc的全年銷售額將達到2.4億美元。
在競爭日益激烈的配電市場中的另一個獲勝者是微型燃?xì)廨啓C，主要是作為備用電源或輔助電源。由于sofc和微型燃?xì)廨啓C的特性適于不同的應(yīng)用場所，sofc效率高但投資成本也高，
而微型燃?xì)廨啓C成本低但效率也低，因而這2種技術(shù)不會產(chǎn)生市場上競爭。而往復(fù)式發(fā)動機會逐漸失去其在市場中的份額。
歐洲電網(wǎng)要比北美洲電網(wǎng)強大得多，歐洲電網(wǎng)強化了集中的大型發(fā)電廠的作用。因此在北美洲經(jīng)常出現(xiàn)的分散式電熱設(shè)備和動力裝置的供電質(zhì)量和供電可靠性問題在歐洲是不突出的'。但另一方面，在歐洲對能量儲存更為敏感。
此外，一些國家政府將頒布新的規(guī)程和法律及新的能源價格，預(yù)計歐洲各國之間市場份額會有重大差異。在有些情況下這個過程會給sofc用于配電裝置起到一定的促進作用。此外，歐洲的自由化近程落后于北美洲。因此，市場預(yù)測結(jié)果會有很大程度的不確定性。
使用天然氣作為燃料的sofc是車載式裝置，其擴展應(yīng)用可有以下幾種形式：
(1)家庭應(yīng)用：新一代燃料電池將是扁平管型的，其功率密度是目前所用圓柱型燃料電池技術(shù)
的2倍，因而將制造出5kw的燃料電池裝置。這種設(shè)計方案是可行的，在配電市場中可以替代
圓柱型燃料電池。
(2)l0mw以上的系統(tǒng)裝置：很顯然，只要sofc技術(shù)占有了功率范圍在250-10mw的市場，那么下一步最必然的是要爭取占有l(wèi)0mw以上更大規(guī)模發(fā)電設(shè)備的市場。通過把更多sofc鏈接起來便能實現(xiàn)這個目標(biāo)，也滿足了高效率低成本的要求。20mw級規(guī)模燃料電池的電效率已經(jīng)接近甚至超過70％。
(3)用液態(tài)燃料運行：使用天然氣作為燃料將sofc的應(yīng)用局限在靠近天然氣供氣網(wǎng)的區(qū)域內(nèi)，從而使這項新技術(shù)的應(yīng)用受到限制。因此存在著讓sofc使用液態(tài)燃料的迫切要求。因此，應(yīng)與大型石油公司合作進行該課題的研究開發(fā)，選擇一種適宜的液體燃料并設(shè)計出最適于使用這種新燃料的sofc發(fā)電裝置，以便為邊遠(yuǎn)的用戶服務(wù)。
(4)c02的分離：shell公司和 siemens westinghouse公司正在共同研制一種能將co2從完全反應(yīng)后的燃料中分離的sofc設(shè)飛方案。例如，當(dāng)把其裝在用于回收油的平臺上時，可以把co2用泵壓到地下儲層中，這不但可省去co2的排放稅，還可提高原油的產(chǎn)出量。
(5)綜合性應(yīng)用：co2分離裝置可能是點火的火花裝置，它使得sofc在一種封閉且可再生的能量循環(huán)中成為關(guān)鍵性部件。經(jīng)過-段時間，sofc能產(chǎn)生出熱量和電力，例如用于大型暖房的設(shè)施中，sofc裝置產(chǎn)生的c02可用來加快植物的生長。而任何一種農(nóng)作物收獲后的剩余有機物都可以轉(zhuǎn)化為氣體供給sofc作燃料。
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