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1、燃料电池及其发展前景 摘要燃料电池含有非同平常的性能： 电效率可达60以上，而且能够在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的4种关键燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，关键介绍高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的应用及其发展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of applicationThis pape
2、r introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFCThen it puts the emphasis on SOFC and its application market燃料电池是经过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料(如天然气、甲醇或纯净氢气)的化学反应直接产生出电能。和汽轮发电机生产的电能相比，燃料电池含有非同平常的特征：它的电效率可达60以上，能够在带部分负荷运行的情况下进行维修，而且除了排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其它的有害排放物。1 燃料电池的分类现在研制的燃料电池技
3、术在运行温度上有不一样的类型，从比室温略高直到高达1000的范围。大多数工业集团企业的注意力集中在以下4种关键类型上：(1)运行温度在6080之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池(PEMFC)；(2)运行温度在160220之间的磷酸类燃料电池(PAFC)；(3)运行温度在620660之间的熔融碳酸盐类燃料电池(MCFC)；(4)运行温度在8801000之间的固体氧化物燃料电池(SOFC)。能够将这些类型的燃料电池划分为低温型(100及以下)、中温型(约200左右)及高温型(600l000)燃料电池。表1简明地列出了多种类型燃料电池的性能。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池
4、对于静止装置和移动式装置全部适用。实用装置的功率容量差异也很大，能够给笔记本电脑及移动电话供电(数以W计)，也能够给居民住宅(数kW)或是分散的电热设备和动力设备(数百KW到数MW)供电。最适于用来驱动汽车的是低温型燃料电池。依据使用期限成本进行的经济性比较结果表明，就发电成本而言，SOFC型燃料电池要PEM型低30。这个结果是依据SOFC型燃料电池的电效率比PEM型的高，这2种燃料电池最终全部能够达成l000美元KW的投资成本这一假设条件而推导出来的。2 高温燃科电池高温型燃料电池含有很多适于在静止式装置上使用的特征。不过在高温型燃料电池产生出电能之前需要较长的加热过程，因此这种技术不能应用
5、于要求在短时间内频繁起动的多种实用装置。另外，高温型燃料电池还含有以下特点：(1)不需要使用贵金属来催化电化学反应。通常情况下使用陶瓷材料。(2)对CO完全没有限制。CO参与到电化学反应过程并像H2一样被氧化。(3)对燃料表现出高度灵活性。能够给这类燃料电池发电设备供给天然气，天然气在设备内部被转换成H2和CO。这意味着无需任何外部燃料，从而大大简化了发电设备的平衡问题。(4)高温能够将燃气轮机连接到该系统上，在这种情况下，燃料电池发电设备是在300kPa压力下运行，并在不考虑燃气轮机输出的情况下将燃料电池的功率密度提升约20，所以使总的电效率提升10，可成倍地降低使用期限成本。(5)较高的运
6、行温度也为排热提供了更多的灵活性。在电效率达60或更高水平的联合循环系统中可限制废热排放，而在单循环下则会排放出更多的热量。MCFC和SOFC是这类高温型燃料电池的2种技术。它们使用的材料不一样。MCFC是在一只陶瓷容器中放入液态的金属碳酸盐作为电解液，假如没有采取预防电极老化的方法，燃料电她的使用寿命会受到影响。在MCFC中电化学反应是由CO3离子引发的。MCFC采取的是颊型电池，和SOFC型的管形设计方案相比，这种颊型电她的功率密度要稍微高部分。这在成本上要比SOFC型装置优越。但在其次，因为SOFC所用的陶瓷材料很稳定，能够用在9501000范围内，因此SOFC装置在抗老化性能上更具优越
7、性。到现在为止，全部的长久电池试验和正在运行的试验性机组全部表明SOFC型装置的使用寿命能够达成70 00080 000h，是MCFC型的2倍。MCFC和SOFC 2种技术在进行100250kW功率范围的单循环现场试验中，成本全部有大幅度的下降。现在在MCFC开发上占有主导地位的是美国的Fuel Cell Energy企业及其在德国的授权单位MTU，日本的IshikawajimaHarima重工(IHI)和三菱企业等。而Siemens Westinghouse在SOFC开发上处于领先水平。3 中温型燃料电池现在磷酸类燃料电池(PAFC)是含有最优秀技术的燃料电池。80年代，IFC(国际燃料电池
8、企业)决定对其前期商业化生产线进行投资，制造和销售200kW的PAFC装置，并将其投入市场。东芝企业在80年代末就已经努力使PAFC技术进入商用市场。今后，PAFC技术就一直在静止燃料电池的市场中占据着显赫的位置。迄今为止，全球已经安装了150多套PAFC燃料电池装置。研究表明，这种燃料电池未能实现市场商业化的原因大致有以下几方面：(1)电效率最高为40，超出维修期限后会降到35甚至更低水平。通常情况下设备的使用期限不超出20 000运行h。(2)有些试验性的设备(如东芝企业管理的1套11MW设备未能达成顶期的性能水平。(3)美国和日本政府大幅度削缩用于PAFC技术研究和开发的投资。(4)从迄
9、今积累的经验及在改进设计参数和降低产品成本方面的潜力来看，让PAFC技术成功地跻身于当今的市场中的可能性是极低的。4 SOFC在配电市场方面的潜力Siemens Westinghouse企业依据对市场的分析，决定采取必须的方法加紧SOFC技术进入市场的步伐。估计在20212021年提供第l批产品，进入商业性生产前的试验阶段，装置容量从现在的2MW扩大到15MW。北美和欧洲被认为是SOFC燃料电池技术最有期望的市场。Hagler Bailly企业和西门子企业对功率范围为250 kWl MW的市场进行了调查，结果表明到2021年SOFC燃料电池的市场容量为每十二个月10000MW。北美和欧洲几乎各
10、占50。考虑到北美洲用户的结构和她们的需求，在北美洲各类小型发电机组的总容量在2021年可能达成每十二个月约1000MW，其中600MW可能是燃料电池发电装置。在多种类型的燃料电池中，SOFC的市场份额约占40，到2021年在北美洲SOFC的整年销售额将达成2.4亿美元。本篇论文是由为您在络上搜集整理的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或剽窃，仅供参考学习之用，不然后果自负，假如此文侵犯您的正当权益，烦请联络我们。在竞争日益剧烈的配电市场中的另一个获胜者是微型燃气轮机，关键是作为备用电源或辅助电源。因为SOFC和微型燃气轮机的特征适于不一样的应用场所，SOFC效率高但投资成本也高。而微型燃
11、气轮机成本低但效率也低，因此这2种技术不会产生市场上竞争。而往复式发动机会逐步失去其在市场中的份额。欧洲电要比北美洲电强大得多，欧洲电强化了集中的大型发电厂的作用。所以在北美洲常常出现的分散式电热设备和动力装置的供电质量和供电可靠性问题在欧洲是不突出的。但其次，在欧洲对能量储存更为敏感。另外，部分国家政府将颁布新的规程和法律及新的能源价格，估计欧洲各国之间市场份额会有重大差异。在有些情况下这个过程会给SOFC用于配电装置起到一定的促进作用。另外，欧洲的自由化近程落后于北美洲。所以，市场预计结果会有很大程度的不确定性。5 SOFC技术应用的扩展使用天然气作为燃料的SOFC是车载式装置，其扩展应用
12、可有以下几个形式：(1)家庭应用：新一代燃料电池将是扁平管型的，其功率密度是现在所用圆柱型燃料电池技术的2倍，因此将制造出5kW的燃料电池装置。这种设计方案是可行的，在配电市场中能够替换圆柱型燃料电池。(2)l0MW以上的系统装置：很显然，只要SOFC技术占有了功率范围在25010MW的市场，那么下一步最必定的是要争取占有l0MW以上更大规模发电设备的市场。经过把更多SOFC链接起来便能实现这个目标，也满足了高效率低成本的要求。20MW级规模燃料电池的电效率已经靠近甚至超出70。(3)用液态燃料运行：使用天然气作为燃料将SOFC的应用局限在靠近天然气供气的区域内，从而使这项新技术的应用受到限制
13、。所以存在着让SOFC使用液态燃料的迫切要求。所以，应和大型石油企业合作进行该课题的研究开发，选择一个适宜的液体燃料并设计出最适于使用这种新燃料的SOFC发电装置，方便为边远的用户服务。(4)C02的分离：Shell企业和 Siemens Westinghouse企业正在共同研制一个能将CO2从完全反应后的燃料中分离的SOFC设飞方案。比如，当把其装在用于回收油的平台上时，能够把CO2用泵压到地下储层中，这不仅可省去CO2的排放税，还可提升原油的产出量。(5)综合性应用：CO2分离装置可能是点火的火花装置，它使得SOFC在一个封闭且可再生的能量循环中成为关键性部件。经过段时间，SOFC能产生出热量和电力，比如用于大型暖房的设施中，SOFC装置产生的C02可用来加紧植物的生长。而任何一个农作物收获后的剩下有机物全部能够转化为气体供给SOFC作燃料。
