燃料電池發電在電力系統發展的技術路線探討

摘 要：本文總結了國外發展燃料電池的經驗。通過技術比較，提出了在我國電力系統發展燃料電池發電的技術路線。

關鍵詞： 燃料電池發電 技術特點 應用形式

l 燃料電池發電的技術特點和應用形式

1.1 技術特點

燃料電池發電是在一定條件下使燃料(主要是H2)和氧化劑(空氣中的02)發電化學反應，將化學能直接轉換為電能和熱能的過程。與常規電池的不同：只要有燃料和氧化劑供給，就會有持續不斷的電力輸出。與常規的火力發電不同，它不受卡諾循環的限制，能量轉換效率高。

總之，燃料電池是一種高效、潔凈的發電方式，既適合于作分布式電源，又可在將來組成大容量中心發電站，是2l世紀重要的發電方式。制約燃料電池走向大規模商業化的主要因素是：高價格和壽命問題。

1.2燃料電池的應用形式

(1)現場熱電聯供，常用的容量為200KW一1MW。

(2)分布式電源，容量比現場用燃料電池大，約(2-20)MW。

(3)基本負荷的發電站(中心發電站)，容量為(100-300MW)。

(4)燃料電池還可用于100W-100KW多種可移動電源、便攜式電源、航空電源、應急電源和計算機電源等。

2 為什么要在我國電力系統發展燃料電池發電技術?

2.1 燃料電池發電可有效地降低火力發電的污染物和溫室氣體排放量

燃料電池發電中幾乎沒有燃燒過程，NOx排放量很小，一般可達到(O.139-0.236)kg／MW·h以下，遠低于天然氣聯合循環的NOx排放量(1kg／MW·h-3kg/MW．h)。由于燃料進入燃料電池之前必須經過嚴格的凈化處理，碳氫化合物也必須重整成氫氣和CO，因此，尾氣中S02、碳氫化合物和固態粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。與常規燃煤發電機組相比，C02的排放量可減少40％一60%．在目前CO2分離和隔絕技術尚不成熟的狀況下，通過提高能源轉換效率減少CO2排放是必然的選擇。

2.2采用燃料電池發電是提高化石燃料發電效率的重要途徑之一

以高溫燃料電池組成的聯合循環發電系統，可使發電效率達到60%-75%(LHV)，這一目標將在2005年左右實現。預計到2010年，發電效率可超過72％。煤氣化燃料電池聯合循環(IGFC)的發電效率可達到62％以上。以燃料電池組成的熱電聯產機組的總熱效率可達到85％以上。燃料電池本體的發電效率基本不隨容量的變化而變化，這使得燃料電池既可用作小容量分散電源，又可用于集中發電應用范圍廣泛。

2.3 采用燃料電池發電可提高供電的靈活性和可靠性

燃料電池具有高效率、低污染、低噪聲、模塊化結構、體積小、可靠性高等突出特點，是理想的分布式電源。與目前一些可做為分布式電源的內燃機相比，燃料電池的發電效率更高、污染更低。在250KW-lOMW的功率范圍內，具有與目前數百兆瓦中心電站相當甚至更高的發電效率。作為備用電源的柴油發電機由于污染和噪聲大不宜在未來的城市中應用。低溫燃料電池不僅發電效率高，而且啟動快、變負荷能力強，是很好的備用電源。現代社會對供電的可靠性和環境的兼容性要求越來越高，高效、低污染的分布式電源系統日益受到重視。近年來美國、加拿大、臺灣相繼發生因自然災害或人為因素造成的大面積停電，許多重要用戶長期不能恢復供電，給社會和經濟造成了巨大的損失。北約轟炸南聯盟，使電力系統嚴重受損。這些由不可抗力引起的電網破壞無不使人引發出一個重要的思考：提高我國電力系統供電的可靠性和供電質量，雖然主要依靠電網的改造和技術革新，但如果在電網中有許多分布式電源在運轉，供電的可靠性將會大大提高。

2.4發展燃料電池發電技術是國電公司“加強技術創新，發展高科技，形成高新技術產業”的需要

燃料電池發電技術是電力工業中的高新技術，己受到普遍重視。美國燃料電池發電技術的研究開發主要由美國能源部組織實施，其中一個重要的目的就是形成新的高技術產業，為美國的經濟注入新的活力。日本的東京電力公司、關西電力公司及其它公用事業單位是日本燃料電池開發及商業化的主要承擔者和推動者，其目的也是為電力公司注入新的經濟增長點以獲得巨大的經濟效益和社會效益。

2.5 發展燃料電池發電技術是提高國家能源和電力安全的戰略需要

美國已將燃料電池發電列為國家安全關鍵技術之一。美、日之所以能在燃料電池技術方面處于世界領先地位，與國家從戰略高度予以組織、資助和推動密不可分。在目前復雜的國際環境下，高技術的壟斷日趨嚴重，掌握清潔高效發電的高新技術對未來國家的能源和電力安全具有重要的戰略意義，而燃料電池發電技術，正是這種高效清潔的高新發電技術之一。燃料電池突出的優點，以及發達國家竟相投入巨資研究

2.6 燃料電池發電技術在我國有廣闊的發展前景

未來二十年，隨著我國“西氣東送”，全國天然氣管網的不斷完善及液化天然氣(LNG)的廣泛應用，燃用天然氣的燃料電池發電將會有很大市場。煤層氣也是燃料電池的理想燃料。我國豐富的煤層氣資源也將是燃料電池發電的巨大潛在能源之一。燃料電池可與常規 燃氣一蒸汽聯合循環結合，形成更高效率的發電方式。與煤氣化聯合循環(IGCC)結合，形成數百兆瓦級的大型、高效、低污染的中心發電站，比IGCC效率更高，污染更小。