分布式能源用燃料電池的應(yīng)用及發(fā)展前景

□廖文俊 □倪蕾蕾 □季文姣 □胡 陽(yáng)

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

分布式能源用燃料電池的應(yīng)用及發(fā)展前景

□廖文俊 □倪蕾蕾 □季文姣 □胡 陽(yáng)

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

介紹了各類(lèi)燃料電池的基本原理，對(duì)燃料電池在分布式能源領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并展望了分布式能源用燃料電池的發(fā)展前景。

分布式能源；燃料電池；現(xiàn)狀；發(fā)展

傳統(tǒng)的火力發(fā)電站依賴(lài)于煤等化石能源，其燃燒能量有60%～70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)這些龐大的設(shè)備上，在電力運(yùn)輸過(guò)程中也存在5%左右的傳輸損耗，同時(shí)給環(huán)境帶來(lái)巨大的污染，發(fā)展越來(lái)越受到限制。燃料電池是一種高效清潔的發(fā)電裝置，綜合能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)70%～90%。由于燃料電池發(fā)電設(shè)備具有分散的特質(zhì)，它可讓用戶(hù)擺脫集中式發(fā)電的限制，減少電力在傳輸過(guò)程中的損耗，因此具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，世界多國(guó)都在努力推動(dòng)燃料電池在固定電源領(lǐng)域中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在美國(guó)，燃料電池在備用電源市場(chǎng)中的占有率正在逐步提高，被廣泛用作大型通信設(shè)備、數(shù)據(jù)中心和家庭的備用電源。日本正在積極推進(jìn)氫燃料電池發(fā)電的研究，日本綜合建設(shè)公司大林組與川崎重工將從2018年開(kāi)始向神戶(hù)市的一部分地區(qū)提供用氫燃料制造出的電力。我國(guó)也在積極推進(jìn)氫燃料電池在固定電源領(lǐng)域中的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程，目前已將氫燃料電池逐步投放到通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急電源領(lǐng)域中。我國(guó)還發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》和《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動(dòng)路線(xiàn)圖》，將氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新列為重點(diǎn)任務(wù)，進(jìn)一步發(fā)展氫氣制造、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)和燃料電池發(fā)電技術(shù)。此外，德國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)也在大力支持燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 燃料電池技術(shù)

燃料電池是一種不經(jīng)燃燒過(guò)程而直接將存儲(chǔ)在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其工作方式與常規(guī)化學(xué)電源不同，類(lèi)似于汽油機(jī)或柴油機(jī)，即燃料電池的燃料和氧化劑不存儲(chǔ)在電池內(nèi)部，電池發(fā)電時(shí)燃料和氧化劑由外部裝置連續(xù)不斷地送入電池內(nèi)部，電化學(xué)反應(yīng)后，有部分未反應(yīng)掉的氣體和反應(yīng)生成物（如水）排出電池，同時(shí)反應(yīng)生成一定的熱量。與常規(guī)火力發(fā)電不同的是，燃料電池不經(jīng)過(guò)熱機(jī)過(guò)程，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高。

1.1 燃料電池分類(lèi)

根據(jù)國(guó)際主流燃料電池分類(lèi)方法，依據(jù)使用的電解質(zhì)不同可分為5類(lèi)[1]：①質(zhì)子交換膜燃料電池；②固體氧化物燃料電池；③熔融碳酸鹽燃料電池；④磷酸燃料電池；⑤堿性燃料電池。

這5種燃料電池的特點(diǎn)總結(jié)如表1所示，圖1則匯總了燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)原理及物質(zhì)流向[2-3]。

表1 燃料電池特點(diǎn)

圖1 燃料電池電化學(xué)反應(yīng)原理圖

1.2 燃料電池優(yōu)點(diǎn)

相比于常規(guī)發(fā)電，燃料電池具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）能量轉(zhuǎn)化率高。燃料電池直接將燃料中化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，避免了化學(xué)能到熱能，再到機(jī)械能,本體的發(fā)電效率可達(dá)到50%～60%，組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在10 MW～50 MW規(guī)模即可達(dá)到70%以上的發(fā)電效率。如果通過(guò)熱電聯(lián)供同時(shí)利用高溫潔凈熱能，能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到80%。

（2）環(huán)境保護(hù)性。通過(guò)燃料電池釋放出的污染物比直接燃燒低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可有效地保護(hù)環(huán)境。與傳統(tǒng)火電機(jī)組相比，二氧化碳排出量可減少40%～60%，氮氧化物排放量低于0.002‰，硫氧化物排放量低于0.001‰。

（3）小型高效，供電可靠。燃料電池的發(fā)電效率受負(fù)荷和容量的影響較小，在低負(fù)荷時(shí)發(fā)電效率還會(huì)升高。

（4）低噪聲。在距發(fā)電設(shè)備1 m處噪聲小于60 dB（ A）。

（5）電力質(zhì)量高。電流諧波和電壓諧波均滿(mǎn)足IEEE519標(biāo)準(zhǔn)。

（6）變負(fù)荷率高。變負(fù)荷率可達(dá)到每分鐘8%～10%，負(fù)荷變化的范圍為20%～120%。

（7）允許采用多種燃料。高溫型燃料電池對(duì)于燃料處理器的設(shè)計(jì)要求低，燃料電池可使用的燃料有氫氣、甲醇、煤氣、沼氣和天然氣等。

（8）模塊化結(jié)構(gòu)。擴(kuò)容和增容方便，建廠(chǎng)時(shí)間短。模塊設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備尺寸調(diào)整的靈活性大，發(fā)電量易于調(diào)節(jié)。

（9）占地面積小。單位功率占地面積小于1 m2/kW。

（10）自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作。

（11）位置靈活。燃料電池是一種獨(dú)立的發(fā)電體系，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，不受周?chē)h(huán)境限制。

可見(jiàn)，燃料電池具有高效率、低污染、低噪聲、模塊化結(jié)構(gòu)、電力質(zhì)量好等突出特點(diǎn)，是理想的分布式電源。

2 燃料電池與其它發(fā)電方式對(duì)比

與可作為分布式電源的其它動(dòng)力與能源轉(zhuǎn)換設(shè)備相比，燃料電池效率高、噪聲低、體積小、可靠性高、電能質(zhì)量好，是理想的分布式電源。在250 kW～10 MW的功率范圍內(nèi)，具有與目前數(shù)百兆瓦級(jí)別的中心電站相當(dāng)，甚至更高的發(fā)電效率[4-5]。

圖2是燃料電池與不同發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率的比較，圖中IGCC為整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)。可見(jiàn)，燃料電池的發(fā)電效率通常在50%左右，較之其它能源發(fā)電方式的發(fā)電效率要高。燃料電池采用電化學(xué)的方法將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，這一過(guò)程不受卡諾循環(huán)的限制，因此盡管其單機(jī)容量較小，最大只有幾百千瓦，但是發(fā)電效率超過(guò)大型千兆瓦級(jí)的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)同規(guī)模的小型、微型燃?xì)廨啓C(jī)。

圖2 燃料電池與發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率比較

目前，燃料電池的單機(jī)最大輸出功率為300 kW，與傳統(tǒng)大型發(fā)電機(jī)組單機(jī)功率相差甚遠(yuǎn)，而與微型燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備的單機(jī)功率接近。因此，就單機(jī)發(fā)電功率和效率而言，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)非常適用于固定電站、微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)。

美國(guó)能源局將微型燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)功率確定在25kW～300 kW之間，發(fā)電效率可達(dá)30%。微型燃?xì)廨啓C(jī)是目前較成熟、具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的分布式能源持續(xù)性發(fā)電設(shè)備，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。以微型燃?xì)廨啓C(jī)為核心的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，理論上能源綜合利用率可達(dá)到80%以上，但是國(guó)外的工程應(yīng)用實(shí)踐證實(shí)，系統(tǒng)案例的實(shí)際能源綜合利用率在60%左右。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)分布式供能系統(tǒng)中采用的微型燃?xì)廨啓C(jī)均為價(jià)格昂貴的國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，系統(tǒng)投資回收期較長(zhǎng)。燃料電池及微型燃?xì)廨啓C(jī)的對(duì)比見(jiàn)表2。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的投資比較，不能單比較機(jī)組投資，還應(yīng)將長(zhǎng)距離輸電、配電投資與廠(chǎng)用電、輸電能耗和兩種能源轉(zhuǎn)換裝置的效率比較考慮在內(nèi)。在實(shí)際發(fā)電過(guò)程中，還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電占地面積大、環(huán)境污染重的問(wèn)題。隨著燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷完善，造價(jià)將會(huì)不斷的降低，特別是在規(guī)模化生產(chǎn)后，其造價(jià)將大幅度的下降。不久的將來(lái)這種發(fā)電方式會(huì)對(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)，即：將來(lái)的電網(wǎng)系統(tǒng)將可能是現(xiàn)有的大電廠(chǎng)和中小燃料電池共存的狀態(tài)，這是因?yàn)榇箅娋W(wǎng)有優(yōu)越性，同時(shí)也存在著缺點(diǎn)，如高電壓長(zhǎng)距離輸電將有6%～8%的損失，而分散的中小型燃料電池電站可以在用電現(xiàn)場(chǎng)建立，因此，可以減少送電損失（輸氣能量損失一般僅為3%），同時(shí)能為電網(wǎng)調(diào)峰做出貢獻(xiàn)，中小型分布式燃料電池系統(tǒng)也能靈活地適應(yīng)季節(jié)性和地域性的電力需求變化。

3 燃料電池的應(yīng)用

3.1 固定電站

加拿大在燃料電池的發(fā)展方面居世界領(lǐng)先地位，已建成250 kW燃料電池示范電站，其目標(biāo)是在近幾年內(nèi)使250 kW級(jí)燃料電池商業(yè)化。加拿大Ballard公司[5]推出的200 kW～250 kW質(zhì)子交換膜燃料電池組，徹底粉碎了質(zhì)子交換膜燃料電池不易發(fā)展成為大型電站的說(shuō)法。目前，全球范圍內(nèi)已有多個(gè)兆瓦級(jí)燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用于分布式發(fā)電中，表3給出了燃料電池在兆瓦級(jí)分布式發(fā)電中的部分應(yīng)用案例。

表2 燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)比

2010年2月，美國(guó)BloomEnergy公司推出以平板式電解質(zhì)支撐電堆為核心的200 kW固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)60%，可用作數(shù)據(jù)中心備用電源。

表3 燃料電池在兆瓦級(jí)分布式發(fā)電中的應(yīng)用案例

韓國(guó)浦項(xiàng)入股了美國(guó)Fuel Cell Energy公司，并在韓國(guó)安裝部署了以熔融碳酸鹽燃料電池為基礎(chǔ)的直接燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，F(xiàn)uel Cell Energy公司目前在全球已經(jīng)安裝部署了超過(guò)300 MW的發(fā)電設(shè)備。韓國(guó)斗山集團(tuán)2014年全資收購(gòu)了美國(guó)Clear Edge燃料電池企業(yè)，推出了以磷酸燃料電池為基礎(chǔ)的純電池發(fā)電系統(tǒng)。截止到2015年，斗山集團(tuán)在全球共計(jì)安裝了超過(guò)170 MW的磷酸燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

2016年10月，全球最大的2 MW質(zhì)子交換膜燃料電池示范電站落戶(hù)我國(guó)遼寧營(yíng)口。中國(guó)營(yíng)創(chuàng)三征為實(shí)現(xiàn)氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫的清潔利用，聯(lián)合荷蘭Nedstack[7]和MTSA等公司建設(shè)2 MW質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，清潔發(fā)電，實(shí)現(xiàn)20%的電力自供應(yīng)。該系統(tǒng)采用荷蘭Nedstack公司提供的質(zhì)子交換膜燃料電池，由MTSA公司負(fù)責(zé)系統(tǒng)工程建設(shè)。

3.2 微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)

表4為家庭用燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，運(yùn)行方式如圖3所示。2009年，家庭用燃料電池的上市開(kāi)創(chuàng)了全球先河。這種電池利用天然氣、液化石油氣或煤油提取氫氣，輸入燃料電池中發(fā)電。發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的廢熱用來(lái)燒水，供泡澡和地暖使用，總能量效率超過(guò)90%。家庭用燃料電池最初的總價(jià)格為330萬(wàn)日元，在上市的5年時(shí)間里，通過(guò)不斷改進(jìn)，其制造成本不斷降低，主機(jī)價(jià)格在2014年已經(jīng)低于200萬(wàn)日元，2015年年底進(jìn)一步降低到160萬(wàn)日元。

微型熱電聯(lián)供技術(shù)是未來(lái)一個(gè)重要的解決方案，被認(rèn)為是歐盟實(shí)現(xiàn)有關(guān)良好競(jìng)爭(zhēng)力、可持續(xù)發(fā)展和能源安全供應(yīng)等能源目標(biāo)的關(guān)鍵支撐。目前，在全球微型熱電聯(lián)供方面，日本和歐洲走在前列。

表4 日本家庭用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

圖3 日本家庭用燃料電池運(yùn)行示意圖

Ene-Field工程（圖4）在歐盟12個(gè)關(guān)鍵成員國(guó)的1 000戶(hù)居民中部署了燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)[8]，該項(xiàng)目聯(lián)合了歐洲9家技術(shù)成熟的微型熱電聯(lián)供設(shè)備制造企業(yè)，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)微型熱電聯(lián)供[9]設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)分析。該試驗(yàn)監(jiān)測(cè)民居使用狀況，并為歐洲各國(guó)的國(guó)內(nèi)能源消耗和微型熱電聯(lián)供適用性生成非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括最終的環(huán)境壽命周期評(píng)估和基于所有權(quán)的總成本評(píng)估。

Ene-Field工程也匯集了超過(guò)30個(gè)的公共事業(yè)單位和住房供應(yīng)商，以推廣產(chǎn)品到市場(chǎng)中，并為微型熱電聯(lián)供技術(shù)的部署探究不同的商業(yè)模式，評(píng)估廣泛推廣微型熱電聯(lián)供部署的社會(huì)經(jīng)濟(jì)障礙，對(duì)政策方針發(fā)布明確的文件和說(shuō)明，以支持進(jìn)一步的商業(yè)推廣。

圖4 歐洲Ene-Field發(fā)電系統(tǒng)示意圖及現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，微型熱電聯(lián)供市場(chǎng)在2015年前后主要以商用為主，而到2025年家用市場(chǎng)的規(guī)模將超過(guò)商用。目前，家用燃料電池系統(tǒng)的價(jià)格正在快速降低，如果保持現(xiàn)在的降價(jià)速度，在2025年，價(jià)格低于50萬(wàn)日元/kW的產(chǎn)品有望上市，屆時(shí)將實(shí)現(xiàn)廣泛普及。如圖5所示，美國(guó)能源部預(yù)測(cè)2018年微型熱電聯(lián)供市場(chǎng)將以27.2%的復(fù)合年增長(zhǎng)率發(fā)展，并將達(dá)到153 MW。

圖5 微型熱電聯(lián)供市場(chǎng)預(yù)測(cè)

3.3可再生能源蓄能系統(tǒng)

可再生燃料電池將電解池和燃料電池相結(jié)合，與風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源聯(lián)用，使碳?xì)淙剂贤ㄟ^(guò)系統(tǒng)循環(huán)實(shí)現(xiàn)再生，從而起到蓄能供電雙重作用。

目前，可再生燃料電池主要被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用于高空長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能飛行器、太空船的混合能量存儲(chǔ)推進(jìn)系統(tǒng)，也可適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)不依賴(lài)電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰的電源系統(tǒng)及便攜式能量系統(tǒng)等[10-11]。東芝公司于2015年3月宣布啟動(dòng)獨(dú)立型氫能源供給系統(tǒng)示范運(yùn)營(yíng)。獨(dú)立型氫能源供給系統(tǒng)是一個(gè)基于可再生能源的獨(dú)立能源供應(yīng)系統(tǒng)，融合了光伏發(fā)電裝置、蓄電池、電解水制氫裝置、儲(chǔ)氫罐、水箱及燃料電池。利用光伏發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能來(lái)電解水并制成氫氣，每小時(shí)最高氫產(chǎn)量1 m3，氫氣消耗速率2.5 m3/h，氫氣罐最大存儲(chǔ)容量33 m3，40℃熱水最高供應(yīng)能力75 L/h，光伏設(shè)備功率30 kW，燃料電池最大輸出功率3.5 kW，蓄電池容量350 kWh。

4 行業(yè)現(xiàn)狀及前景預(yù)測(cè)

美國(guó)能源局在最新的預(yù)測(cè)中表明[12]，燃料電池市場(chǎng)規(guī)模將在現(xiàn)有規(guī)模的基礎(chǔ)上以每年10%的增長(zhǎng)率發(fā)展，到2017年將達(dá)到110億美元的水平，而到2022年將是2017年規(guī)模的兩倍。與此同時(shí)，到2017年，市場(chǎng)對(duì)燃料電池產(chǎn)品和服務(wù)的商業(yè)需求將達(dá)到40億美元，到2022年，則可能達(dá)到60億美元。

美國(guó)能源部預(yù)測(cè)，日本的氫能源市場(chǎng)規(guī)模在2030年達(dá)約1萬(wàn)億日元，在2050年達(dá)約8萬(wàn)億日元。日經(jīng)BP雜志社清潔技術(shù)研究所預(yù)測(cè)，世界氫能市場(chǎng)規(guī)模在2020年將超過(guò)10萬(wàn)億日元，在2050年將達(dá)160萬(wàn)億日元，如圖6所示。

圖6 世界氫能市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

在分布式發(fā)電領(lǐng)域，日本政府目標(biāo)是使家用燃料電池系統(tǒng)在2020年達(dá)到140萬(wàn)臺(tái)，在2030年達(dá)到530萬(wàn)臺(tái)，約占10%的家庭。日經(jīng)BP雜志社預(yù)測(cè)到2020年時(shí)系統(tǒng)投資可在七八年內(nèi)回收，到2030年時(shí)投資可在5年內(nèi)回收。對(duì)于家用燃料電池系統(tǒng)，目前日本市場(chǎng)的發(fā)展領(lǐng)先于全球，但歐洲也有望建立家用燃料電池市場(chǎng)。預(yù)測(cè)到2025年，家用燃料電池市場(chǎng)約為11 000億日元。

圖7 世界家用燃料電池系統(tǒng)市場(chǎng)預(yù)測(cè)

對(duì)于商業(yè)和工業(yè)用燃料電池的市場(chǎng)開(kāi)拓，北美地區(qū)最為發(fā)達(dá)，其次是韓國(guó)，他們將燃料電池發(fā)電作為國(guó)家政策。2025年，日本商業(yè)和工業(yè)用燃料電池的市場(chǎng)規(guī)模估算值為226億日元，其它國(guó)家市場(chǎng)估算值為7 000億日元，如圖8所示。

圖8 商業(yè)和工業(yè)用燃料電池市場(chǎng)預(yù)測(cè)

可以看到，對(duì)于燃料電池而言，分布式電站是目前為止應(yīng)用最廣泛的商業(yè)領(lǐng)域。2007年到現(xiàn)在，燃料電池在兆瓦級(jí)應(yīng)用和小型住宅微型熱電聯(lián)供方面表現(xiàn)強(qiáng)勁。由于燃料電池在克服成本競(jìng)爭(zhēng)和提高發(fā)電效率等方面與傳統(tǒng)發(fā)電方法相比門(mén)檻更低，可以預(yù)計(jì)發(fā)電用燃料電池的銷(xiāo)量將在2022年前持續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

從燃料電池分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)到燃料電池汽車(chē)動(dòng)力源，再到微型電源，燃料電池的應(yīng)用幾乎涉及電力需求的每一個(gè)方面。目前，燃料電池的技術(shù)瓶頸已經(jīng)基本解決，與此同時(shí)，由于世界各國(guó)對(duì)于節(jié)能減排和電力安全的要求日益提高，以及燃料電池成本的降低，市場(chǎng)對(duì)于燃料電池分布式電站、車(chē)用燃料電池系統(tǒng)和便攜式電源方面的需求不斷增長(zhǎng)。燃料電池在分布式能源應(yīng)用領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展前景。

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[12]2014 Fuel Cell Technologies Market Report[EB/OL].https://energy.gov/eere/fuelcells/downloads/2014-fuel-cell-technologies-market-report.

Introduced thebasicprincipleof all kindsof fuel cells,analyzed theapplication of fuel cell in distributed energy field,and looked forward tothelongtermpotential of fuel cell in distributed energy.

Distributed Energy；Fuel Cell；Present Status；Development

TH122；TQ152

A

1672-0555（2017）03-058-07

2017年3月

廖文俊（1980—），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事新能源新材料應(yīng)用研究工作

（編輯：?jiǎn)?德）