燃料電池及其發展前景

">【摘要】燃料電池具有非同尋常之性能： 電效率可達60％以上，而且可以在帶著部分負荷運行之情況下進行維修，除了有低比率碳氧化物排放外幾乎沒有任何有害之排放物。陽光電子學校維修專家分析認為：文章介紹按溫度劃分之4種主要燃料電池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)之性能，重點介紹高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)之應用及其發展前景。陽光電子學校維修專家分析認為： With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market．
燃料電池是通過由電解液分隔開之2個電極中間之燃料(如天然氣、甲醇或純凈氫氣)之化學反應直接產生出電能。陽光電子學校維修專家分析認為：與汽輪發電機生產之電能相比，燃料電池具有非同尋常之特性：它之電效率可達60％以上，可以在帶部分負荷運行之情況下進行維修，而且除了排放低比率碳氧化物外，幾乎沒有任何其他之有害排放物。陽光電子學校維修專家分析認為：
1 燃料電池之分類
目前研制之燃料電池技術在運行溫度上有不同之類型，從比室溫略高直到高達1000℃之范
圍。陽光電子學校維修專家分析認為：大多數工業集團公司之注意力集中在以下4種主要類型上：
(1)運行溫度在60-80℃之間之聚合物電解液隔膜型燃料電池(PEMFC)；
(2)運行溫度在160-220℃之間之磷酸類燃料電池(PAFC)；
(3)運行溫度在620-660℃之間之熔融碳酸鹽類燃料電池(MCFC)；
(4)運行溫度在880-1000℃之間之固體氧化物燃料電池(SOFC)。陽光電子學校維修專家分析認為：
可以將這些類型之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。陽光電子學校維修專家分析認為：
表1簡要地列出了各種類型燃料電池之性能。陽光電子學校維修專家分析認為：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。陽光電子學校維修專家分析認為：
實用裝置之功率容量差別也很大，可以給筆記本電腦及移動電話供電(數以W計)，也可以給居民住宅(數kW)或是分散之電熱設備和動力設備(數百KW到數MW)供電。陽光電子學校維修專家分析認為：
適于用來驅動汽車之是低溫型燃料電池。陽光電子學校維修專家分析認為：
根據使用期限成本進行之經濟性比較結果表明，就發電成本而言，SOFC型燃料電池要PEM型低30％。陽光電子學校維修專家分析認為：這個結果是根據SOFC型燃料電池之電效率比PEM型之高，這2種燃料電池 終都可以達到l000美元／KW之投資成本這一假設條件而推導出來之。陽光電子學校維修專家分析認為：
2 高溫燃科電池
高溫型燃料電池具有許多適于在靜止式裝置上使用之特性。陽光電子學校維修專家分析認為：但是在高溫型燃料電池產生出電能之前需要較長之加熱過程，因而這種技術不能應用于要求在短時間內頻繁起動之各種實用裝置。陽光電子學校維修專家分析認為：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反應。陽光電子學校維修專家分析認為：一般情況下使用陶瓷材料。陽光電子學校維修專家分析認為：
(2)對CO完全沒有限制。陽光電子學校維修專家分析認為：CO參加到電化學反應過程并像H2一樣被氧化。陽光電子學校維修專家分析認為：
(3)對燃料表現出高度靈活性。陽光電子學校維修專家分析認為：可以給這類燃料電池發電設備供應天然氣，天然氣在設備內部被轉換成H2和CO。陽光電子學校維修專家分析認為：這意味著無需任何外部燃料，從而大大簡化了發電設備之平衡問題。陽光電子學校維修專家分析認為：
(4)高溫可以將燃氣輪機連接到該系統上，在這種情況下，燃料電池發電設備是在300kPa壓力下運行，并在不考慮燃氣輪機輸出之情況下將燃料電池之功率密度提高約20％，因此使總之電效率提高10％，可成倍地降低使用期限成本。陽光電子學校維修專家分析認為：
(5)較高之運行溫度也為排熱提供了更多之靈活性。陽光電子學校維修專家分析認為：在電效率達60％或更高水平之聯合循環系統中可限制廢熱排放，而在單循環下則會排放出更多之熱量。陽光電子學校維修專家分析認為：
MCFC和SOFC是這類高溫型燃料電池之2種技術。陽光電子學校維修專家分析認為：它們使用之材料不同。陽光電子學校維修專家分析認為：MCFC是在一只陶瓷容器中放入液態之金屬碳酸鹽作為電解液，如果沒有采取防止電極老化之措施，燃料電他之使用壽命會受到影響。陽光電子學校維修專家分析認為：
在MCFC中電化學反應是由CO3離子引發之。陽光電子學校維修專家分析認為：MCFC采用之是頰型電池，和SOFC型之管形設計方案相比，這種頰型電他之功率密度要稍微高一些。陽光電子學校維修專家分析認為：這在成本上要比SOFC型裝置優越。陽光電子學校維修專家分析認為：但在另一方面，由于SOFC所用之陶瓷材料非常穩定，可以用在950-1000℃范圍內，所以SOFC裝置在抗老化性能上更具優越性。陽光電子學校維修專家分析認為：到目前為止，所有之長期電池試驗和正在運行之試驗性機組都表明
SOFC型裝置之使用壽命可以達到70 000-80 000h，是MCFC型之2倍。陽光電子學校維修專家分析認為：
MCFC和SOFC 2種技術在進行100-250kW功率范圍之單循環現場試驗中，成本都有大幅度之下降。陽光電子學校維修專家分析認為：目前在MCFC開發上占有主導地位之是美國之Fuel Cell Energy公司及其在德國之授權單23
位MTU，日本之Ishikawajima-Harima重工(IHI)和三菱公司等。陽光電子學校維修專家分析認為：而Siemens Westinghouse在SOFC開發上處于領先水平。陽光電子學校維修專家分析認為：

3 中溫型燃料電池
目前磷酸類燃料電池(PAFC)是具有 先進技術之燃料電池。陽光電子學校維修專家分析認為：80年代，IFC(國際燃料電池公司)決定對其前期商業化生產線進行投資，制造和銷售200kW之PAFC裝置，并將其投入市場。陽光電子學校維修專家分析認為：東芝公司在80年代末就已經努力使PAFC技術進入商用市場。陽光電子學校維修專家分析認為：從此，PAFC技術就一直在靜止燃料電池之市場中占據著顯赫之位置。陽光電子學校維修專家分析認為：迄今為止，全球已經安裝了150多套PAFC燃料電池裝置。陽光電子學校維修專家分析認為：
研究表明，這種燃料電池未能實現市場商業化之原因大致有以下幾方面：
(1)電效率 高為40％，超過維修期限后會降到35％甚至更低水平。陽光電子學校維修專家分析認為：通常情況下設備之使用期限不超過20 000運行h。陽光電子學校維修專家分析認為：
(2)有些試驗性之設備(如東芝公司管理之1套11MW設備未能達到頂期之性能水平。陽光電子學校維修專家分析認為：
(3)美國和日本政府大幅度削縮用于PAFC技術研究和開發之投資。陽光電子學校維修專家分析認為：
(4)從迄今積累之經驗及在改善設計參數和降低產品成本方面之潛力來看，讓PAFC技術成功
地躋身于當今之市場中之湖南陽光電子學校維修專家認為：也許性是極低之。陽光電子學校維修專家分析認為：
4 SOFC在配電市場方面之潛力
Siemens Westinghouse公司根據對市場之分析，決定采取必要之措施加快SOFC技術進入市場之步伐。陽光電子學校維修專家分析認為：預計在2003-2004年提供第l批產品，進入商業性生產前之試驗階段，裝置容量從目前之2MW擴大到15MW。陽光電子學校維修專家分析認為：
北美和歐洲被認為是SOFC燃料電池技術 有希望之市場。陽光電子學校維修專家分析認為：Hagler Bailly公司和西門子公司對功率范圍為250 kW-l MW之市場進行了調查，結果表明到2005年SOFC燃料電池之市場容量
為每年10000MW。陽光電子學校維修專家分析認為：北美和歐洲幾乎各占50％。陽光電子學校維修專家分析認為：考慮到北美洲用戶之結構和他們之需求，在北美洲各類小型發電機組之總容量在2010年湖南陽光電子學校維修專家認為：也許達到每年約1000MW，其中600MW湖南陽光電子學校維修專家認為：也許是燃料電池發電裝置。陽光電子學校維修專家分析認為：在各種類型之燃料電池中，SOFC之市場份額約占40％，到2010年在北美洲SOFC之全年銷售額將達到2.4億美元。陽光電子學校維修專家分析認為：
在競爭日益激烈之配電市場中之另一個獲勝者是微型燃氣輪機，主要是作為備用電源或輔助電源。陽光電子學校維修專家分析認為：由于SOFC和微型燃氣輪機之特性適于不同之應用場所，SOFC效率高但投資成本也高，
而微型燃氣輪機成本低但效率也低，因而這2種技術不會產生市場上競爭。陽光電子學校維修專家分析認為：而往復式發動機會逐漸失去其在市場中之份額。陽光電子學校維修專家分析認為：
歐洲電網要比北美洲電網強大得多，歐洲電網強化了集中之大型發電廠之作用。陽光電子學校維修專家分析認為：因此在北美洲經常出現之分散式電熱設備和動力裝置之供電質量和供電可靠性問題在歐洲是不突出之。陽光電子學校維修專家分析認為：但另一方面，在歐洲對能量儲存更為敏感。陽光電子學校維修專家分析認為：
此外，一些國家政府將頒布新之規程和法律及新之能源價格，預計歐洲各國之間市場份額會有重大差異。陽光電子學校維修專家分析認為：在有些情況下這個過程會給SOFC用于配電裝置起到一定之促進作用。陽光電子學校維修專家分析認為：此外，歐洲之自由化近程落后于北美洲。陽光電子學校維修專家分析認為：因此，市場預測結果會有很大程度之不確定性。陽光電子學校維修專家分析認為：
5 SOFC技術應用之擴展
使用天然氣作為燃料之SOFC是車載式裝置，其擴展應用可有以下幾種形式：
(1)家庭應用：新一代燃料電池將是扁平管型之，其功率密度是目前所用圓柱型燃料電池技術
之2倍，因而將制造出5kW之燃料電池裝置。陽光電子學校維修專家分析認為：這種設計方案是可行之，在配電市場中可以替代
圓柱型燃料電池。陽光電子學校維修專家分析認為：
(2)l0MW以上之系統裝置：很顯然，只要SOFC技術占有了功率范圍在250-10MW之市場，那么下一步 必然之是要爭取占有l0MW以上更大規模發電設備之市場。陽光電子學校維修專家分析認為：通過把更多SOFC鏈接起來便能實現這個目標，也滿足了高效率低成本之要求。陽光電子學校維修專家分析認為：20MW級規模燃料電池之電效率已經接近甚至超過70％。陽光電子學校維修專家分析認為：
(3)用液態燃料運行：使用天然氣作為燃料將SOFC之應用局限在靠近天然氣供氣網之區域內，從而使這項新技術之應用受到限制。陽光電子學校維修專家分析認為：因此存在著讓SOFC使用液態燃料之迫切要求。陽光電子學校維修專家分析認為：因此，應與大型石油公司合作進行該課題之研究開發，選擇一種適宜之液體燃料并設計出 適于使用這種新燃料之SOFC發電裝置，以便為邊遠之用戶服務。陽光電子學校維修專家分析認為：13
(4)C02之分離：Shell公司和 Siemens Westinghouse公司正在共同研制一種能將CO2從完全反應后之燃料中分離之SOFC設飛方案。陽光電子學校維修專家分析認為：例如，當把其裝在用于回收油之平臺上時，可以把CO2用泵壓到地下儲層中，這不但可省去CO2之排放稅，還可提高原油之產出量。陽光電子學校維修專家分析認為：
(5)綜合性應用：CO2分離裝置湖南陽光電子學校維修專家認為：也許是點火之火花裝置，它使得SOFC在一種封閉且可再生之能量循環中成為關鍵性部件。陽光電子學校維修專家分析認為：經過-段時間，SOFC能產生出熱量和電力，例如用于大型暖房之設施中，SOFC裝置產生之C02可用來加快植物之生長。陽光電子學校維修專家分析認為：而任何一種農作物收獲后之剩余有機物都可以轉化為氣體供給SOFC作燃料

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