|
燃料电池的开发和应用 日本燃料电池的开发和应用 人们预期燃料电池发电系统是未来最有吸引力的发电方法之一，它的能量转换效率高、燃料使用和场址选择灵活、污染物排放量很少。日本已开发了好几种燃料电池 供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（ＰＡＦＣ）已达到“电站”阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，就其效率、可运行性和寿命进行评估，期望 应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造了为数不少的小型燃料电池发电装置，应用于医院、饭店、宾馆等。 日本认为，对于熔融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ）发电系统，要达到商业化，其要求是：容量足够地大，应能取代传统的热电站和新建的燃煤电站；效率应超过 ５０％；发电成本低，电流密度应超过1.8KW/M2;可靠性高,寿命超过4000H,对环境无污染。图１示出了这种燃料电池发电系统的发展方向。工作电 压近似与发电效率成正比；而电流密度对应于单位电极面积的输出，增大电流密度，可以降低单位面位容量的造价。从效率讲，系统应工作在上半部；而从造价讲， 系统应工作在右半部。所以，未来的系统应定位在右上四分之一部分，这样效率和造价两个要求均可以满足。为此，工作点应按电流密度增大的方向移动，性能线应 按效率提高的方向移动，且应长时间维（从寿命讲）。 １日本燃料电池发展方向 日本发展燃料电池，基本上由政府的计划导向，纳入“月光计划”于１９８１年启运，开始时是对ＰＡＦＣ进行基础研究，目前已涵盖四种燃料电池，即ＰＡＦＣ、ＭＣＦＣ、固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）和聚合物电解质燃料电池（ＰＥＦＣ）。 在日本，ＰＡＦＣ在燃料电池领域内始终处于领先地位，先发展成大型电池堆，继而发展成电站，并实现商业化。先开发了两个加压系统，供公用电力部门使 用；１９９０年开发了两个非加压系统，用于产业界和孤立岛屿；１９９１年建了一座５ＭＷ加压电站和一座１ＭＷ非加压电站，做验证试验。同时，ＮＥＤＯ（新 能源开发组织）开展了“分散型发电计划”，对小于５００ＫＷ的多个小型ＰＡＦＣ装置进行了试验，同时从１９９５年起开展了以ＰＡＦＣ的寿命为重 点的基础研究。非国有部门也在多方面实施了几项计划，不少用户试验了小型（５０ＫＷ）ＰＡＦＣ装置和大型（１１ＭＷ）ＰＡＦＣ电站，系统检验了它们的性 能、可运行性、可靠性和耐久性。小型ＰＡＦＣ装置的试验主要由天然气公司进行，原地应用于热电联产。可以说，ＰＡＦＣ现在已进入电站阶段。 预期ＭＣＦＣ不仅适用于中等规模的分散型电站，也适用于大容量的集中电站。日本政府对ＭＣＦＣ的开发始于１９８３年的基础研究。１９８７年成立了ＭＣＦＣ 发电系统技术研究会（ＭＣＦＣ－ＴＲＡ），隶属ＮＥＤＯ，它负责大部分开发工作。１９９３年，开发出１００ＫＷ级电池堆，并以其试验结果为基础，开始兴建 １０００ＫＷ电站，以验证效率和作为电站的基本可运行性。并着手发展２００ＫＷ装置。ＭＣＦＣ目前是日本“新阳光计划”的主要开发项目之一。同时，在用户 和生产厂家之间实施了许多私人研究计划，其中包括电力产业中央研究所（ＣＲＩＥＰＩ）开发的、容量从１ＫＷ到几十千瓦的几种ＭＣＦＣ堆。ＭＣＦＣ的开发正 处于“堆® 电站”阶段。 ＳＯＦＣ应当可以用于大电站和小型热电联产装置，其基础研究始于１９８９年，大日本政府计划下进行，目前已处于数千瓦级堆的发展阶段，正在开发两种平面型 ＳＯＦＣ堆。私人公司的计划中，已对容量为千瓦级的几个堆和容量超１０ＫＷ的几个装置进行了试验。不少实验室和大学已就材料和零部件生产开展了基础研究。 ＰＥＦＣ是日本政府计划中最新的一种燃料电池，其开发始于１９９２年，用于运输业、移动式发电机或固定式发电机。进行了基础研究，１９９５年开发出千瓦级 堆，初期性能的目标是0.3Ｗ／ＣＭ２，下一步是开发１０千瓦级堆。已开发出三种堆，研究了与离子交换膜有关的几种工艺。已有几个私营生产厂开发了千瓦堆 级，用于电力部门和天然气部门，并且有几家汽车公司开始对装有这种燃料电池堆的汽车进行评估试验。 日本的ＳＯＦＣ和ＰＥＦＣ均处于“部件® 堆”的阶段。 ２ ＰＡＦＣ在电力部门的应用 与另外几种燃料电池相比，ＰＡＦＣ在日本已处于半应用、半开发的阶段，政府已有两个大容量ＰＡＦＣ电站做了试验，其中一个在加压条件下容量为５ＭＷ，另一 个在环境压力下运行，容量为１ＭＷ，它们都用废热，按电和热产物计效率都在７０％以上。表１给出了它们的目标值。５ＭＷ电站设计用于城市的能源中 心，１９９３年由富士电气公司安装在兵库县东南部的尼崎市。１ＭＷ电站设计用于就地热电联产系统，１９９４年由东芝公司按装在东京。两座电站都由 ＰＡＦＣ－ＴＲＡ管理，都达到了额定功率，还在就可运行性进行长期试验。１９９０年，国际燃料电池公司（ＩＦＣ）制成１１ＭＷ示范电站，并引荐给东京电力 公司的五井热电站，进行长期性能试验。 天然气公司累计有７０个以上小型ＰＡＦＣ装置检验了性能、可运行性和可靠性。城市煤气公司有一项２００ＫＷ装置的商业化计划，自１９９２年以来已有２１个 这种装置在做野外试验。东京煤气公司、大阪煤气公司和东邦煤气公司同富士电气公司合作，试制了２７个原地ＰＡＦＣ装置，以期实现商业化。大阪煤气公司还独 自管理四个２００ＫＷ和三个５００ＫＷ装置。电力公司累计安装了３０个以上容量为５０～２００ＫＷ的ＰＡＦＣ装置，除一个由东京电力公司制造外，其余均由 富士电气公司、东芝公司和三菱公司制造。电力部门把小型ＰＡＦＣ装置作为采用大容量发电机的第一步。石油公司自１９８９年以来也安装了几个ＰＡＦＣ装置， 以拓展轻油、煤油等石油轻馏分的应用范围。其中两个装置是石油能源中心（ＰＥＣ）研究工作的一部分。用液化石油气（ＬＰＧ）做燃料的一种５０ＫＷ ＰＡＦＣ装置是电力部门和煤气部门的合作项目。目前，日本的小型ＰＡＦＣ装置用的燃料有：城市煤气、丙烷气、甲醇、轻油和化工厂的副产物氢气，它们应用于 研究中心、医院、宾馆、饭店、办公大楼、居民楼、游水池、水处理设施等。 对于大型ＰＡＦＣ电站，实际应用时结构紧凑性是很重要的，１ＭＷ电站可以做到0.12M2/KW,但5MW电站还只能做到0.27M2/KW,至少还要减小1/3.有些小型装置的运行时间已超过20000H,但对于寿命评估,应达到40000H.还要降低成本. (责任编辑：laiquliu) |
