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３ 高温燃料电池的发展 诸如ＭＣＦＶ或ＳＯＦＣ高温燃料电池还没有应用到兆瓦级电站，可以说还处于发展阶段，但它们很有潜力达到高效生产电力，已经证明几十千瓦堆和装置可以达到好性能。 3.1大型ＭＣＦＣ堆技术 ＭＣＦＣ很有潜力做成大容量电站，可以应用于煤气化混合循环之类的集中式电站。作为日本政府的项目，在中部电力公司的川越热电站兴建了１０００ＫＷ级外部 重整型ＭＣＦＣ电站，表２给出了它的目标技术参数。由于使用了一些小型辅助设备（如鼓风机和扩展器小容量电站用的涡轮机），该电站的效率低于一般期望值。 电站内要安装四个２５０ＫＷ级ＭＣＦＣ堆，１９９８年要进行５０００Ｈ的运行试验。 １９９３年开始兴建这座ＭＣＦＣ电站，之前已进行过两种百千瓦级堆的性能评估。这两种堆发的电均超过目标容量（１００ＫＷ），达到了每个电池平均0,8V 电压的初期性能目标,但衰减率稍高于1%/1000H的目标值.其中一个堆是日立公司研制的,电池分为四个电级,电解质板的面积达1.2M2,用交叉流内 部歧管法做气体流系统。另一个１００千瓦级堆是石川岛播磨重工业公司研制的，电级面积１Ｍ２，铝制电解质板，采用平行流内部歧管气体分配系统。２０ＫＷ容 量的小型堆达到了目标衰减率。 １９９３年，三菱电气公司根据日本政府计划还研制了一种３０ＫＷ直接内部重整（ＤＩＲ）型ＭＣＦＣ，并达到了目标值。堆采用交叉流外部气体分配系统，电极 面积0.5Ｍ２。研制１０００ＫＷ电站的同时，还着手研制了一个２００ＫＷ内部重整ＭＣＦＣ装置。正在研制电极面积达１Ｍ２、有反向流内部歧管气体分配系 统的电池，供上述２００ＫＷ装置使用。另一方面，１９９２年，关西电力公司和三菱电气公司作为私人项目研制了一个１００ＫＷ间接内部重整（ＩＩＲ）堆。三 洋电气公司、东洋工程公司等合作，对另一个ＤＩＲ热电联产系统进行了研究，以ＬＰＧ做燃料的３０ＫＷ ＤＩＲ系统做了试验。 大面积电池生产技术已几近确立，还需要用新式分离器结构来延长寿命和降低成本。大型堆的制堆技术现在已证明１０００ＫＷ电站或２００ＫＷ装置是可能的。 3.2长寿命和低成本ＭＣＦＣ技术 由于预期大型堆技术将会确立，所以近年十分重视长寿命和低成本技术，尤其是长寿命技术被认为对发展ＭＣＦＣ头等重要。 虽然大阪国立研究所的小型单一ＭＣＦＣ电池的运行时间已达到４００００Ｈ，但１００ＫＷ级堆的运行时间只有几千小时。而电池和堆都没有达到运行时间 ４００００Ｈ、衰减率低于１０％的所谓最终目标。小型单一电池和几千瓦容量的短堆在几千小时运行时间内平均衰减率只有0.25%/1000H,相当于 10%/40000H。 图３示出了限制ＭＣＦＣ寿命的一些因素。在开发的初期，限制寿命的因素来自电池的结构，如电解质基体的裂缝和由此产生的气体交叉。电极蠕变主要出现在阳 极、导致内阻增大。改变部件材质和生产工艺，可以解决这些问题，堆的寿命可以延长到５０００Ｈ水平。现在的主要限制因素是镍的缩减和电解质损耗。镍的缩减 同氧系镍阴级融化成电解质和融化后的镍离子还原成金属镍有关。还原的镍粒子在电解质基体内形成的内部短路桥。根据实验，短路时间由于与阴极侧二氧化碳分压 有关，只要设定直接影响电池电压的工作压力，就可以折衷选择之。电解质损耗主要是腐蚀所致，蠕变和蒸发也是原因，它导致内阻增大。另外，在“新阳光计划” 下，中央研究所、北海道电力公司和四国电力公司合作，１９９４年开始研究杂质对电池性能的影响。研究的是煤气化后气体中含的低浓度Ｈ２Ｓ和ＨＣＩ杂质。 为了降低堆的成本，一种办法是堆在高电流密度下运行，获得较高的功率密度。堆的材料用量可以减少。用这种办法，要求电流密度较高时使电压维持在中接受的水 平内。还有一种办法，是改进堆的结构和制造工艺。按最新技术，分离器板占堆成本的大部分，所以改进分离器结构（比方说由机械加工改为冲压）可以有交地降低 成本。在现阶段，改用价廉的材料，保持高而稳定的性能是不现袢的。 日本的政府计划和私人计划已研制了许多短堆，并进行了试验。中央研究所和中部电力公司作为私人计划分别研制了小型堆。图４给出了新近１０ＫＷ级堆的性能， 它们采用冲压式分离器。这种分离器暴露在电解质环境下的表面积比较小，对降低的电解质因腐蚀而损耗的总量是有效的。这种新堆在５０００Ｈ以上性能都高而稳 定。在高电流密度下测试，功率密度达到1.8KW/M2. 近年对新的电解质成分进行了研究。在ＬＩ／ＮＡ电解质系统中或者在加有碱稀土金属的电解质中，镍的融化量低于传统ＬＩ／Ｋ电解质系统中的融化量。图５示出 了压力对有传统ＬＩ／Ｋ电解质和有新型ＬＩ／ＮＡ电解质的ＭＣＦＣ性能的影响。由于ＬＩ／ＮＡ的电压增益大于ＬＩ／Ｋ，可以用于加压运行中的先进ＭＣＦＣ 堆，性能既好，寿命又长。 3.3 ＳＯＦＣ的发展 日本“新阳光计划”正在开发两种平面型燃料电池堆：一种面积比较大，由富士电气公司开发；另一种是综合型，由三洋电气公司开发。ＮＥＤＯ开发ＳＯＦＣ的目 标是性能达到0.2KW/CM2(燃料利用75%),衰减率小于1%/1000H,输出功率几十千瓦;中期目标是性能0.18KW/CM2(燃料利用 70%),容量几千瓦.大面积堆取圆形,有可靠的多孔金属基体和金属分离器,采用五只528CM2电池时功率可达505W.综合型堆由四只矩形电池组成, 采用17只728CM2电池时(182CM2×4)功率可达2.4KW和0.2KW/CM2.这两种堆的气体泄漏、部件强度、寿命等方面还有问题待解决。 一些私人用户和生产厂家试验了几种堆和装置。在平面型方面，中部电力公司和三菱重工联合研制了一块分层（ＭＯＬＢ）型堆，１９９２年功率达到１ＫＷ，正在 建造５ＫＷ堆。几家煤气公司和私人电力公司各自研制了千瓦级平面型堆。电力公司和三菱重工从１９９５年起试验１０ＫＷ级管型堆。美国威澌汀豪斯公司制造的 ３６ＫＷ和２５ＫＷ装置，关西电力、东京煤气、大阪煤气等公司都做过验证，３６ＫＷ装置还运行了７０００Ｈ以上。许多大学和研究实验室（如中央研究所、国 立材料研究所、化学研究所等）还进行了材料开发。 ４结语 燃料电池的潜力很有吸引力。ＰＡＦＣ兆瓦级电站和小型装置的高效率也已得到证实。很多小型ＰＡＦＣ装置的寿命正在评估之中。下一步要证明的，是可靠性和耐 久性对传统电站的竞争力。其余几种燃料电池（如ＭＣＦＣ）的长寿命和高效率也将得到验证。不过，要推入市场，低成本是十分重要的。效率和寿命影响电价。还 需要通过研究市场推入过程来显现目标成本的前景。 我国发展空间太阳能电站的必要性和相关技术基础分析。 (责任编辑：laiquliu) |
