PAFC己商业化,不再投入资金进行研究开发。PAFC目前的发电效率为40%一45%(LHV),热电联产的热效率为80%(LHV)。
已完成250KW和2MWMCFC的现场示范,预计2002年进行20MW的示范;2003年左右,使250KW和MW级MCFC达到商业化;2010年,燃用天然气的250KW一20MWMCFC分散电源达到商业化,100MW以上MCFC的中心电站也进入商业化;2020年,100MW以上燃煤MCFC中心发电站进入商业化。MCFC技术目标是运行温度为650℃,发电效率达到60%(LHV),组成联合循环的发电效率为70%(LHV),热电联产的热效率达到85%(LHV)以上。
目前,己完成25kw和100kwSOFC现场试验,正在进行SOFC的商业化设计。预计2002年左右,进行MW级SOFC示范;2003年左右,100kw一1MWSOFC进行商业化:2010年,250kw一20MW燃用天然气的SOFC以分布式电源形式进入商业化,100MW以上燃用天然气的SOFC以中心电站形式进入商业化;2020年,100W及以上容量的燃煤S0FC以中心电站的形式进入商业化。SOFC技术目标是:运行温度为1000℃,发电效率达到62%
(LHV),组成联合循环的发电效率达到72%(LHV),热电联产的热效率达到85%(LHV)以上,燃煤时发电效率可达到65%(LHV),这一目标预计2010完成。
美国是最早研究开发PEFC的国家,但在大容量化和商业应用方面已落后于加拿大。目前美国生产的质子交换膜仍居世界领先水平。美国在PEFC的开发方面是面向家庭用分散式电源,实现热电联供。PlugPower公司与GE合作,计划2001年使10kwPEFC进入商业化,价格达到S750-1000/kw,大批量生产后,使PEFC的价格达到$350/kw.
(2)市场预测
美国能源部(DOE)对美国潜在的燃料电池市场的预测认为:在2005年一2010年,美国年需求燃料电池发电容量约2335MW一4075MW.现在美国的燃料电池年生产能力为60MW,商业化的价格为$2000一$3000/kw,若年生产能力达到100MW/a,商业化的价格则可达到$l000-$1500Kw.若能达到(2000-4000)MW/a的生产能力,燃料电池的原材料费仅$200一$300/kw.那么燃料电池的价格则有可能达到$900-$l100/kw,此时可完全与常规的发电方式竞争。
3.2日本燃料电池发电技术的发展进程及应用前景预测
(1)发展进程
日本在PAFC研究方面,走的是一条引进合作、消化吸收、再提高的路线。1972年东京煤气公司从美国引进两台PAFC燃料电池发电机组,大阪煤气公司也在1973年引进两台PAFC机组。日本政府于1981年设立了以开发节能技术为宗旨的月光计划,燃料电池发电是其中一项重要内容。此后,日本国内的电力公司、煤气公司和一些大型的制造厂纷纷投入燃料电池的研究开发,并与美国IFC合作,使日本的PAFC得到更大的发展。目前,日本的PAFC技术已赶上了美国,商业化程度超过了美国。5MW(富士电机制造)和11MW(东芝与IFC合制)均在日本投运,日本公司制造的PAFC机组已运行了近100多台。
日本有关MCFC的研究是从1981年开始的,通过自主开发并与美国合作。1987年10kwMCFC开发成功,1993年100kw加压型MCFC开发成功,1997年开发出1MW先导型MCFC发电厂,并投入运行。MCFC已被列为日本新阳光计划的一个重点,目标是2000年一2010年,实现燃用天然气的10MW一50MW分布式MCFC发电机组的商业化,并进行100MW以上燃用天然气的MCFC联合循环发电机组的示范,2010年后,实现煤气化MCFC联合循环发电,并逐步替代常规火电厂。
日本的SOFC技术也是从1981年的月光计划开始研究的,立足于自主开发。1989年一1991年,开发出l00W一400WSOFC电池堆,1992年一1997年开发出l0kw平板型SOFC.SOFC的研究进展也远远落后于NEDO原来的计划。新阳光计划中预计2000年一2010年,使SOFC达到MW级,并形成联合循环发电。日本的PEFC也被列入新阳光计划,目前开发的容量为(1-2)kw.
(2)政府采取的措施
日本政府在月光计划和新阳光计划中,先后资助了3台200kw、2台lMW和l台5MW的PAFC;1台100kw和1台1MW的MCFC示范电站研究开发、建设及运行。
在通产省和NEDO的统一组织和管理下,使公用事业单位(电力公司和煤气公司)和开发商及研究单位紧密结合,实现燃料电池研究开发和商业示范应用一体化。日本电力公司和煤气公司,过去十年来安装了约80多台燃料电池机组,装机容量达到20.1MW,燃料电池及电厂的费用主要由业主承担,但是制造商和政府也各承担一部分。这种政府和企业联合研究开发的方式促进了日本燃料电池的发展。使用燃料电池发电享有许多优惠政策:燃料电池的相关设备,在未超过一定规模时,其工程计划仅须申报即可动工。对500kw以下的常压燃料电池生产与使用的审批手续大大简化。在医院、旅馆、办公大楼等安装的燃料电池发电机组,政府提供的经费资助。新建的燃料电池发电设备享有10%的免税额,并获有30%的加速折旧。对装设于电力公司或自备发电用的燃料电池项目,日本开发银行将提供投资额40%的低息贷款。
(3)市场预测
1990年,日本通产省发表了长期电源供需展望报告,预计日本国内的燃料电池发电容量到2000年约2250MW;2010年约10720MW,电力系统用5500MW,其中约有2400MW是MCFC和SOFC高温型燃料电池;2010年煤气化MCFC和SOFC达到实用化;发电效率达到50%一60%。由于燃料电池发电技术仍有许多技术上的难题没有突破,进展速度低于预期值,因此日本目前已将原目标做了修正,预计2000年燃料电池装机容量将达到200MW,其中分布式电源l12MW,工业用热电联产型为88MW;2010年将达到2200MW,其中分布式电源型为735MW,工业用热电联产型为1465MW.
3.3其它国家和地区的发展进程
目前,欧洲的燃料电池发电技术远远落后于美国和日本。80欧洲又重新开始研究燃料电池发电技术。它们采用向美国、日本购买电池组,自行组装发电厂的方式来发展PAFC发电技术。1990年成立了一个欧洲燃料电池集团(EFCG)。意大利已完成了一座1MW的PAFC示范工程,由IFC供应,BOP由欧洲制造。意大利、西班牙与美国IPC合作,于1993年在米兰建了一座l00kwMCFC电厂,1996年投运。德国正在开发250kwMCFC.德国西门子公司于1998年收购了美国西屋公司的管形SOFC技术后,现在拥有世界上最先进的平板型和管形SOFC技术。
加拿大在PEFC方面居世界领先地位,在继续开发交通用PEFC的同时,目前也将PEFC应用于固定电站,已建成250kwPEFC示范电站,目标是在近几年内使250kw级PEPC商业化。澳大利亚在1993年一1997年,共投资3000万美元,研究开发平板型SOFC,目前正在开发(20一25)kwSOFC电池堆。韩国电力公司于1993年从日本购进一座200kwPAFC进行示范运行。
3.4国外发展燃料电池发电技术的经验总结
回顾国外燃料电地发展的道路,有许多值得我们吸取和借鉴的经验。下面归纳几点:
美国在燃料电池发电技术的研究开发方面始终处于世界领先地位。除了雄厚的财力之外,还有三方面重要的原因:一是政府将燃料电池发电技术视为提高火力发电效率、减少污染物和温室气体排放的重要措施,列入政府的改变气侯技术战略中,并大力投入资力量研究开发;二是燃料电池技术提高到国家能源安全并大力投入资金和力量研究开发;二是将燃料电池技术提高到国家能源安全关键技术的战略高度,DOD和DOE均投入资金研究开发;三是对燃料电池的应用前景充满信心,希望能形成新的高技术产业,给美国的经济注入新的活力,政府和企业共同投入资金研究开发,力图保持领先地位。
日本走的是一条通过与美国合作、引进技术并消化吸收实现产业化的路线,并在PAFC的商业化方面己超过了美国,在MCFC的研究开发方面也接近美国。成功的重要经验也是政府对燃料电池给予高度重视,先后列入了月光计划和新阳光计划,大力投入研究开发。另一条经验是研究机构、企业和用户联合,组成从研究、开发到商业应用一体化集团,既承担研究开发的风险,也享受成功的优惠。
加拿大Ballard公司在PEFC方面成功的经验告诉我们:只要坚定不移地进行研究开发,一个小公司也能在10-20年内成为举世瞩目的燃料电池技术拥有者。
燃料电池起源于欧洲,但是,现在欧洲的燃料电池技术已远远落后于美国和日本。主要原因是政府和企业对燃料电池发电技术重视不够。目前,欧洲已经意识到这一点,成立了-个燃料电池发电技术集团,引进美国、日本的技术,并进行研究开发。
4、各种燃料电池发电技术综合比较 (1)AFC:与其它燃料电池相比,AFC功率密度和比功率较高,性能可靠。但它要以纯氢做燃料,纯氧做氧化剂,必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂,价格昂贵。电解质的腐蚀严重,寿命较短,这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用,不适合于民用。
(2)PAFC:以磷酸做为电解质,可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180℃一210℃运行,燃料气和空气的处理系统大大简化,加压运行时,可组成热电联产。但是,PAFC的发电效率目前仅能达到40%一45%(LHV),它需要贵金属铂做电催化剂;燃料必须外重整:而且,燃料气中C0的浓度必须小于1%(175℃)一2%(200℃),否则会使催化剂中毒;酸性电解液的腐蚀作用,使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟,产品也进入商业化,做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源,PAFC还有市场,但用作大容量集中发电站比较困难。
(3)MCFC:在650℃一700℃运行,可采用镍做电催化剂,而不必使用贵重金属:燃料可实现内重整,使发电效率提高,系统简化;CO可直接用作燃料;余热的温度较高,可组成燃气/蒸汽联合循环,使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比,MCFC的优点是:操作温度较低,可使用价格较低的金属材料,电极、隔膜、双极板的制造工艺简单,密封和组装的技术难度相对较小,大容量化容易,造价较低。缺点是:必须配置C02循环系统;要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM;熔融碳酸盐具有腐蚀性,而且易挥发;与SOFC相比,寿命较短;组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比,MCFC的缺点是启动时间较长,不适合作备用电源。MCFC己接近商业化,示范电站的规模已达到2MW.从MCFC的技术特点和发展趋势看,MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。 (4)SOFC:电解质是固体,可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比,SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题,电池的寿命较长(已达到70000小时)。CO可做为燃料,使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右,燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高,要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比,SOFC的启动时间较长,不适合作应急电源。与MCFC相比,SOFC组成联合循环的效率更高,寿命更长(可大于40000小时);但SOFC面临技术难度较大,价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一,既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW),也可用作大容量的中心电站(>l00MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范,将使SOFC的优越性进一步得到体现。
(5)PEFC:PEPC的运行温度较低(约80℃),它的启动时间很短,在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比,电流密度和比功率都较高,发电效率也较高(45%一50%(LHV)),对CO的容许值较高(<10ppm)。PEFC的余热温度较低,热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比,它具有寿命长,运行可靠的特点。PEFC是理想的可移动电源,是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前,在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场,不适合做大容量中心电站。
5、结论 选择适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术,应综合考虑以下几点:较高的发电效率;环保性能好;既能作为高效、清洁的分布电源,又具有形成大容量的联合循环中心发电站的发展潜力;既能以天然气为燃料,又具有以煤为燃料的可能性;技术的先进性及商业化进程;运行的可靠性和寿命;降低造价的潜力;国内的基础。综合考虑以上几点,对适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术,提出以下几点选择意见:
(1)优先发展高温燃料电池发电技术。即选择MCFC和SOFC为我国电力系统燃料电池发电技术的主要发展方向,这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源,又具有形成大容量的联合循环中心发电站(以天然气或煤为燃料)的发展潜力。
(2)MCFC和SOFC各有特点,都存在许多问题,尚未商业化。若考虑技术难度和成熟程度以及商业化的进程,对于MCFC,应走引进、消化吸收、研究创新,实现国产化的技术路线,并尽快投入商业应用:对于SOFC,应立足于自主开发,走创新和跨越式发展的技术发展路线。
(3)随着氢能技术的发展,PEFC在移动电源、分散电源、应急电源、家庭电源等方面具有一定优势和的市场潜力,国家电力公司应密切跟踪研究。
(4)AFC不适合于民用发电。PAFC技术目前已趋于成熟,与MCFC、SOFC和PEFC比较,已相对落后。因此,AFC和PAFC不应做为国家电力公司研究开发的方向。
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