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燃料電池商業(yè)化可期

發(fā)布時(shí)間: 2015-05-15 10:20:23    來(lái)源: 《能源評(píng)論》
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[摘要]在眾多的新能源技術(shù)中,燃料電池是一顆令人矚目的璀璨新星。目前,多種多樣的燃料電池正在逐步的改善人們的生活方式和電力發(fā)展模式,正在眾多領(lǐng)域中大展身手。

 

  在眾多的新能源技術(shù)中,燃料電池是一顆令人矚目的璀璨新星。燃料電池能夠通過(guò)電化學(xué)反應(yīng),直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,徹底改變了傳統(tǒng)化石能源從化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能的轉(zhuǎn)化路徑,極大地提高了化石能源的發(fā)電效率,降低了顆粒物、氮氧化物以及硫氧化物等污染物的排放。

  在20年代70年代氫經(jīng)濟(jì)浪潮的推動(dòng)下,燃料電池的研發(fā)進(jìn)入了一個(gè)高潮,而今的燃料電池技術(shù)正在逐漸接近商業(yè)化,可利用的燃料種類也不再局限于氫氣,合成氣、天然氣,甚至生物質(zhì)和煤炭也都能夠通過(guò)燃料電池直接發(fā)電。目前,多種多樣的燃料電池正在逐步的改善人們的生活方式和電力發(fā)展模式,正在眾多領(lǐng)域中大展身手。

  “排頭兵”:質(zhì)子交換膜燃料電池

  目前商業(yè)化推廣最為廣泛的當(dāng)屬質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。PEMFC作為一種低溫燃料電池,可以工作在常溫下,啟動(dòng)速度小于1分鐘。2014年12月,日本面向本土市場(chǎng)推出的首款量產(chǎn)的燃料電池車MIRAI便是采用的PEMFC。事實(shí)上,燃料電池已經(jīng)不是燃料電池車商業(yè)化的瓶頸,關(guān)鍵問(wèn)題在于加氫站的建設(shè)。PEMFC對(duì)氫氣的純度要求高達(dá)99.999%,而且氫氣難以儲(chǔ)存,為此建設(shè)加氫站的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于建設(shè)充電樁。但是,在一些特殊場(chǎng)合,并不需要數(shù)量巨大的加氫站,美國(guó)Plug Power公司采用PEMFC作為叉車的電源,成功地解決室內(nèi)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力污染、噪音的問(wèn)題,為此燃料電池叉車受到沃爾瑪?shù)裙镜臒崃覛g迎。

  最近,PEMFC在移動(dòng)電源領(lǐng)域也開始嶄露頭角,在美國(guó)和歐美已經(jīng)推出了產(chǎn)品級(jí)的燃料電池移動(dòng)電源,通過(guò)更換燃料盒的方式來(lái)為筆記本電腦、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備充電,雖然目前價(jià)格較鋰離子電池移動(dòng)電源高出不少(大約10倍),但在一些特殊場(chǎng)合(登山運(yùn)動(dòng)、野外生存),燃料電池移動(dòng)電源的續(xù)航能力及環(huán)保特性已經(jīng)能夠讓其占有相關(guān)的市場(chǎng)。

  還有一個(gè)不容忽視的領(lǐng)域——PEMFC備用電源。PEMFC不僅啟動(dòng)速度快,保存時(shí)間大于10年,而且單次續(xù)航能力僅僅取決與燃料電池罐的大小,可以輕松達(dá)到24小時(shí),甚至一周的時(shí)間,能夠大大的保障電力的供應(yīng),在數(shù)據(jù)中心、通信基站等領(lǐng)域的需求非常大。

  “大塊頭”:熔融碳酸鹽燃料電池

  熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是一種高溫燃料電池,采用熔融的碳酸鹽作為電解質(zhì),工作溫度高達(dá)650~750攝氏度。與低溫燃料電池相比,高溫燃料電池催化劑的選擇范圍增大了,可以采用鎳等非貴金屬催化劑,而且燃料的選擇范圍也增大了,不僅可以吃“細(xì)糧”氫氣,還可以吃“粗糧”天然氣、合成氣等碳?xì)淙剂稀R舱且驗(yàn)檫@個(gè)特點(diǎn),MCFC在分布式發(fā)電領(lǐng)域和小型固定式發(fā)電領(lǐng)域中有了更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前,熔融碳酸鹽燃料電池的單電池面積可以做到一平方米,單個(gè)電池堆可以做到300千瓦,系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)47%。

  熔融碳酸鹽燃料電池2013年的裝機(jī)容量總量超過(guò)90兆瓦,占燃料電池總裝機(jī)容量的42.8%,是產(chǎn)量最大的燃料電池。MCFC的主要生產(chǎn)商是美國(guó)Fuel Cell Energy公司,截至2015年2月,該公司的燃料電池發(fā)電量已經(jīng)達(dá)到33.1億千瓦時(shí)。MCFC是一種可靠地分布式發(fā)電系統(tǒng),已有的應(yīng)用領(lǐng)域包括大學(xué)、醫(yī)院、工廠等。由于MCFC工作在高溫下,MCFC啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),一般情況下MCFC發(fā)電系統(tǒng)會(huì)連續(xù)的發(fā)電,這樣MCFC分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)與已有的電網(wǎng)組成了兩套電力供應(yīng)管線,從而能夠大大的提高醫(yī)院等用戶的電力安全系數(shù)。

  在固定電站領(lǐng)域,MCFC能夠達(dá)到兆瓦級(jí)的發(fā)電站,目前韓國(guó)正在建設(shè)世界上最大的燃料電池電站,發(fā)電功率達(dá)到360兆瓦。雖然燃料電池固定電站的發(fā)電功率與已有的火力發(fā)電廠(可達(dá)1000兆瓦)相比有較大的差距,但事實(shí)上,燃料電池發(fā)電站與火電廠的之間并非競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,而是對(duì)現(xiàn)代大型火電廠的補(bǔ)充。傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠的發(fā)電效率是隨著裝機(jī)容量和蒸汽參數(shù)的增大而增大,因而人們?cè)诓粩嗟脑O(shè)計(jì)大容量高參數(shù)的發(fā)電站,而且火力發(fā)電站的發(fā)電效率是滿負(fù)荷的時(shí)候最高。而對(duì)于燃料電池,發(fā)電效率不受容量的限制,而且在低負(fù)荷的工況下發(fā)電效率可以更高。從而,燃料電池彌補(bǔ)了傳統(tǒng)火力發(fā)電站在變負(fù)荷、低容量時(shí)效率低的不足。值得一提的是,MCFC能夠與煤氣化(000968,股吧)系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)建整體煤氣化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(IGFC),能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭的清潔高效發(fā)電,美國(guó)已建成2兆瓦的IGFC示范電站,在燃料電池固定式發(fā)電領(lǐng)域走在了前端。

  “小鮮肉”:固體氧化物燃料電池

  固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種基于陶瓷材料的全固態(tài)燃料電池,其工作溫度較MCFC更高。SOFC的構(gòu)型有三種:管式、平板式以及平板管式。管式電池由于易于密封,發(fā)展較快,西門子西屋公司于2000年時(shí)便建成了220千瓦發(fā)電系統(tǒng),但是由于采用昂貴的CVD方法制備電池,在經(jīng)濟(jì)上劃不來(lái),后來(lái)西門子西屋公司便暫停了該項(xiàng)技術(shù)的投資。為了降低電池的制備成本,提高電池功率密度,平板式SOFC成為了后起之秀,目前技術(shù)最成熟的公司是美國(guó)Bloom Energy公司,推出了100千瓦和200千瓦產(chǎn)品,受到了易貝、谷歌、沃爾瑪以及蘋果公司的熱捧。為了能夠吸收管式和平板式的優(yōu)點(diǎn),日本京瓷公司開發(fā)了平板管式燃料電池,并開發(fā)出用于家庭熱電聯(lián)產(chǎn)的SOFC發(fā)電系統(tǒng)——ENE-FARM,發(fā)電功率為700瓦,綜合能量效率可達(dá)80%,目前在日本的出貨量已經(jīng)達(dá)到5萬(wàn)臺(tái)。

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