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探討在我國電力系統發展燃料電池發電的技術路線

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  摘要:本文介紹了燃料電池發電技術的特點和應用形式,論證了在我國電力系統發展燃料電池發電技術的必要性。概述了國外燃料電池的發展計劃和市場預測,總結了國外發展燃料電池的經驗。通過技術比較,提出了在我國電力系統發展燃料電池發電的技術路線。

  燃料電池發電是將燃料的化學能直接轉換為電能的過程,其發電效率不受卡諾循環的限制,發電效率可達到50%一70%,被譽為二十一世紀重要的發電新技術之一。目前,國際上磷酸型燃料電池已進入商業化,其它幾種燃料電池預計在2005年一2010年200KW一將全面進入商業此。對于這種蓬勃發展的發電新技術,國家電力公司應該采取怎樣態度?要不要發展?怎樣發展?這些問題亟待解決。

  l、燃料電池發電的技術特點和應用形式

  1.1 技術特點

  燃料電池發電是在一定條件下使燃料(主要是H2)和氧化劑發電化學反應,將化學能直接轉換為電能和熱能的過程。與常規電池的不同:只要有燃料和氧化劑供給,就會有持續不斷的電力輸出。與常規的火力發電不同,它不受卡諾循環的限制,能量轉換效率高。與常規發電相比燃料電池具有以下優點:

  (1)理論發電效率高,發展潛力大。燃料電池本體的發電效率可達到50%一60%,組成的聯合循環發電系統在(10-50)MW規模即可達到70%以上的發電效率。

  (2)污染物和溫室氣體排放量少。與傳統的火電機組相比,C02排出量可減少40%一60%。Nox(<2ppm)和SOx(<1ppm)排放量很少。

  (3)小型高效,可提高供電可靠性。燃料電池的發電效率受負荷和容量的影響較小。

  (4)低噪音。在距發電設備3英尺(1.044米)處噪音小于60dB(A)。

  (5)電力質量高。電流諧波和電壓諧波均滿足IEEE519標準。

  (6)變負荷率高。變負荷率可達到(8%一10%)/min,負荷變化的范圍大(20%一120%)。

  (7)燃料電池可使用的燃料有氫氣、甲醇、煤氣、沼氣、天然氣、輕油、柴油等。

  (8)模塊化結構,擴容和增容容易,建廠時間短。

  (9)占地面積小,占地面積小于lm2/KW.

  (10)自動化程度高,可實現無人操作。

  總之,燃料電池是一種高效、潔凈的發電方式,既適合于作分布式電源,又可在將來組成大容量中心發電站,是2l世紀重要的發電方式。制約燃料電池走向大規模商業化的主要因素是:高價格和壽命問題。

  2.1 燃料電池的應用形式

  (1)現場熱電聯供,常用的容量為200KW一1MW.

  (2)分布式電源,容量比現場用燃料電池大,約(2-20)MW.

  (3)基本負荷的發電站(中心發電站),容量為(100-300MW)。

  (4)燃料電池還可用于100W-100KW多種可移動電源、便攜式電源、航空電源、應急電源和計算機電源等。

  2、為什么要在我國電力系統發展燃料電池發電技術?

  2.1 采用燃料電池發電是提高化石燃料發電效率的重要途徑之一

  以高溫燃料電池組成的聯合循環發電系統,可使發電效率達到60%-75%(LHV),這一目標將在2005年左右實現。預計到2010年,發電效率可超過72%。煤氣化燃料電池聯合循環(IGFC)的發電效率可達到62%以上。以燃料電池組成的熱電聯產機組的總熱效率可達到85%以上。燃料電池本體的發電效率基本不隨容量的變化而變化,這使得燃料電池既可用作小容量分散電源,又可用于集中發電應用范圍廣泛。

  2.2 燃料電池發電可有效地降低火力發電的污染物和溫室氣體排放量

  燃料電池發電中幾乎沒有燃燒過程,NOx排放量很小,一般可達到(0.139一0.236)kg/MW.h以下,遠低于天然氣聯合循環的NOx排放量(1kg/MW.h一3kg/MW.h)。由于燃料進入燃料電池之前必須經過嚴格的凈化處理,碳氫化合物也必須重整成氫氣和CO, 因此,尾氣中S02、碳氫化合物和固態粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。與常規燃煤發電機組相比,C02的排放量可減少40%一60%.在目前CO2分離和隔絕技術尚不成熟的狀況下,通過提高能源轉換效率減少CO2排放是必然的選擇。

  2. 3 采用燃料電池發電可提高供電的靈活性和可靠性

  燃料電池具有高效率、低污染、低噪聲、模塊化結構、體積小、可靠性高等突出特點,是理想的分布式電源。與目前一些可做為分布式電源的內燃機相比,燃料電池的發電效率更高、污染更低。在250KW-lOMW的功率范圍內,具有與目前數百兆瓦中心電站相當甚至更高的發電效率。作為備用電源的柴油發電機由于污染和噪聲大不宜在未來的城市中應用。低溫燃料電池不僅發電效率高,而且啟動快、變負荷能力強,是很好的備用電源。現代社會對供電的可靠性和環境的兼容性要求越來越高,高效、低污染的分布式電源系統日益受到重視。近年來美國、加拿大、臺灣相繼發生因自然災害或人為因素造成的大面積停電,許多重要用戶長期不能恢復供電,給社會和經濟造成了巨大的損失。北約轟炸南聯盟,使電力系統嚴重受損。這些由不可抗力引起的電網破壞無不使人引發出一個重要的思考:提高我國電力系統供電的可靠性和供電質量,雖然主要依靠電網的改造和技術革新,但如果在電網中有許多分布式電源在運轉,供電的可靠性將會大大提高。

  對于象軍事基地、指揮中心、醫院、數據處理和通訊中心、商業大樓、娛樂中心、政府要害部門、制藥和化學材料工業、精密制造工業等部門,對電力供應的可靠性和質量要求很高。目前采用的備用電源效率低、污染嚴重、電壓波動大。而采用燃料電池作為分布式電源向這些部門提供電力,會使供電的可靠性和電力質量大大提高。他們將是燃料電池發電技術的第一批用戶。

  對于邊遠地區,負荷小且分散,若建設完善的電網,不僅投資大,線損大,且電網末端地區電力質量不穩定。對于這些區域若輔助燃料電池發電的分布式電源,更能有效地解決這些地區的電力供應問題。燃料電池的重量比功率和體積比功率均比常規的小型發電裝置大,因此,它也是理想的移動電源,適合于各種建設工地、野外作業和臨時急用。

  2.4 發展燃料電池發電技術是提高國家能源和電力安全的戰略需要

  美國已將燃料電池發電列為國家安全關鍵技術之一。美、日之所以能在燃料電池技術方面處于世界領先地位,與國家從戰略高度予以組織、資助和推動密不可分。在目前復雜的國際環境下,高技術的壟斷日趨嚴重,掌握清潔高效發電的高新技術對未來國家的能源和電力安全具有重要的戰略意義,而燃料電池發電技術,正是這種高效清潔的高新發電技術之一。燃料電池突出的優點,以及發達國家竟相投入巨資研究開發的行動,足以說明燃料電池發電技術在21世紀會起到越來越重要的作用。

  2.5 發展燃料電池發電技術是國電公司“加強技術創新,發展高科技,形成高新技術產業”的需要

  燃料電池發電技術是電力工業中的高新技術,己受到普遍重視。美國燃料電池發電技術的研究開發主要由美國能源部組織實施,其中一個重要的目的就是形成新的高技術產業,為美國的經濟注入新的活力。日本的東京電力公司、關西電力公司及其它公用事業單位是日本燃料電池開發及商業化的主要承擔者和推動者,其目的也是為電力公司注入新的經濟增長點以獲得巨大的經濟效益和社會效益。

  國家電力公司處在完成“兩型”、“兩化”、 “進入世界500強”的歷史時刻,恰逢黨中央國務院號召全國各行業“加強技術創新,發展高科技,實現產業化”的有利時機,在國家電力公司內不失時機地進行燃料電池發電技術的研究開發是非常必要的。采取引進、消化、吸收和再創新的技術路線,以高起點,在盡可能短的時間內初步形成自主產權的燃料電池發電關鍵技術,不僅可以使我國在燃料電池發電技術領域與國外的差距大大縮小,而且,對國家電力公司進行發電系統的結構調整、技術創新、形成高新技術產業、實現跨越式發、提高國際競爭能力都具有非常重要的意義。

  2.6 燃料電池發電技術在我國有廣闊的發展前景

  未來二十年,隨著我國“西氣東送”,全國天然氣管網的不斷完善及液化天然氣(LNG)的廣泛應用,燃用天然氣的燃料電池發電將會有很大市場。煤層氣也是燃料電池的理想燃料。我國豐富的煤層氣資源也將是燃料電池發電的巨大潛在能源之一。燃料電池可與常規 燃氣一蒸汽聯合循環結合,形成更高效率的發電方式。與煤氣化聯合循環(IGCC)結合,形成數百兆瓦級的大型、高效、低污染的中心發電站,比IGCC效率更高,污染更小。

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