我国电力系统发展燃料电池发电的技术路线

电力18讯：    【摘　要】　介绍了燃料电池发电技术的特点和应用形式，论证了在我国电力系统发展燃料电池发电技术的必要性。概述了国外燃料电池的发展计划和市场预测，总结了国外发展燃料电池的经验。通过技术比较，提出了在我国电力系统发展燃料电池发电的技术路线。

　　燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能的过程，其发电效率不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50％～70％，被誉为21世纪重要的发电新技术之一。目前，国际上磷酸型燃料电池已进入商业化，其它几种燃料电池预计在2005～2010年容量在200kW及以上的将全面进入商业化。对于这种蓬勃发展的发电新技术，国家电力公司应该采取怎样态度？要不要发展？怎样发展？这些问题亟待解决。
1　燃料电池发电的技术特点和应用形式

1.1　技术特点

　　燃料电池发电是在一定条件下使燃料(主要是H2)和氧化剂(空气中的O2)发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。与常规发电相比燃料电池具有以下优点：

　　(1)理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到50％～60％，组成的联合循环发电系统在(10～50)MW规模即可达到70％以上的发电效率。

　　(2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，CO2排出量可减少40％～60％。NOX (< 2mg/kg)和SOX(< 1mg/kg)排放量很少。

　　(3)小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小。

　　(4)低噪声。在距发电设备3英尺(1.044m)处噪声小于60dB(A)。

　　(5)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。

　　(6)变负荷率高。变负荷率可达到（8％～10％）/min，负荷变化的范围20％～120％。

　　(7)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。

　　(8)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。

　　(9)占地面积小，占地面积小于1m2/kW。

　　(10)自动化程度高，可实现无人操作。

　　总之，燃料电池是一种高效、洁净的发电方式，既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站，是21世纪重要的发电方式。制约燃料电池走向大规模商业化的主要因素是：高价格和寿命问题。

1.2　燃料电池的应用形式

　　(1)现场热电联供，常用的容量为200kW～1MW；

　　(2)分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约(2～20)MW；

　　(3)基本负荷的发电站(中心发电站)，容量为(100～300)MW；

　　(4)燃料电池还可用于100W～100kW多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源和计算机电源等。

2　我国电力系统发展燃料电池发电技术的必要性

2.1　提高化石燃料发电效率的重要途径之一

　　以高温燃料电池组成的循环发电系统，可使发电效率达到60％～75％(LHV)，这一目标将在2005年左右实现。预计到2010年，发电效率可超过72％。煤气化燃料电池联合循环(IGFC)的发电效率可达到62％以上。以燃料电池组成的热电联产机组的总热效率可达到85％以上。燃料电池本体的发电效率基本不随容量的变化而变化，这使得燃料电池既可用作小容量分散电源，又可用于集中发电，应用范围广泛。

2.2　有效降低火力发电的污染物和温室气体排放量

　　燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，NOX排放量很小，一般可达到(0.139～0.236)kg/(MW・h)以下，远低于天然气联合循环的NOX排放量1～3kg/(MW・h)。由于燃料进入燃料电池之前必须经过严格的净化处理，碳氢化合物也必须重整成氢气和CO，因此，尾气中SO2、碳氢化合物和固态粒子等污染物排量和污染物的含量非常低。与常规燃煤发电机组相比，CO2的排放量可减少40％～60％。在目前CO2分离和隔绝技术尚不成熟的状况下，通过提高能源转换效率减少CO2排放是必然的选择。

2.3　提高供电的灵活性和可靠性

　　燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高等突出特点，是理想的分布式电源。与目前一些可做为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。在250kW～10MW的功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当甚至更高的发电效率。作为备用电源的柴油发电机，由于污染和噪声大，不宜在未来的城市中应用。低温燃料电池不仅发电效率高，而且启动快、变负荷能力强，是很好的备用电源。

　　现代社会对供电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日益受到重视。近年来在美国、加拿大及我国台湾相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长时间不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失。北约轰炸南联盟，使电力系统严重受损。