家庭用燃料電池 （係列講座8）

一、分布式燃料電池電站

分布式供電是最近興起的供電方式，是指將發電係統以小規模(數千瓦至50MW的小型模塊)

、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立地輸出電
、熱或(和)冷能的係統。這個概念1978年由美國公共事業管理政策法公布後正式在美國推廣
，然後被其他發達國家接受。據專家估計
，未來分布式發電將為美國提供將近30％的電力。分布式供電方式最大的優點是不需遠距離輸配電設備，輸電損失顯著減少，並可按需要方便、靈活地利用排氣熱量實現熱電聯產或冷熱電三聯產。常規電站發電效率約為35％，供電損失4％，未利用的廢熱達61％。而燃料電池電站的綜合效率可達70％～80％，未利用的廢熱隻有20％～30％，大大提高了能源利用率。直接安置在用戶附近的分布式發電裝置與大電網配合可大大地提高供電可靠性。2003年在美國
、jianadafashengdedafanweidianwangtingdianshigu
，shirenmenduifenbushidianzhangewaiganxingqu。kezaishengnengyuanfenbushifadianxitongduinengyuanmidudeyaoqiuyuandiyujizhonggongdianfangshi；而且，通過與氫能技術相結合，可以在很大程度上克服可再生能源資源不穩定、能源密度低的缺點。因此，分布式氫燃料電池電站具有較大的優勢。燃料電池電站的環境效益比普通火力發電好得多。據統計，CO 排放量減少30％～40％，NO 排放量減少60％～90％，而與之形成鮮明對比的是美國電力公司接受“天價罰單”。2007年10月8日美國主要電力企業——美國電力公司與美國司法部門達成和解協議
，同意接受46億美元罰金。1999年(nian)，美(mei)國(guo)環(huan)保(bao)局(ju)及(ji)美(mei)國(guo)多(duo)個(ge)州(zhou)聯(lian)合(he)狀(zhuang)告(gao)美(mei)國(guo)電(dian)力(li)公(gong)司(si)
，沒(mei)按(an)要(yao)求(qiu)安(an)裝(zhuang)汙(wu)染(ran)控(kong)製(zhi)設(she)備(bei)
，致(zhi)使(shi)排(pai)放(fang)物(wu)形(xing)成(cheng)酸(suan)雨(yu)，對(dui)自(zi)由(you)女(nv)神(shen)像(xiang)等(deng)美(mei)國(guo)標(biao)誌(zhi)性(xing)建(jian)築(zhu)造(zao)成(cheng)無(wu)可(ke)挽(wan)回(hui)的(de)汙(wu)染(ran)損(sun)害(hai)。從(cong)罰(fa)款(kuan)協(xie)議(yi)金(jin)額(e)看(kan)，這(zhe)一(yi)案(an)件(jian)是(shi)美(mei)國(guo)政(zheng)府(fu)在(zai)環(huan)境(jing)問(wen)題(ti)上(shang)作(zuo)出(chu)的(de)最(zui)嚴(yan)厲(li)的(de)處(chu)罰(fa)。

二、社區用分布式熱電聯供燃料電池電站

社區用分布式熱電聯供燃料電池電站一般指功率在100kw以上的電站。目前，已經示範的這類電站主要有磷酸鹽燃料電池(PAFC)電站、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)電站和固體氧化物燃料電池(SOFC)電站。1 磷酸燃料電池(PAFC)電站(1)磷酸燃料電池電站技術的發展概況20世紀60年代中期美國為了把燃料電池轉為民用，美國聯合技術公司(UT)和美國32家煤氣公司共同開展“目標計劃(1967-1975)”，計劃發展經濟的供家庭用、小型商用及工業用戶用的天然氣燃料電池供電裝置。該計劃發電裝置的規模為12.5kW(家庭最大用電要求)，使用重整後的天然氣做燃料，電池組以磷酸燃料電池為主
，融熔碳酸鹽燃料電池為後備技術。1973年對12.5kW磷酸燃料電池進行了詳細評價。1973～1975年間60個12.5kW的PC-11磷酸燃料電池實驗電站，在美國
、加拿大和日本進行了現場試驗，在不同的環境和運行條件下，它們都運行了三個月左右
，取得了有關技術、經濟、維修、對負載的反應特性、可靠性等方麵的寶貴數據。1977～1985年問，美國煤氣協會(GRI)繼續推進該計劃的研究工作，開發了50座40kW的發電站。隨後出於經濟角度考慮
，決定發展200kW發電站，並從1992年開始批量生產。1971年，美國能源部(DOE)委托美國聯合技術公司
，組織9家電力公司研究燃料電池在電力工業上的應用，稱為FCG-1計劃，該計劃的日標是建立大型燃料電池發電站。1977年建成1MW電站，1980年在紐約建成4.5MW試驗電站，1983年在東京建成第二個4.5MW的試驗電站，後來又發展成商品PC-23型11MW電站，於1991年3月在東京開始發電。美國是最早發展PAFC電站技術的國家，而日本是PAFC電站技術發展最快的國家，僅用了 10～15年的時間，就和美國並駕齊驅
，成為世界上PAFC電站技術發展水平最高的國家。日本政府自1981年開始執行“月光計劃”
，即國家的燃料電池發展計劃(日本政府的燃料電池研究和發展計劃自1974年開始作為“陽光計劃”的一部分
，1981年轉成“月光計劃”)。在198l～1986年期問，“月光計劃”預算撥款4400萬美元
，其中3000萬美元用於發展PAFC係統
，用於發展小型分散供電電站和大型集中供電電站。月光計劃原為10年計劃，1987年改為15年計劃(到1995年)，總研究與發展經費預算為570億日元。日本的煤氣公司和電力公司從20世紀70年代起，以參加美國的目標計劃和FCG-l計劃的形式，開始研究和發展燃料電池。他們參加了12.5kW、40kW等PAFC分布式電站的示範試驗
，並引進了1MW和4.5MW電站，以取得燃料電池的運行

、維修等方麵的經驗；與美國技術台作建造11MW電站並已成功運行。日本製造商在電力公司、煤氣公司的通力合作下，已可生產各種規格的PAFC電站
，這些公司主要有富士
、東芝、三菱、日立。日本在自己能製造各種規格的PAFC電站後
，仍然不斷購買美國產品，以便更快地掌握了製造
、運行PAFC電站的先進技術。歐洲的英國、德國、荷蘭
、比利時、意大利、丹麥、瑞典、芬蘭等九個國家22家公司於1989年9月1日成立了歐洲燃料電池集團(EFCG)，總公司設在倫敦。他們購買美國
、日本的PAFC電池電站進行示範試驗
，以取得PAFC在歐洲的運行、維修經驗
；並利用自己在燃料處理及交、直流電能轉化方麵的先進技術來開展PAFC電站技術的研究和發展工作。(2)磷酸燃料電池電站技術的現狀從美國和日本的情況來看，PAFC電站技術已進入大規模示範階段，對各種規格型號的PAFC電站都進行了大量的示範試驗及場地試驗
，積累了大量的建造
、運行、維修等方麵的經驗，並針對出現的問題做了改進，PAFC電站發展進入大量投放市場的第三個發展階段。目前
，全球約有260台功率為200kW的PAFC在運行。我國廣州也有一台200kW日本產PAFC電站。美國UTC公司的PureCell 200型電站(即以前的PC25 C型PAFC電站)
，是200kwPAFC產品係列中最先進的一種
，可提供200kW的電力，特點是：①環境友好，NO 、SO 排放量極少
，且低噪音、低振動
；②綜台效率高達80％以上，其中電效率40％以上，熱效率40％以上；③可用多種燃料
，如：天然氣、液化石油氣、沼氣等。

PAFC電站主要由燃料重整部分
、燃料電池部分、電源輸出和熱量輸出四部分組成。甲醇

、天tian然ran氣qi等deng燃ran料liao首shou先xian在zai重zhong整zheng器qi中zhong製zhi成cheng符fu合he燃ran料liao電dian池chi要yao求qiu的de氫qing氣qi

，然ran後hou進jin入ru燃ran料liao電dian池chi，燃ran料liao電dian池chi發fa出chu的de電dian經jing逆ni變bian轉zhuan換huan器qi，轉zhuan換huan成cheng標biao準zhun交jiao流liu電dian輸shu出chu，與yu現xian有you的de電dian器qi設she備bei匹pi配pei。燃ran料liao電dian池chi生sheng成cheng熱re由you熱re量liang輸shu出chu部bu分fen轉zhuan化hua為wei所suo需xu要yao的de熱re水shui或huo蒸zheng汽qi供gong給gei用yong戶hu。從cong外wai部bu看kan
， PC25 C型PAFC電站已經一體化裝配在一起，隻有冷卻風機組放在遠離主機的地方。整個係統可以由電腦遠距離遙控運行。表1給出其詳細技術參數。

表1 PC25 C型燃料電池電站技術參數

通過PAFC電站示範試驗
，人們發現其電效率在35％～4l％之間
，容量大的電站效率高些。熱電聯供時，總效率為71％～85％。環境適應性也很好，PAFC對環境的汙染很小。2 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)電站美國能源部(DOE)將MCFC和SOFC定位為即將商業化的分布式電源，並給予大量資助。目前
，MCFC電站一般都足250kW，更大容量的電站則采用多台並聯的方式。美國FCE(Fuel Cell Energy)公司(原ERC公司)正在進行常壓內重整式MCFC燃料電池的開發。FCE公司的250kW電堆由340片電極麵積為0.84m 的單電池組成，於2000年6月末停止運行，運轉時間長達1180小時，期間還進行了無人看守運行、6次熱循環
，負荷跟蹤運行等試驗。這期問最大輸出功率為263kW，發電總量為1905MWh
，綜合效率達75％(LHV)以上，設備利用率越過95％，電池電壓平均變化±1.5％，排放的SO 於0.05ppm。FCE公司還設計了與小型燃氣輪機耦合的250kW高效率發電設備和40MW超高效率發電設備。2001年初，美國已經在洛杉磯及亞拉巴馬州安裝了250kW的MCFC電站，並開始運營。日本的1000kW級MCFC電站由4台250kW級電堆、1台重整器及其他設備組成。電站的設計指標是電池工作壓力0.49MPa；電池出口溫度670℃時
，發電端效率為46.7％
；送電效率為40.6％。從1999年3月安裝完成，到2000年l月結束試驗，總運行時問4211小時(電池入口溫度達560℃以上開始累計)，累計發電時間2669小時
，累計額定發電時間1264小時，其中最長連續發電時間793小時，累計發電量2103MWh。

以德國戴姆勒-克萊斯勒公司的子公司MTUFriedrichshafen GmbH(MTU)為中心的財團正在開發250kW級常壓內重整式MCFC燃料電池電站（圖1)。MTU為了使電池麵垂直，把美國FCE公司生產電堆的電池橫向排列，並把它裝入橫置的圓筒內，筒內采用高溫空氣循環結構。因此
，更加小型化和高效率化。2001年春季在Rohm KIinikum醫院開始運營。

圖1 漢諾威工業博覽會上MTU公司展示的250kW MCFC電站

韓國以韓國電力公司為中心，正在開發外部改質式電堆。此前，已開發了25kW級電堆。在此基礎上提出了到2006年開發出250kW級電堆和到2010年之前開發出1MW級設備的開發計劃。我國上海交通大學和火連化學物理研究所
，在2001年初分別實現了1kW級MCFC的運轉。今後
，計劃開發50kW級的MCFC電堆。雖然MCFC單電池已有4萬小時連續運行的記錄，但是要達到實用電堆連續運行4萬小時的目標
，還需要進一步努力。目前製約電沲壽命的因素是：①氧化鎳在空氣極溶解和析出而造成的內部鎳短路；②不鏽鋼雙極板等金屬材料的腐蝕問題；③MCFC運行過程中的電解質損失；④隔膜的粗孔化等等。為了實現商業化，還應該進行更深入的技術開發。3 固體氧化物燃料電池(SOFC)電站在固體氧化物燃料電池(SOFC)的研究開發中，20世紀末最大的事件就是1998年德國西門子公司收購了美國的西屋公司的SOFC分部
，組成SWP公司。美國西屋公司的SOFC分部曾是世界上最強的高溫SOFC(工作溫度高達1000℃)研發單位，它被收購
，表示高溫SOFC進入市場將更加困難。常壓型SOFC混合發電係統最大限度地利用了SOFC高溫排氣的特性，生產出具有附加值的高溫蒸汽
，綜合熱效率達到80％以上。由於沒有燃氣輪機，所以工作環境非常安靜，不需要加壓容器，極有可能小型化。SWP公司的常壓型SOFC混合發電係統中，空氣先由風機(或者壓縮機)送往再生器
，升到規定的溫度後
，通過空氣預熱器加熱空氣供應給電池模塊。天然氣經脫硫器脫硫後由風機(或者壓縮機)供應給電池模塊，通過SOFC進行發電
，排出的氣體送人係統進行熱回收。熱回收係統一般由混合發電係統的水蒸氣發生器
、再生器、熱水加熱器等構成。SOFC發電產生的直流電，在供給係統等負荷前，送往功率調整係統，變換成交流電。此外，空氣預熱器在啟動時使用。為了控製溫度，可以將一部分空氣從再生器旁路供給電池模塊。電站停機時，必須使用淨化係統以保證安全。SWP公司進行示範運行的100kW級常壓型SOFC混合發電係統的電池模塊由1152個外徑為22mm，有效長度為150mm

，有效麵積為834cm 的圓筒式單電池組成。這個電堆有兩組電堆，每組電堆由576個單電池組成。

日本目前可以生產小功率的SOFC電站。2006年在日本愛知縣舉辦的世博會上，日本就采用自產的50kW固體氧化物燃料電池電站(圖2)和其他類型的燃料電池電站一起為世博會供電。

圖2 2006年日本世博會上的50kW SOFC電站

家用熱電聯供燃料電池電站主要指功率為千瓦級的燃料電池電站。如圖3所示，圖左下角是1kWjiayongdianzhan，gaoguizishireshuiguan。jiayongdianzhanyongchengshimeiqizuoranliao

，jingranliaodianzhangeijiatinggongdian，tongshigongyingreshui。youyuguoqingbutong，geguodejiayongranliaodianchidianzhangonglvxiangchajiaoda。biru，meiguofazhan5～7kW的燃料電池電站，日本則發展0.7～lkW的家用燃料電池電站。1 北美家用燃料電池電站加拿大巴拉德(Ballard)公司開發了AirGen 不間斷電源，可以確保計算機安全工作(圖4)。

Ballard公司於2001年開發了Nexa PEMFC電源(圖5)，其輸出功率1200W，22～50V直流電，電流46A，壽命為1500h。使用99.99％的氫，消耗量為18.5標準升／分鍾。尺寸為56×25×33(長×寬×高)厘米，重量13公斤。最大排放0.87升水／時
，噪音在機器1米處高於72分貝。