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燃料电池 令人瞩目的璀璨新星

导读: 在众多的新能源技术中,燃料电池是一颗令人瞩目的璀璨新星。燃料电池能够通过电化学反应,直接将燃料的化学能转化为电能,彻底改变了传统化石能源从化学能→热能→机械能→电能的转化路径,极大地提高了化石能源的发电效率,降低了颗粒物、氮氧化物以及硫氧化物等污染物的排放。

  在众多的新能源技术中,燃料电池是一颗令人瞩目的璀璨新星。燃料电池能够通过电化学反应,直接将燃料的化学能转化为电能,彻底改变了传统化石能源从化学能→热能→机械能→电能的转化路径,极大地提高了化石能源的发电效率,降低了颗粒物、氮氧化物以及硫氧化物等污染物的排放。

  在20年代70年代氢经济浪潮的推动下,燃料电池的研发进入了一个高潮,而今的燃料电池技术正在逐渐接近商业化,可利用的燃料种类也不再局限于氢气,合成气、天然气,甚至生物质和煤炭也都能够通过燃料电池直接发电。目前,多种多样的燃料电池正在逐步的改善人们的生活方式和电力发展模式,正在众多领域中大展身手。

  “排头兵”:质子交换膜燃料电池

  目前商业化推广最为广泛的当属质子交换膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC作为一种低温燃料电池,可以工作在常温下,启动速度小于1分钟。2014年12月,日本面向本土市场推出的首款量产的燃料电池车MIRAI便是采用的PEMFC。事实上,燃料电池已经不是燃料电池车商业化的瓶颈,关键问题在于加氢站的建设。PEMFC对氢气的纯度要求高达99.999%,而且氢气难以储存,为此建设加氢站的成本要远远高于建设充电桩。但是,在一些特殊场合,并不需要数量巨大的加氢站,美国Plug Power公司采用PEMFC作为叉车的电源,成功地解决室内内燃机动力污染、噪音的问题,为此燃料电池叉车受到沃尔玛等公司的热烈欢迎。

  最近,PEMFC在移动电源领域也开始崭露头角,在美国和欧美已经推出了产品级的燃料电池移动电源,通过更换燃料盒的方式来为笔记本电脑、手机等移动设备充电,虽然目前价格较锂离子电池移动电源高出不少(大约10倍),但在一些特殊场合(登山运动、野外生存),燃料电池移动电源的续航能力及环保特性已经能够让其占有相关的市场。

  还有一个不容忽视的领域——PEMFC备用电源。PEMFC不仅启动速度快,保存时间大于10年,而且单次续航能力仅仅取决与燃料电池罐的大小,可以轻松达到24小时,甚至一周的时间,能够大大的保障电力的供应,在数据中心、通信基站等领域的需求非常大。

  “大块头”:熔融碳酸盐燃料电池

  熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是一种高温燃料电池,采用熔融的碳酸盐作为电解质,工作温度高达650~750摄氏度。与低温燃料电池相比,高温燃料电池催化剂的选择范围增大了,可以采用镍等非贵金属催化剂,而且燃料的选择范围也增大了,不仅可以吃“细粮”氢气,还可以吃“粗粮”天然气、合成气等碳氢燃料。也正是因为这个特点,MCFC在分布式发电领域和小型固定式发电领域中有了更强的竞争力。目前,熔融碳酸盐燃料电池的单电池面积可以做到一平方米,单个电池堆可以做到300千瓦,系统的发电效率可达47%。

  熔融碳酸盐燃料电池2013年的装机容量总量超过90兆瓦,占燃料电池总装机容量的42.8%,是产量最大的燃料电池。MCFC的主要生产商是美国FuelCellEnergy公司,截至2015年2月,该公司的燃料电池发电量已经达到33.1亿千瓦时。MCFC是一种可靠地分布式发电系统,已有的应用领域包括大学、医院、工厂等。由于MCFC工作在高温下,MCFC启动时间较长,一般情况下MCFC发电系统会连续的发电,这样MCFC分布式发电系统的发电系统与已有的电网组成了两套电力供应管线,从而能够大大的提高医院等用户的电力安全系数。

  在固定电站领域,MCFC能够达到兆瓦级的发电站,目前韩国正在建设世界上最大的燃料电池电站,发电功率达到360兆瓦。虽然燃料电池固定电站的发电功率与已有的火力发电厂(可达1000兆瓦)相比有较大的差距,但事实上,燃料电池发电站与火电厂的之间并非竞争关系,而是对现代大型火电厂的补充。传统的火力发电厂的发电效率是随着装机容量和蒸汽参数的增大而增大,因而人们在不断的设计大容量高参数的发电站,而且火力发电站的发电效率是满负荷的时候最高。而对于燃料电池,发电效率不受容量的限制,而且在低负荷的工况下发电效率可以更高。从而,燃料电池弥补了传统火力发电站在变负荷、低容量时效率低的不足。值得一提的是,MCFC能够与煤气化(000968,股吧)系统相结合构建整体煤气化燃料电池发电系统(IGFC),能够实现煤炭的清洁高效发电,美国已建成2兆瓦的IGFC示范电站,在燃料电池固定式发电领域走在了前端。

  “小鲜肉”:固体氧化物燃料电池

  固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种基于陶瓷材料的全固态燃料电池,其工作温度较MCFC更高。SOFC的构型有三种:管式、平板式以及平板管式。管式电池由于易于密封,发展较快,西门子西屋公司于2000年时便建成了220千瓦发电系统,但是由于采用昂贵的CVD方法制备电池,在经济上划不来,后来西门子西屋公司便暂停了该项技术的投资。为了降低电池的制备成本,提高电池功率密度,平板式SOFC成为了后起之秀,目前技术最成熟的公司是美国BloomEnergy公司,推出了100千瓦和200千瓦产品,受到了易贝、谷歌、沃尔玛以及苹果公司的热捧。为了能够吸收管式和平板式的优点,日本京瓷公司开发了平板管式燃料电池,并开发出用于家庭热电联产的SOFC发电系统——ENE-FARM,发电功率为700瓦,综合能量效率可达80%,目前在日本的出货量已经达到5万台。

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