电力安全|从国家安全及战略高度出发大力发展我国的燃料电池发电技术

安防之家讯：【摘要】本文根据科索沃战争及近年来世界上发生的几次大停电事故给我们的启示，指出以"大机组、大电网、高电压"为模式的现代电力系统是非常脆弱的，在战争状态下更是不堪一击。并认为燃料电池将是21世纪电力行业的主力军，从现在开始，"大机组、大电网、高电压"的模式再也不能继续发展下去了。本文还认为台湾局势对大陆电力系统安全运行提出了新的挑战，把握和发展燃料电池发电技术是事关国家安全和国民经济可持续发展的重大战略科技部、国家发展委、国家经贸委牵头，根据国家长远发展需要出发，制订规划，组织有关高等院校、科研院所和国家电力公司、石油集团、石化集团及机械制造等工业部门参与研究开发，集中研究力量，加大经费投入，促进燃料电池发电技术的实用化、产业化。Thispaperpointoutthatmodernpowersystemwith''largeunits,largenetwork,highvoltage''isverywick,especiallyinurgentsituationasshownasKORSOVcrisisandlargescalepowerfailuresoccurredrecently.Fuelcellwillbethemainpowerformin21th.Toresearchanddevelopfuelcellisoneofthemostimportantissuesforourstatesecurityandeconomiccontinuousdevelopment.Givethesuggestionabouthowtoorganizerelativeuniversity,scientificresearchinstitution,statePowerCompany,petroleumtradesandmanufacturingindustriestogethertodevelopthetechnologyoffuelcell.1、科索沃战争及近年来美国西部大停电、马来西亚全国性大停电、台湾发生的三次大停电事故给我们的启示科索沃战争实际上以南联盟的失败而结束了，战前人们预料的北约必须出动地面部队才能结束战斗、有可能又是一场越南战争的情况没有出现，北约仅靠78天的空袭就迫使南联盟屈服了。在这里我们必须充分注重到美国用石墨炸弹破坏南联盟电力系统，从而破坏南联盟国民经济，造成南联盟人民生活陷入极大困境在结束战争中所起的巨大作用。电力工业属技术资金密集型行业，电能生产、输送、使用是在同一时间内完成的。现代电力系统的主要特征是"大机组、大电网、高电压"，运行技术复杂、治理水平要求高。电网上任何一点的故障所产生的扰动都会以光的速度波及开来，严重的故障可能会引起大面积停电甚至全网崩溃，造成灾难性的后果。今年7月29日23时30分，由于台南县关庙乡四周山崩，压倒台电第326号高压输电线铁塔，使得嘉义及台南的两条输电线路跳闸所引发的台湾全岛大停电，至少造成上百亿元新台币的损失，并导致岛内民众一片惊慌。1996年7月2日、8月10日在美国西部连续发生的大停电事故和1996年8月3日马来西亚发生的全国性大停电事故，以及台湾1995年5月24日、8月5日、1999年7月29日发生的三次大停电事故，损失惨重，教训沉痛，给以大电网集中供电的现代社会敲响了警钟。科索沃战争和上述大停电事故告诉我们：以"大机组、大电网、高电压"为模式的现代电力系统是非常脆弱的，在战争状态下更是不堪一击！大电网大面积停电所造成的后果是灾难性的！从现在开始，"大机组、大电网、高电压"的模式再也不能继续发展下去了！如何保证大电网的安全稳定运行，如何保证电力的连续生产、稳定供给成为下世纪电力工业面临的重大课题。在这里我们要指出：分散电源供电系统-燃料电池发电厂由于其巨大的优越性将成为21世纪电力行业的主力军，把握和发展燃料电池发电技术是事关国家安全和中华民族振兴的重大问题；是事关我国国民经济可持续发展和占领21世纪电力工业技术制高点的重大战略课题。2、燃料电池发电技术发展简况2.1燃料电池的工作原理及特点燃料电池（Fuelcell）是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。其工作原理与一般的电池相似，基本上由电子导电的阴极和阳极及离子导电的电解质构成。在电极与电解质的界面上电荷载体由电子变为离子，在阳极（燃料电池的负极又称燃料极）进行氧化反应，在阴极（燃料电池的正极又称空气极）进行还原反应，燃料扩散通过阳极时失去电子而产生电流。当外部不断地输送燃料和氧化剂时，燃料氧化所释放的能量也就源源不断地转化为电能和热能。燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，有着传统的火力发电难以比拟的诸多技术上的优点。首先，燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。各种燃料发电的平均理论效率在90以上，目前技术最成熟、应用最广泛和商业化程度最高的燃料电池。MCFC型燃料电池熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）的电解质为碳酸盐Li2CO3-K2CO3，以氢气为燃料，氧气为氧化剂，负荷电流密度150mA/cm2，单个电池电压达到0.75-0.85V。工作温度高至650℃左右，不需要低温电池必须的铂系催化剂，而且对燃料的纯度要求相对较低，可以在电池内重整燃料。高工作温度加速了化学反应速度，减少了极化损失，效率提高到55-58，高温度的排放气体可用来进行热电联产或与汽轮机联合循环，总效率更可达70及更高。所以设备比PAFC型相对简单，价格也有优势。MCFC型燃料电池的商业化比PAFC型晚近10年，要解决的要害是寿命问题，即在高温下液态电解质的腐蚀与渗漏问题。SOFC型燃料电池固体氧化物燃料电池（SOFC）使用高温下成为氧离子导体的陶瓷（氧化锆系等）为电解质，因此不会出现电解质的蒸发和析出，也没有电解液引起的材料腐蚀和电极析出等问题。工作温度900-1000℃，具有效率高（50-65）、出力密度大、结构简单、寿命长等优点，可用于替代大型火电。缺点是必须有能适应高温的材料和较高的制造技术。PEMFC型燃料电池质子交换膜燃料电池（PEMFC）也称为固体聚合物（有机膜）电解质燃料电池，相对于其它几种燃料电池发展较迟。工作温度50-100℃，启动快，固体有机膜的电解质不怕震动。实际应用效率可达80以上，具有高比能量和比功率及低温快速启动等特点。2.3燃料电池技术的发展概况1839年英国的W.Grove在实验室里验证了燃料电池的工作原理。但直到1939年苏格兰的F.T.Bacon才第一次用KOH水溶液制造出了燃料电池，工作温度100℃，电池电压0.89V，电流密度13mA/cm2。以后美国联合技术公司（UTC）购买Bacon的专利，率先开发燃料电池技术，并于1984年成立国际燃料电池公司（IFC）。燃料电池技术最初的应用开始于本世纪60年代的航天技术上。采用碱性电池AFC，但由于其应用条件较苛刻，必须使用纯氢和纯氧且微量的CO2即令电解质变质，随后开发了磷酸型燃料电池PAFC。PAFC是目前技术最成熟商业化应用最广泛的燃料电池，价格已降低至1500美圆/kW，美日欧等国投入运行的PAFC型电站已超过百座，最大容量者为东京电力公司的五井电厂（11MW）。PAFC的缺点是它需要珍贵金属铂做催化剂，还需要外部的燃料处理器来重整燃料以提高含氢量，降低了电池的效率并增加了费用和占地。因此，七十年代末开始开发被称为第二代燃料电池的熔融碳酸盐电池（MCFC）。MCFC工作于高温600-700℃下，燃料的重整在内部进行从而提高了效率降低了成本，可用于大规模发电。目前有2MW级验证电站于1996年开始在美国SantaClara运行，其建设周期仅2月，占地400m2，距厂房9米处噪音低于60分贝，发电效率53.7，燃料使用天然气和液化气，单位造价1700美圆/kW。固体电解质型燃料电池SOFC被列为第三代燃料电池。具有高效率寿命长的优点，目前正进行kW级的试验工作。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是近几年研究最广泛、技术发展最为迅速的燃料电池。由于电解质采用高分子膜，具有构造简单、启动快、常温工作的优势，最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力。加拿大Ballard公司在1994年研制出可载75人的PEMFC型电动客车，连续行驶里程超过400公里。目前，世界上几乎所有的经济发达国家都在投巨资研究开发燃料电池发电技术。美国政府及众多企业每年投资达数亿美圆，以UTC及其派生出的IFC技术最为先进，IFC和日本东芝公司于1990年成立的ONSI公司生产的PC-25型设备应用最广，产品遍布美日欧。日本的富士电机、东芝公司、三菱电机等公司在政府支持下，自六十年代开始，继美国之后大力研发燃料电池技术，运行中的电站仅PAFC型即超过100座，装机30MW以上。欧洲各国，加拿大，韩国等国家由政府和企业界合作，也在燃料电池研究与应用上取得诸多进展。我国在60年代就开始了多种燃料电池的实验室研究，70年代曾投入大量人力物力研究燃料电池用于空间技术，此后研究工作有很长时期的停顿。最近几年，科学界和企业界的一些有识之士开始重新将目光投向燃料电池技术，尤其在PEMFC技术方面已取得了较大的进展。但由于刚刚起步，国家和企业投入资金极为有限（仅为千万元人民币级），且研究力量分散各处，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的成果进行实际应用试验。2.4燃料电池发电方式与火力发电方式的技术经济比较燃料电池发电的高效率、无污染、低噪音性能符合未来工业的发展趋势，其简单的运行方式和优越的运行稳定性是火力发电难以比拟的，多种燃料种类和方便来源使燃料电池不存在应用上的障碍。燃料电池是分散电源，可以直接建在终端用户。没有庞大的输配电网络，不存在网络故障引起的供电中断，供电可靠性大大提高了。燃料电池故障只影响局部用户，没有现代电力系统大面积停电的危险。从目前看，国外已运行的燃料电池电站的价格大约为1500美圆/kW，考虑燃料电池的环保效益，已具备与火电竞争的资格。燃料电池建设周期短，占地极小，就近负荷安装，节约建设费用、运行费用和维护费用的同时，节约了输配电网络建设费用并减少线损。而在传统火力发电时，由于电站基本上都远离负荷中心，往往需要投入相当于发电设备造价1-2倍的网络建设费用来配套。网络的安全与稳定运行更是时刻困扰大电网的研究领域。美国政府1995年就把燃料电池列为时代周刊1995年将燃料电池电动车列为21世纪十大高新技术之首。美、加、日、欧都在投入巨资开发燃料电池，已在国防工业和民用工业等方面取得较大进展。美、加、欧已将燃料电池科技部也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，但经费较少，年度经费仅为百万元级，与发达国家数亿美元的投入相比微不足道。承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，没有企业的介入，很难形成产业化的趋势。而美、加、欧、日则有数十家专门研究开发、生产制造燃料电池的公司，如加拿大的Ballard公司，其资产已达10亿美元。从国家安全和国民经济可持续发展的战略需要出发，我国必须大力发展军民两用燃料电池发电技术。为了促进燃料电池发电技术的实用化商业化研究开发，建议由国家科技部、国家发展委、国家经贸委牵头，根据国家长远发展需要出发，制订规划，组织有关高等院校、科研院所和国家电力公司、石油集团、石化集团及机械制造等工业部门参与研究开发。集中研究力量，加大经费投入。除国家加大研究经费投入力度外，各大电力、电气、汽车、石油、石化等企业也应投入大量人力、物力、财力从事燃料电池发电技术的研究开发和应用工作。比如国家电力公司系统，1998-2000年城乡电网改造总费用达3000亿元，可否从中拿出10亿元用于燃料电池发电技术的研究开发和应用工作？下世纪头十年，将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本都将取得重大突破。分散电源供电系统-燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以"大机组、大电网、高电压"为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。对能源领域的这场革命，政府、企业、科研院所、高等院校都必须给予足够的熟悉和重视，准确把握它所带给我们的机遇和未来。针对电力工业，我们不应过分强调发展更高的电压等级、更大的单机容量以及大区电网互联等。适当控制单机容量、电压等级、电网规模的发展，而应将有限的人力、物力、财力投入到燃料电池发电技术的研究开发和应用上来，使之早日实用化产业化，为国家安全和国民经济可持续发展服务。参考文献1衣宝廉.燃料电池现状与未来.电源技术,1998;22(5):2162陆天虹孙公权.我国燃料电池发展概况.电源技术,1998;22(4):1823郑重德等.质子交换膜燃料电池研究进展.电源技术,1998;22(3):1334陆虎瑜.质子交换膜燃料电池系统开发及应用进展.电工电能新技术,1999年第2期5徐洪峰.质子交换膜燃料电池数学模型评述.电源技术,1999;23(1):336衣宝廉等.千瓦级质子交换膜燃料电池.电源技术,1999;23(2):1207赖坚.值得高度重视的新型产业-燃料电池.中国能源,1998,38张强,李彦鹏,许晋源.利用煤层气资源开发燃料电池的探讨.新能源,1998,20(8).35-399日本燃料电池的开发和应用.新能源,1998,20(11).40-4410毛宗强.质子交换膜燃料电池(PEMFC)最新进展.新能源,1999,21(1).7-1011刘世友李京萍.燃料电池的开发与展望.新能源,1999,21(2).39-4112王梅义.有感于美国西部电网大停电.电网技术,1996,20(9).P4313郭剑波.1996年8月3日马来西亚全国大停电.电网技术,1996,20(10).P614台湾全岛发生重大停电事故.中国电力报,1999年8月8日15台湾全岛大停电.辽宁日报,1999年8月3日16燃料电池光照未来产业路.科学时报,1999年6月17日17各国燃料电池发电现状.中电波尔信息系统集成有限公司.1998年3月18Leoj.M.J.Blomen,etal.FuelCellSystem.PlenumPublishingCorporation,199319Beek.N.R,HammerliM.TheCanadianFuelCellR&DProgram.In:FuelCellSeminar,Part3,Oriando,USA,199620Cameron.D.S.TheFifthGroveFuelCellSymposium.PlatinummetalRev,1997;21:8021David.P.W,Alfred.E.S.GeneralProgressinTheResearchOfSolidPolymerFuelCellTechnologyAtBallard.In:Proceeding2ndIntSympOnNewMaterialsForFuelCellAndModernBatterySystems,Montreal,Canada:July6-10,1997:2722BallardPowerSystemsInc.AnnualReport,1997安防之家专注于各种家居的安防,监控,防盗,安防监控,安防器材,安防设备的新闻资讯和O2O电商导购服务，敬请登陆安防之家：http://anfang.jc68.com/