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從國家安全及戰(zhàn)略高度出發(fā)大力發(fā)展我國的燃料電池發(fā)電技術
從國家安全及戰(zhàn)略高度出發(fā)大力發(fā)展我國的燃料電池發(fā)電技術作者: 遼寧省電力有限公司 馮玉全(遼寧電力科學研究院 楊 穎) 收錄來源: （本文刊登在《中國能源》1999年11期）
【摘要】 本文根據科索沃戰(zhàn)爭及近年來世界上發(fā)生的幾次大停電事故給我們的啟示，指出以"大機組、大電網、高電壓"為模式的現代電力系統(tǒng)是非常脆弱的，在戰(zhàn)爭狀態(tài)下更是不堪一擊。并認為燃料電池將是21世紀電力行業(yè)的主力軍，從現在開始，"大機組、大電網、高電壓"的模式再也不能繼續(xù)發(fā)展下去了。本文還認為臺灣局勢對大陸電力系統(tǒng)安全運行提出了新的挑戰(zhàn)，掌握和發(fā)展燃料電池發(fā)電技術是事關國家安全和國民經濟可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。建議由國家科技部、國家發(fā)展委、國家經貿委牽頭，根據國家長遠發(fā)展需要出發(fā)，制訂規(guī)劃，組織有關高等院校、科研院所和國家電力公司、石油集團、石化集團及機械制造等工業(yè)部門參與研究開發(fā)，集中研究力量，加大經費投入，促進燃料電池發(fā)電技術的實用化、產業(yè)化。This paper point out that modern power system with 'large units, large network, high voltage'is very wick, especially in urgent situation as shown as KORSOV crisis and large scale power failures occurred recently. Fuel cell will be the main power form in 21th. To research and develop fuel cell is one of the most important issues for our state security and economic continuous development. Give the suggestion about how to organize relative university, scientific research institution, state Power Company, petroleum trades and manufacturing industries together to develop the technology of fuel cell.
1、科索沃戰(zhàn)爭及近年來美國西部大停電、馬來西亞全國性大停電、臺灣發(fā)生的三次大停電事故給我們的啟示 科索沃戰(zhàn)爭實際上以南聯盟的失敗而結束了，戰(zhàn)前人們預料的北約必須出動地面部隊才能結束戰(zhàn)斗、有可能又是一場越南戰(zhàn)爭的情況沒有出現，北約僅靠78天的空襲就迫使南聯盟屈服了。在這里我們必須充分注意到美國用石墨炸彈破壞南聯盟電力系統(tǒng)，從而破壞南聯盟國民經濟，造成南聯盟人民生活陷入極大困境在結束戰(zhàn)爭中所起的巨大作用。 電力工業(yè)屬技術資金密集型行業(yè)，電能生產、輸送、使用是在同一時間內完成的。現代電力系統(tǒng)的主要特征是"大機組、大電網、高電壓"，運行技術復雜、管理水平要求高。電網上任何一點的故障所產生的擾動都會以光的速度波及開來，嚴重的故障可能會引起大面積停電甚至全網崩潰，造成災難性的后果。今年7月29日23時30分，由于臺南縣關廟鄉(xiāng)附近山崩，壓倒臺電第326號高壓輸電線鐵塔，使得嘉義及臺南的兩條輸電線路跳閘所引發(fā)的臺灣全島大停電，至少造成上百億元新臺幣的損失，并導致島內民眾一片驚慌。1996年7月2日、8月10日在美國西部連續(xù)發(fā)生的大停電事故和1996年8月3日馬來西亞發(fā)生的全國性大停電事故，以及臺灣1995年5月24日、8月5日、1999年7月29日發(fā)生的三次大停電事故，損失慘重，教訓沉痛，給以大電網集中供電的現代社會敲響了警鐘�？扑魑謶�(zhàn)爭和上述大停電事故告訴我們：以"大機組、大電網、高電壓"為模式的現代電力系統(tǒng)是非常脆弱的，在戰(zhàn)爭狀態(tài)下更是不堪一擊！大電網大面積停電所造成的后果是災難性的！從現在開始，"大機組、大電網、高電壓"的模式再也不能繼續(xù)發(fā)展下去了！ 如何保證大電網的安全穩(wěn)定運行，如何保證電力的連續(xù)生產、穩(wěn)定供應成為下世紀電力工業(yè)面臨的重大課題。在這里我們要指出：分散電源供電系統(tǒng)-燃料電池發(fā)電廠由于其巨大的優(yōu)越性將成為21世紀電力行業(yè)的主力軍，掌握和發(fā)展燃料電池發(fā)電技術是事關國家安全和中華民族振興的重大問題；是事關我國國民經濟可持續(xù)發(fā)展和占領21世紀電力工業(yè)技術制高點的重大戰(zhàn)略課題。 2、燃料電池發(fā)電技術發(fā)展簡況 2.1 燃料電池的工作原理及特點 燃料電池（Fuel cell）是一種不經過燃燒直接以電化學反應方式將富氫燃料的化學能轉化為電能的發(fā)電裝置。其工作原理與一般的電池相似，基本上由電子導電的陰極和陽極及離子導電的電解質構成。在電極與電解質的界面上電荷載體由電子變?yōu)殡x子，在陽極（燃料電池的負極又稱燃料極）進行氧化反應，在陰極（燃料電池的正極又稱空氣極）進行還原反應，燃料擴散通過陽極時失去電子而產生電流。當外部不斷地輸送燃料和氧化劑時，燃料氧化所釋放的能量也就源源不斷地轉化為電能和熱能。 燃料電池被稱之為繼水電、火電和核電之后能持續(xù)產生電力的第四種連續(xù)發(fā)電方式，有著傳統(tǒng)的火力發(fā)電難以比擬的諸多技術上的優(yōu)點。 首先，燃料電池屬于能量直接轉換的裝置，效率很高。各種燃料發(fā)電的平均理論效率在90%以上，應用中因電解質的電阻以及陰陽極的化學反應阻力，實際效率也均在50%以上。如果進一步將化學反應中產生的熱能加以利用，燃料電池的總效率可達到80%以上。 其次，燃料電池的環(huán)境兼容性好。由于整個能量轉換過程中沒有燃燒，CO2的排放量比常規(guī)火電減少40-60%，SOX和NOX的排放量更低，比火電減少90%以上。同時，能量轉換的主要裝置無運動部件，因此噪音極小。據測試，在已建燃料電池電廠外9米處的噪音僅為60dB。 第三，設備可靠性高，對負荷的適應能力強，可以無人操作。燃料電池過載運行或欠載運行都能承受而效率基本不變，負荷變化時響應速度很快�？梢灾苯咏ㄔ诮K端用戶附近，沒有龐大的輸配電網絡，供電可靠性高。同時節(jié)約大量的輸配電設備費用并減少損耗。 第四，燃料來源廣、建設工期短、使用方便。由于是組件化設計，建廠時間很短（平均僅需2個月左右）。電廠不需大量冷水，占地面積極�。◣资椒矫准纯桑�，加上無污染無噪音，選址幾乎沒有任何限制�？捎脕戆l(fā)電的燃料種類眾多，甲醇、煤氣、沼氣、天然氣、含氫廢氣、輕油、柴油等均可。 從以上這些突出的特點可以看出，燃料電池是一種高效潔凈方便的發(fā)電裝置，非常適合作移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，尤其適宜應用于重要的政府與軍事等部門。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，其成本價格會迅速降低，民用市場的前景也將十分廣闊。 2.2 燃料電池的主要類型 燃料電池的種類不少，按使用的電解質不同分類，主要有磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）、固體氧氣物燃料電池（SOFC）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。 PAFC型燃料電池 磷酸燃料電池（PAFC）電解質采用磷酸H3PO4。磷酸化學穩(wěn)定性好且容易得到，利用磷酸的燃料電池工作溫度適中（200℃左右），容易實現大型化應用。 磷酸燃料電池（PAFC）是目前技術最成熟、應用最廣泛和商業(yè)化程度最高的燃料電池。 MCFC型燃料電池 熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）的電解質為碳酸鹽Li2CO3-K2CO3，以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，負荷電流密度150mA/cm2，單個電池電壓達到0.75-0.85V。工作溫度高至650℃左右，不需要低溫電池必須的鉑系催化劑，而且對燃料的純度要求相對較低，可以在電池內重整燃料。高工作溫度加速了化學反應速度，減少了極化損失，效率提高到55-58%，高溫度的排放氣體可用來進行熱電聯產或與汽輪機聯合循環(huán)，總效率更可達70%及更高。所以設備比PAFC型相對簡單，價格也有優(yōu)勢。 MCFC型燃料電池的商業(yè)化比PAFC型晚近10年，要解決的關鍵是壽命問題，即在高溫下液態(tài)電解質的腐蝕與滲漏問題。 SOFC型燃料電池 固體氧化物燃料電池（SOFC）使用高溫下成為氧離子導體的陶瓷（氧化鋯系等）為電解質，因此不會出現電解質的蒸發(fā)和析出，也沒有電解液引起的材料腐蝕和電極析出等問題。工作溫度900-1000℃，具有效率高（50-65%）、出力密度大、結構簡單、壽命長等優(yōu)點，可用于替代大型火電。缺點是必須有能適應高溫的材料和較高的制造技術。 PEMFC型燃料電池 質子交換膜燃料電池（PEMFC）也稱為固體聚合物（有機膜）電解質燃料電池，相對于其它幾種燃料電池發(fā)展較遲。工作溫度50-100℃，啟動快，固體有機膜的電解質不怕震動。實際應用效率可達80%以上，具有高比能量和比功率及低溫快速啟動等特點。 2.3 燃料電池技術的發(fā)展概況 1839年英國的W.Grove在實驗室里驗證了燃料電池的工作原理。但直到1939年蘇格蘭的F.T.Bacon才第一次用KOH水溶液制造出了燃料電池，工作溫度100℃，電池電壓0.89V，電流密度13mA/cm2。以后美國聯合技術公司（UTC）購買Bacon的專利，率先開發(fā)燃料電池技術，并于1984年成立國際燃料電池公司（IFC）。 燃料電池技術最初的應用開始于本世紀60年代的航天技術上。采用堿性電池AFC，但由于其應用條件較苛刻，必須使用純氫和純氧且微量的CO2即令電解質變質，隨后開發(fā)了磷酸型燃料電池PAFC。PAFC是目前技術最成熟商業(yè)化應用最廣泛的燃料電池，價格已降低至1500美圓/kW，美日歐等國投入運行的PAFC型電站已超過百座，最大容量者為東京電力公司的五井電廠（11MW）。 PAFC的缺點是它需要貴重金屬鉑做催化劑，還需要外部的燃料處理器來重整燃料以提高含氫量，降低了電池的效率并增加了費用和占地。因此，七十年代末開始開發(fā)被稱為第二代燃料電池的熔融碳酸鹽電池（MCFC）。MCFC工作于高溫600-700℃下，燃料的重整在內部進行從而提高了效率降低了成本，可用于大規(guī)模發(fā)電。目前有2MW級驗證電站于1996年開始在美國Santa Clara運行，其建設周期僅2月，占地400m2，距廠房9米處噪音低于60分貝，發(fā)電效率53.7%，燃料使用天然氣和液化氣，單位造價1700美圓/kW。 固體電解質型燃料電池SOFC被列為第三代燃料電池。具有高效率壽命長的優(yōu)點，目前正進行kW級的試驗工作。 質子交換膜燃料電池（PEMFC）是近幾年研究最廣泛、技術發(fā)展最為迅速的燃料電池。由于電解質采用高分子膜，具有構造簡單、啟動快、常溫工作的優(yōu)勢，最適宜為汽車等交通工具提供無污染的動力。加拿大Ballard公司在1994年研制出可載75人的PEMFC型電動客車，連續(xù)行駛里程超過400公里。 目前，世界上幾乎所有的經濟發(fā)達國家都在投巨資研究開發(fā)燃料電池發(fā)電技術。美國政府及眾多企業(yè)每年投資達數億美圓，以UTC及其派生出的IFC技術最為先進，IFC和日本東芝公司于1990年成立的ONSI公司生產的PC-25型設備應用最廣，產品遍布美日歐。日本的富士電機、東芝公司、三菱電機等公司在政府支持下，自六十年代開始，繼美國之后大力研發(fā)燃料電池技術，運行中的電站僅PAFC型即超過100座，裝機30MW以上。歐洲各國，加拿大，韓國等國家由政府和企業(yè)界合作，也在燃料電池研究與應用上取得諸多進展。 我國在60年代就開始了多種燃料電池的實驗室研究，70年代曾投入大量人力物力研究燃料電池用于空間技術，此后研究工作有很長時期的停頓。最近幾年，科學界和企業(yè)界的一些有識之士開始重新將目光投向燃料電池技術，尤其在PEMFC技術方面已取得了較大的進展。但由于剛剛起步，國家和企業(yè)投入資金極為有限（僅為千萬元人民幣級），且研究力量分散各處，難以取得突破性進展，尤其是難以將取得的成果進行實際應用試驗。 2.4 燃料電池發(fā)電方式與火力發(fā)電方式的技術經濟比較 燃料電池發(fā)電的高效率、無污染、低噪音性能符合未來工業(yè)的發(fā)展趨勢，其簡單的運行方式和優(yōu)越的運行穩(wěn)定性是火力發(fā)電難以比擬的，多種燃料種類和方便來源使燃料電池不存在應用上的障礙。 燃料電池是分散電源，可以直接建在終端用戶。沒有龐大的輸配電網絡，不存在網絡故障引起的供電中斷，供電可靠性大大提高了。燃料電池故障只影響局部用戶，沒有現代電力系統(tǒng)大面積停電的危險。 從目前看，國外已運行的燃料電池電站的價格大約為1500美圓/kW，考慮燃料電池的環(huán)保效益，已具備與火電競爭的資格。燃料電池建設周期短，占地極小，就近負荷安裝，節(jié)約建設費用、運行費用和維護費用的同時，節(jié)約了輸配電網絡建設費用并減少線損。而在傳統(tǒng)火力發(fā)電時，由于電站基本上都遠離負荷中心，往往需要投入相當于發(fā)電設備造價1-2倍的網絡建設費用來配套。網絡的安全與穩(wěn)定運行更是時刻困擾大電網的問題之一。 3、從國家安全及戰(zhàn)略高度出發(fā)認識發(fā)展我國燃料電池發(fā)電技術的重大意義 3.1 臺灣問題給我國電網安全運行提出新的挑戰(zhàn) 自李登輝提出"兩國論"以來，兩岸關系驟然緊張。李登輝提出"兩國論"是對大陸反應的一種試探，其目的是為臺灣走向獨立制造輿論。從李登輝上臺以來的種種表現看，其否定一個中國的原則蓄謀已久，其最終目標是分裂祖國實現臺灣獨立。這種局面的出現毫無疑問會導致海峽兩岸發(fā)生一場戰(zhàn)爭，而這一戰(zhàn)爭將引發(fā)更大范圍的戰(zhàn)爭。也就是說，由于美國長期介入臺灣問題，和臺灣有著廣泛而密切的聯系，并且美國明確表示反對中國政府用武力解決臺灣問題。所以一旦兩岸發(fā)生戰(zhàn)爭，可以肯定美國將站在李登輝一邊，陳兵海峽直接和中國政府進行軍事對抗。最近，競選美國下屆總統(tǒng)的小喬治.布什就聲稱將用武力保護臺灣的安全。在此情況下，我國不僅僅是面對臺灣李登輝的軍隊，更大程度上是面對美國的強權勢力，美國在科索沃戰(zhàn)爭中使用的石墨炸彈完全可能會投向中國大陸的電力系統(tǒng)。由于大陸電網覆蓋區(qū)域廣、人口多，戰(zhàn)爭破壞造成的大停電所帶來的災難性后果將更為嚴重，對此我們必須有高度清醒的認識，萬萬不可掉以輕心。作為國民經濟基礎的電力工業(yè)，如何保證電能的連續(xù)生產穩(wěn)定供應？如何避免電網崩潰所帶來的災難性后果？已現實地擺在我們國家面前。我們必須制定相應的措施，未雨綢繆，防患于未然。很明顯，燃料電池作為分散電源供電系統(tǒng)，在戰(zhàn)爭狀態(tài)下的可靠性是任何其他系統(tǒng)所無法比擬的。因此加快發(fā)展我國的燃料電池發(fā)電技術，對保障國家安全，抵御外敵入侵，促進國民經濟健康發(fā)展將起到不可估量的作用。 3.2 加快發(fā)展我國的燃料電池發(fā)電技術，占領21世紀電力工業(yè)技術制高點，是我國國民經濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要 由于燃料電池具有能量轉換效率高，污染極小，用水少、占地小等突出優(yōu)點，在發(fā)達國家已受到政府和企業(yè)的高度重視，并成為十分活躍的重要研究領域。美國政府1995年就把燃料電池列為影響美國國家安全和經濟繁榮的27個關鍵技術領域之一，美國時代周刊1995年將燃料電池電動車列為21世紀十大高新技術之首。美、加、日、歐都在投入巨資開發(fā)燃料電池，已在國防工業(yè)和民用工業(yè)等方面取得較大進展。美、加、歐已將燃料電池應用于第三代潛艇，美國有數萬臺燃料電池發(fā)電站應用于賓館、醫(yī)院及居民小區(qū)，日本已建成11MW燃料電池發(fā)電廠。 21世紀將是氫能的世紀，燃料電池作為把氫能直接轉化為電能的潔凈發(fā)電裝置即將大規(guī)模全面進入社會，從軍用到民用，從潛艇汽車動力、衛(wèi)星飛船電源到城市區(qū)域供電，其開發(fā)應用前景十分廣闊，市場潛力巨大。美國預計：到2017年30%的電能將由燃料電池提供。我國是一個發(fā)展中國家，能源作為基礎工業(yè)在國民經濟中的地位十分重要，加強燃料電池的研究開發(fā)并形成新的經濟增長點，意義重大，尤其是關系到我國加入WTO后未來整個能源行業(yè)的發(fā)展。 我國政府已認識到燃料電池的重要性，但是，組織開發(fā)的力度還遠遠不夠。與國外相比，我國的燃料電池研究水平還較低，總的來說仍處于科研階段，離實用化商業(yè)化應用還有較大距離。迄今為止，還沒有燃料電池發(fā)電站的應用實例，這和我國這樣一個大國的地位很不相稱。其主要原因在于：研究力量分散，經費投入少，沒有產業(yè)界的參與。盡管國家科技部也將燃料電池技術列為"九五"攻關項 從國家安全及戰(zhàn)略高度出發(fā)大力發(fā)展我國的燃料電池發(fā)電技術目，但經費較少，年度經費僅為百萬元級，與發(fā)達國家數億美元的投入相比微不足道。承擔研究任務的也只是中科院等少數科研院所，沒有企業(yè)的介入，很難形成產業(yè)化的趨勢。而美、加、歐、日則有數十家專門研究開發(fā)、生產制造燃料電池的公司，如加拿大的Ballard公司，其資產已達10億美元。 從國家安全和國民經濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要出發(fā)，我國必須大力發(fā)展軍民兩用燃料電池發(fā)電技術。為了促進燃料電池發(fā)電技術的實用化商業(yè)化研究開發(fā)，建議由國家科技部、國家發(fā)展委、國家經貿委牽頭，根據國家長遠發(fā)展需要出發(fā)，制訂規(guī)劃，組織有關高等院校、科研院所和國家電力公司、石油集團、石化集團及機械制造等工業(yè)部門參與研究開發(fā)。集中研究力量，加大經費投入。除國家加大研究經費投入力度外，各大電力、電氣、汽車、石油、石化等企業(yè)也應投入大量人力、物力、財力從事燃料電池發(fā)電技術的研究開發(fā)和應用工作。比如國家電力公司系統(tǒng)，1998-2000年城鄉(xiāng)電網改造總費用達3000億元，可否從中拿出10億元用于燃料電池發(fā)電技術的研究開發(fā)和應用工作？ 下世紀頭十年，將是燃料電池發(fā)電技術商品化、產業(yè)化的重要階段，其技術實用性、生產成本都將取得重大突破。分散電源供電系統(tǒng)-燃料電池發(fā)電廠必將在21世紀內取代以"大機組、大電網、高電壓"為主要特征的現代電力系統(tǒng)，成為電力行業(yè)的主力軍。而燃料電池的普遍推廣應用，必將在能源及相關領域引發(fā)一場深刻的革命，促進新興產業(yè)的形成，帶動國民經濟高速發(fā)展。對能源領域的這場革命，政府、企業(yè)、科研院所、高等院校都必須給予足夠的認識和重視，準確把握它所帶給我們的機遇和未來。針對電力工業(yè)，我們不應過分強調發(fā)展更高的電壓等級、更大的單機容量以及大區(qū)電網互聯等。適當控制單機容量、電壓等級、電網規(guī)模的發(fā)展，而應將有限的人力、物力、財力投入到燃料電池發(fā)電技術的研究開發(fā)和應用上來，使之早日實用化產業(yè)化，為國家安全和國民經濟可持續(xù)發(fā)展服務。 參考文獻 1 衣寶廉. 燃料電池現狀與未來.電源技術,1998;22(5):216 2 陸天虹 孫公權. 我國燃料電池發(fā)展概況. 電源技術,1998;22(4):182 3 鄭重德等. 質子交換膜燃料電池研究進展.電源技術,1998;22(3):133 4 陸虎瑜. 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