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燃料电池及其发电系统的发展及研究现状
燃料电池及其发电系统的发展及研究现状
1.3.1燃料电池的发展过程
燃料电池发展大致经历四个阶段：
(1)空间时代
1839年，英国科学家William Grove首先发明了第一个燃料电池[5]。约100年后，Bacon采用多孔气体扩散电极制备了培根型碱性燃料电池。20世纪60年代，碱性燃料电池首次应用在美国航空航天管理局的阿波罗登月飞船上作为辅助电源，自此以后对燃料电池的研究进入了快速发展的阶段。
(2)能源时代
20世纪70年代，在全球能源危机的刺激下，为了提高能源的利用率，研究重点从航天转向地面发电装置，在这一时期磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池以及固体氧化物燃料电池作为电站或分布式电站相继问世，掀起了燃料电池开发与研究的新高潮。其后，随着能源危机的缓解，燃料电池的研究也随之冷淡下来。
(3)环境时代
20世纪80年代末期，环境污染问题越来越严重。因此如何提高能源利用率，减少环境污染，引起世界各国的重视。1987年美国公布来自发电站和交通运输方面的废气几乎相等，使得各国政府及科学家对燃料电池的研究重新重视起来，促进了燃料电池的开发。
(4)动力时代
1993年，加拿大的Ballard电力公司展示了一辆零排放、最高时速为72 km/h，以质子交换膜燃料电池为动力的公交车[6]，引发了全球性燃料电池电动车的研究开发热潮。许多国家投入了大量人力、财力开展以PEMFC为动力电源的电动车、舰船、潜艇、水下机器人等的研究与开发工作。这些年来，由于直接醇类燃料电池的结构简单，燃料储存携带方便等特点，在移动电源、微型电源以及传感器件等方面具有广泛的应用前景，成为研究与开发的新的热点之一。
目前，五类燃料电池各自处在不同的发展阶段。AFC是最成熟的燃料电池技术，其应用领域主要在空间技术方面。在欧洲，AFC在陆地上的应用也没有间断。PAFC实验电厂的功率达到1-11MW，50-250kW的工作电站己进入商业化阶段，但成本较高。PEMFC在90年代发展很快，特别是作为便携式电源和机动车电源，但由于其成本太高，还无法与传统电源竞争。MCFC和SOFC被认为是最适合联合发电的燃料电池。MCFC实验电厂的功率达到MW级，几十至250kW的工作电站已接近商业化。SOFC的研究开发虽然目前仍处于起步阶段，功率也较小，但是由于其发展适应了分布式电厂的发展需要，被称为第三代燃料电池，这意味着SOFC将随着PAFC和MCFC之后进入能源市场。
1.3.2燃料电池的研究状况
目前全球有1000多家公司从事燃料电池的研发和经营业务。至2003年初，全世界己设计和运行了3800多个燃料电池系统，2001年的增长率达到58%[7]。从世界燃料电池迅速发展的势头来看，本世纪头10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、生产成本等将取得重大突破，因此燃料电池得到了各国政府的普遍重视。现在燃料电池先进技术主要集中在美国、日本和欧洲等国家和地区。
(1)美国燃料电池发展状况
美国前总统克林顿在1997年颁布了“改善气候行动计划”，其中燃料电池被确定为一项关键技术，联邦政府还制定了“美国联邦燃料电池发展计划”，旨在通过燃料电池的商业化来减少温室气体的排放，改善日益恶化的环境。2002年4月，美国启动了“Freedom Car”计划，支持开发低成本、适合大规模生产的质子交换膜燃料电池电动车，支持建设国家氢能基础设施和降低石油消耗和减少环境污染的能源研究机构[8]。
2003年2月，美国政府启动了为期10年经费为10亿美元的“Future Gen”计划；2003年6月修订能源法案，为氢能和燃料电池研究项目上提供约30亿美元的资助；2003年11月在美国召开十五国和欧盟部长级会议，签署了具有历史意义的旨在促进全球氢能经济的合作框架，参加国必须承诺：在燃料电池方面有持续的高投入，我国也参与了该计划。
(2)日本燃料电池发展状况
日本是能源进口大国，日本政府十分重视高效、低污染的新能源的开发。因此日本政府制定了长期的能源开发政策，如“月光工程计划”和“新阳光工程计划”。
2002年日本联合几大汽车厂商启动了为期三年的JHFC示范性项目，以期对氢能基础设施、燃料电池车等进行全面的测试和评估。微型燃料电池是日本电子公司的重要研究方向，日本政府于2003年制定了微型燃料电池的研究计划，而主要用于小型发电厂的SOFC则是日本燃料电池发展的另一个重要方向。
(3)欧盟及欧洲部分国家的燃料电池发展状况
欧盟在20世纪70年代中期开始了燃料电池技术的研究开发，于1985年将研究燃料电池技术纳入4年制发展计划中。欧盟在第2、3、4、5研发框架中指出，从2003年起，在三年内投资2.5-3亿欧元，用于欧洲综合氢能开发及燃料电池汽车的研究。加拿大在研发质子交换膜燃料电池技术方面处于世界领先地位，该国的巴拉德((Ballard)公司在研发质子交换膜燃料电池的领域中居于世界最高水平。该国的燃料电池技术正从基础研究阶段转入实际应用阶段。
德国每年用于氢能开发的经费较多，主要来自于德国政府和各地方政府。2001至2003年间，德国政府投入的经费总共约为6500万马克，其中包括小型电站、大型电站、燃料电池电动车和燃料电池示范装置。目前欧洲的燃料电池系统有75%产于德国，大多数用于便携式电源和居民区供电。
意大利在1979年开始了对燃料电池技术及其应用系统的研究和开发，并于80年代末开始研究固体聚合物燃料电池技术。意大利于1998年建立CORIVAMIA科研联合体，专门从事燃料电池汽车和甲醇车的研究开发工作，旨在通过合作研究降低燃料电池生产成本。
(4)我国燃料电池的发展状况
我国对燃料电池的研究开发工作也很重视，国家科技部将其列为国家“九五”、“十五”和“863”攻关计划，并取得了一定的研究成果。我国燃料电池研究与开发的方向主要围绕PEMFC和SOFC两个方向进行，其中国家已将PEMFC列为重点攻关项目，并组装了多台功率在1-25kW范围内的电池组和电池系统。我国以质子交换膜燃料电池为动力的公交汽车和小车的样车于2002年分别在北京、上海试车成功，各项技术指标取得重大突破[9]。
中科院上海硅酸盐所于1971年就开始对SOFC进行研究，主要研究了电极及电解质材料的制备方法，后来因为课题调整，研究工作暂停。但对ZrO2电解质的研究工作一直延续下来并在ZrO2 薄膜的制造方法方面取得一定成果。90年代以来对SOFC的其它相关材料及单体SOFC结构和性能进行了全面的深入研究，1998年底已完成两个单体电池串联的平板型(面积40mm×40mm)SOFC电池堆的组装和运行。达到开路电压2. 25 V、功率密度0.1 W/cm2、工作数10h性能相当稳定的水平。表明已基本掌握了SOFC电池堆的关键技术。目前，上海硅酸盐所已成为国家“九五”重大科技攻关中SOFC 课题的主要承担单位[10]。
中科院大连化物所于90年代初开始SOFC研究工作，现已制出平板式SOFC单电池，功率密度达0.1W/ cm2，正在进行薄膜YSZ(10～20μm)制备工艺的开发[11]。
中科院化学冶金所1995年引进俄罗斯20～30W块状叠层状SOFC电池组，进行了评价及寿命试验。在消化吸收国外各种SOFC结构的优点的基础上自行设计新型SOFC结构并开展了制造工艺的研究[12]。
清华大学、吉林大学和华南理工大学分别开展了管状SOFC单体电池的研究。中国科技大学开展了新型低温固体电解质用于SOFC 的研究[13]。
1.3.3 SOFC复合发电系统的研究现状
目前对固体氧化物燃料电池的研究工作主要集中在概念、原理及材料制备等问题。但国内外的许多研究工作者也已经将研究目光投向了固体氧化物燃料电池发电系统的性能研究上。
1997年，美国的Kirill V.Lobachyov和Horst J. Richter对以煤为燃料的SOFC发电系统进行了研究，不再用阴极余热来提供煤气化所需的热量，而是利用未氧化的燃料再燃来供热。结果表明这种SOFC发电系统的效率可达63％，几乎是现代燃煤电厂的1. 5倍，证明了SOFC发电系统是一种很有前途的发电技术[14]。
通常，在SOFC发电系统中，使用阳极气体再循环可以防止在直接内部重整的SOFC电池中形成碳沉积现象。但因为再循环气体中的氢气含量少，所以会使普通电池堆的能斯特电压下降。因此，英国Richard Fellows[15]在1998年提出将阳极排气分为两股：一股氢气耗损较多的直接到燃烧室，而另一股氢气耗损相对较少的气体再循环到电池的入口，这样即可得到较高的能斯特电压。另外，德国的Ernst Riensche等对一个以天然气为燃料的200kW分散SOFC发电厂进行了能量和经济分析，并以投资最少和电厂效率最高为优化目标，从结构和参数两方面对系统进行了优化。参数的优化[16]主要偏重于优化电池堆中空气的温升，内部重整的程度，电池的工作电压和燃料利用率等参数。
K. Tanaka, C. Wen及K. Yamada[17]从SOFC发电系统的发电效率、能源回收时间和投资回收时间等角度研究了SOFC与燃气轮机(GT)组成的联合循环发电系统的性能。计算显示：SOFC与GT组成的联合循环发电系统的发电效率要远高于传统的发电方式。新加坡S. H. Chan, H. K. Ho和Y.Tian于2002年对一个简单的、以天然气为燃料的SOFC与GT组成的联合发电系统进行了详细的计算研究。在文中的设计中，系统的发电效率超过60%，能量利用率高于80%。通过对运行压力、燃料流动率等参数对整个系统性能影响的分析，得到增大工作压力可以提高整个系统的效率，而增大燃料流动率则会使系统的效率下降的结论[18]。S. H. Chan还对分别以纯氢气和甲烷为燃料的SOFC发电系进行了比较研究[19]。研究建立在热力学第一定律和第二定律的基础上，重点在于得到更为详细的SOFC模型，以便为用于不同设计的SOFC模型提供几何规范、相关性质的参数和运行条件等方面的资料。
2003年，日本丰桥技术大学的Y. Inui ,S.Yanagisawa和T.Ishida研究了一种以化石燃料为原料的带CO2液化分离装置的SOFC与14HD闭式循环的燃气轮机循环组成的联合发电系统[20]。澳大利亚的Prapan Kuchontharav[21]则在研究中将商业过程模拟工具Aspen Plus引入到SOFC与GT联合发电系统的研究中。通过比较SOFC-GT发电系统在热、蒸汽利用(HSR)和单热回收利用的性能，得到蒸汽回收利用(SR)对联合循环系统效率的影响。汽轮机入口温度较低时，随着汽轮机入口温度的提高，有HSR的系统全厂效率会提高，但随着压力比的降低而增加。另一方面，在提高汽轮机入口温度时，变化趋势正好相反。研究表明：蒸汽回收系统的使用可以提高系统效率和增加系统的绝对发电量。
中科院工程热物理所的王逊博士对固体氧化物燃料电池发电系统进行了系统的研究[22,23]。王逊博士将化学链式燃烧理论加入到固体氧化物燃料电池发电系统中。化学链式燃烧器由还原器和氧化器组成。由于采用了化学链式燃烧器为SOFC阴、阳极提供高温反应物，因而减少了传热的中间环节及其带来的不可逆损失，循环流程得到简化；同时利用化学链式燃烧器高温区工作性能良好的特性，可以提高系统的平均吸热温度和压力，并且避免了燃料与氧化剂的直接接触，从而有效地抑制了NOx的排放。
上海交通大学的张海燕[24]等人研究的是由SOFC组成的整体煤气化联合循环系统。从计算结果可以看到，燃料电池联合循环发电系统能达到的热效率是相当诱人的。由于在系统中未考虑二氧化碳分离回收系统的耗能，因而整个联合循环发电系统的热效率会降低1- 2个百分点，但仍至少能达到53%以上。同时也可看到，整个系统的效率随着燃料电池所占份额的增加而加大，最高能达到70.5%，这时燃气轮机的燃料全部来自燃料电池的排气。
张会生[25]等通过对两种典型的高温燃料电池——燃气轮机混合发电系统的性能分析，对比了各自的特点，认为由于SOFC排气温度高，可以满足燃气轮机进口的温度需要，因此采用顶层循环较为有利；对于MCFC发电系统，由于常压下就可以进行燃料的重整，建议采用底层循环。
卢立宁[26]等建立了以天然气为燃料的SOFC和燃气轮机(GT)联合发电系统的计算模型，并对具体系统进行了计算。他们的结果表明：SOFC与 GT组成的联合发电系统，发电效率可达68%(LHV)；加上利用的余热，整个系统的能量利用率可以超过80%。文中还分析了SOFC的工作压力、电流密度等参数对系统性能的影响，提高工作压力，可以增加电池发电量，提高系统的发电效率；而电流密度的增大将使SOFC及整个系统的发电量降低。
张斌[27]电力职称论文发表等研究了以煤为燃料的SOFC混合发电系统的能量利用效率、发电成本、投资回收期等，并和采用低温和高温煤气净化的煤气化联合循环(IGCC)进行了比较研究。他们的理论计算表明SOFC混合循环的效率可达60%以上，比IGCC高10%，而 CO2排放量降低至560-580g/kWh，比IGCC低16%。从长远看，SOFC是大型电厂的一个重要发展方向。
SOFC发电系统的性能不但取决于SOFC本身的性能，同时也取决于与之配套的微型燃气轮机的性能。
文献[25-30]对用于燃料电池-燃气轮机混合发电系统的燃气轮机的性能、特点、发展前景进行了介绍。为相关研究者在这一领域的研究工作提供了有益的参考和建议。
总的来说，由于缺少从实际的SOFC发电系统中得到的测试数据和性能评估，大部分关于SOFC发电系统的文章均为数值模拟而缺少实验验证。另一方面由于SOFC本身就有很多设计类型，发电系统也具有多样性，各个研究者一般都针对自己设计的系统进行分析，缺少系统间的对比分析。
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