固体氧化物燃料电池--高效清洁的能源

作者：华中科技大学 李箭 肖建中 蒲健

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 一、固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池（SOFC）是一个将化石燃料中的化学能转换为电能的发电装置。这里所谓的化石燃料可以是天然气、煤气、汽油或柴油以及其它碳氢化合物。能量转换是通过电极上的电化学反应来进行的，图1是传统发电与SOFC电站的一个比较。从中可以看出，利用SOFC进行能量转换没有燃烧和机械过程，从而极大地提高了能量转化效率，避免了NOx，SOx，CO，CO2以及粉尘等污染物的产生；而且安静、可靠，对电力的质量有良好的保证。 SOFC的工作温度通常在600℃至1000℃的范围内，其副产品是高质量的热和水蒸气。因此，在提供电力的同时，SOFC还可以提供热水和取暖。在同时利用电和热的情况下，能量的转化效率可以高达85%。与在低温工作的质子交换膜燃料电池（PEMFC）相比，除效率高以外，SOFC还避免了使用贵金属电极材料（如Pt），消除了CO对电极的毒化，降低了对于燃料质量的要求，从而增加了应用燃料的灵活性。与在相对高温工作的熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）相比，SOFC具有非常高的功率密度，而且没有液态的熔盐腐蚀介质，排除了燃料电池材料的热腐蚀。 根据用电的需求，SOFC可以灵活地增加或减小电站的供电能力。SOFC是一个独立的发电系统，可以方便地应用于需要电力的地方，而不需配备昂贵的电力传输系统，这就是常说的分散发电。这一特点对于电网所不能及的偏远地区、移动设施或输电系统已经固定而无法改变的大城市显得尤为重要。 二、研究开发固体氧化物燃料电池的意义 SOFC是一种高效、节能、清洁、安静和可靠的发电装置。研究和开发这一技术的原动力主要来自以下几个方面： 1.电力需求 在未来的20年里，世界对于电力的需求将成倍增加，多数来源于发展中国家。然而，传统发电站所在地通常不是电力需求的地方，电力传输系统必不可少。由于电力传输系统耗资巨大，尤其在发展中国家和偏远地区，电力传输系统还处于相当落后的地步。因此，分散发电技术受到了世界各国广泛的重视。SOFC正是这种逐渐将传统的中心供电体系改变为分散供电体系的新型发电技术，可以直接在用户所在地根据用电量的需要安装发电。对电力需求的另一方面表现在机动车辆用电。从车灯、电动锁、电动窗到车内气候控制以至更为精致的计算机跟踪系统，机动车辆对电力的需求日益膨胀。目前在整个世界上约有6亿辆汽车，在未来的10年内预计将有30%的增长。1990年以来，我国经济处于持续高速发展，汽车数量急剧增加。2003年我国生产汽车444万辆，比往年增加34%；2004年的生产量将超过500万辆。如何满足未来汽车的用电需求，也是目前应该认真考虑的问题。SOFC是目前最受世界关注的汽车辅助电源技术，它可以为除驱动以外的任何需求提供电源，其应用将会完全改变人们对车辆用电的概念。 2.环境考虑 我国67%的能源来自于煤的燃烧；而在广大的农村，木柴和秸秆等提供了55%的燃料。由于汽车数量的急剧增加，我国许多城市已经笼罩在汽车尾气的烟幕之中，空气污染严重到了亟待解决的程度。就目前而言，我国人均CO2的排放量与世界发达国家相比还不算太高，然而其总量已跃居世界的第二位。SO2的排放量是19.48吨；酸雨覆盖了1/3的国土，所造成的损失占国民生产总值的2%。如果这种发展势头不加以约束，到2020年，仅就城市而言，与空气污染相关的医疗费用则将高达国民生产总值的13%。SOFC技术的应用将有效地降低发电过程和汽车尾气中氮、碳、硫等氧化物的形成，极大地降低温室气体的排放量，从而减缓地球的温室效应和空气污染。目前，电力工业部门对于有害气体危害地球的严重性的认识日益加深，都在积极地寻找更为先进的能源技术以求充分利用丰富的化石燃料资源。 3.国家安全 目前，美国50%以上的原油依赖进口，到2020年，其进口量将增加到62%，从而使得美国在政治和经济上可能受制于石油输出国，危及其国家安全。因此，美国政府在2003年宣布在随后的5年内投入12亿美元研究开发氢能源和燃料电池以缓解美国对石油进口的依赖。通过SOFC技术高效率地利用其国内低成本的煤炭和其它资源，美国将极大地减少对石油进口的依赖程度。欧盟在2003年后期也宣布，在原有的燃料电池投入之上，追加28亿欧元，作为未来10年里发展氢能技术的资金。我国是个人口大国，能源却相对贫乏，石油储藏量极为有限。由于经济的持续高速增长，我国越来越多地依赖进口原油。1993年以前，我国还是石油出口国，然而，在2003年，我国进口石油多达8700万吨，加上成品油，总数超过1亿吨。据估计，从2010年到2020年，我国对石油进口的依赖将从45%增加到60%。我国煤炭的储藏量占世界的11%，然而人均只有234吨（美国人均高达1045吨）。虽然目前我国的人均能源消耗不到世界平均值的50%，但由于国民生产总值以每年7%～9%的速率增长，对燃料、能源和电力的需求以及随之而来的压力都将会越来越大。为了避免目前美国所面临的危机，从现在起，对于高效率的能源技术，如SOFC，应该给予足够的重视和支持。 4.电力可靠性 无论是发达国家，还是发展中国家，电力在国民经济中的地位变得越来越重要。这个需求不仅仅表现在数量上，也体现在对于质量的要求。举例而言，计算机网络在现代社会经济以至整个人类生活中扮演着不可缺少的角色，即使是短暂的电源中断，也将带来难以估量的后果，小至光标停止移动，大到成百上千万的经济损失。这种对于电力的普遍深入的依赖性表明任何电力系统的中断都将会轻易地导致严重的经济危机。SOFC技术在满足对电力数量需要的同时，还给予了质量上的保证。 由于SOFC技术的重要性，美国能源部于2000年成立了简称SECA的专门机构，即固体能量转换联合体（Solid Energy Conversion Alliance），制定了10年将SOFC技术商品化的长远资助计划。这个机构包含了工业界；与此同时，还联合了国家实验室、大学和研究公司对SOFC中的核心技术问题进行攻关研究。最终目标是使SOFC的成本降低到每千瓦400美元以下，年产量大于5万套。在欧洲、日本等国，也制定了相应的计划。 三、固体氧化物燃料电池的应用前景 现阶段，对于SOFC的研究和开发旨在向所有可能的市场提供基本的标准组件，逐步取代现有的发电和供电方式。主要应用大致分为以下三方面： 1.固定电站 固定SOFC电站主要是为家庭、偏远地区以及商业用电提供电源。它的高效率、无污染、无噪音以及热-电共生对于家庭来说尤为适合。SOFC电站是一个独立的供电系统，无需电网传输，对于偏远地区（如农村、海岛、山区和中心电网未能覆盖的地方等）的用电将提供极大的方便。在我国13亿人口中，9亿是在农村，1.2亿的农村人口还没有电，这将极大地限制这些地区的社会和经济的发展。沼气燃烧可以直接为农村的千家万户提供燃料和照明，但由于能量在转换过程中的损失和对环境的破坏，如此利用沼气则存在着明显的问题。沼气的主要成分是CH4，含硫量相当低，可以直接用作为SOFC的燃料。目前，石油和天然气管道沿线的计量和加压等设备基本上是依靠能量转化效率极低的热电机来提供电源，这一领域也将是SOFC未来的市场。商业用电泛指办公大楼，医院，学校，购物中心，数据中心以及工厂等设施的用电。 SOFC电站也可以是中心电力系统的一个分支，战略地放置于输电系统以外，来补充对新增能源的需要。 2.交通运输 SOFC作为机动车辆的辅助电源将有很好的应用前景。应用的第一个目标是集装箱运输卡车的辅助电源。也就是说为汽车提供除驱动以外的所有用电需要。以SOFC作为机动车辆的辅助电源有其明显的优越性：消除了机动车辆的空转；促进了机动车辆的电气化；提高了燃料的利用率。从环境角度考虑，SOFC辅助电源将大大地减少机动车辆尾气对空气的污染。据估计，仅就这一项应用而言，每年可节约4.2亿加仑柴油，并减少CO2排放量460万吨。如果SOFC能作为家用汽车的辅助电源进入千家万户，那么，市场之大，覆盖面之广，将会大幅度地降低SOFC的成本和改善尾气导致的空气污染。除地面机动车辆以外，SOFC也可以用作为飞行器和船舶的辅助电源。美国波音公司和美国宇航局已经开始了SOFC技术在航空领域应用的研究开发。 3.军事应用 就像许多先进的科学技术都是在军事上首先得到应用一样，SOFC技术也将是如此。一般说来，军事用电通常要求安静、耐用、可靠、不间断，不留下热痕迹。SOFC完全满足这些要求，从而能够在移动电站、装甲车辆辅助电源、舰船服务电源、飞行线发电机、军事通讯设施用电、士兵携带电源等领域得到广泛的应用。从经济的角度考虑，虽然军队对其所用的产品往往付出高于民用的价钱，然而，SOFC应用将会大幅度地降低军队的资金花费和军事行动成本。仅以燃料为例，由于运输和后勤的成本，军事前线所用柴油的开支往往比加油站的柴油价钱高出10多倍。燃料运输占军事行动中物质运输总量的70%。因此，哪怕少量的燃料利用率增加也能节省大量的经费。由于燃料电池在军事上的重要性，世界各国，尤其是在燃料电池研究和开发处于领先地位的国家，如美国，加拿大和欧洲等，都在积极探索燃料电池在军事中的应用。图2按地理位置给出了开展军事燃料电池研究和开发比例。美国遥遥领先于世界其它国家。其中有些国家，如捷克、希腊、意大利和新加坡，虽然在燃料电池技术方面相对落后，却也在开展燃料电池在军事应用方面的探索。 根据现有的研究项目，图3大致列出了在军事应用各个方面的研究比例，可以看出，SOFC在军事应用上有着广泛的前景。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/1/2006)