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当工业用燃料电池

发布时间:2021-09-10 11:40:19 阅读: 来源:螺旋输送机厂家

工业用燃料电池

是氢领导了经济发展吗?不间断电源,工业电池替代品,以及相关的控制措施俯拾皆是,答案不言而喻。

绿色电力倡议者正在展望氢气时代的到来,在该时代,我们的能源需求都可以由这一结构简单而含量极其丰富的物质满足。汽车将由它来驱动,排出的尾气却只有水蒸气。每个家庭将拥有自己的燃料电池发电厂。排放温室气体污染物的集中燃煤锅炉将会消失,分布热电联产技术将会得到更大的发展。这是科学幻想吗?目前来看,是的。但固定式工业燃料电池(在能源供应方面)已经拥有一席之地。大大小小的燃料电池技术需求内含于仪表和电力控制中;包括电池替代品,不间断电源(UPS),以及交流或直流电源的应用。未来的工厂能实现现场发电吗?

燃料电池是一种与电池原理相似的电化学装置,不同之处是,只要燃料供应不断,燃料电池内的化学反应就能重复发生并连续产生电流。氢气乃是多种燃料电池技术中的主要燃料(附:燃料电池工作原理介绍)。反应物氢气(或其他气体燃料)和大气中的氧气被输入后发生电化学反应产生电流,并排出热量和水蒸气。根据燃料的不同可能会产生二氧化碳,但正常反应下并不会燃烧出火焰。产生的直流电根据电以及工业的需求被转换成交流电。(燃料电池)系统通常还包含一个内部缓冲组件,如超级电容组,以便协助处理突发性的需求变化。据用户所说,燃料电池的工作过程是“计算机级”的,几乎没有电气噪音。

图:Sierra Nevada Brewing 公司的电力供应来自其安装的一台1MW 的MCFC电池,

而其燃料大多来自其废水处理设施

燃料电池中燃料反应产生的有效能量比任何一种燃烧过程都高,尤其是废热可被再利用。大型固定式电厂的单机发电效率可达60%,通过运用热电联产系统(CHP)发电效率更可达85%。相比之下,临界燃煤锅炉和天然气联合循环电厂的发电效率分别为35%和50%。燃料电池也是可移动式的,因此无需为了获得更高的发电效率而追求更大的电厂规模,分布式发电完全可行。

燃料电池的问题在于它的初始成本。从操作的角度看,相比其他热电联产技术,燃料电池优势明显。但是加上资本投入的砝码,天平就将向传统的发电技术倾斜。在现有技术条件下,相对于当前的天然气价格水平,燃料电池的使用寿命成本高高在上。磷酸燃料电池(PAFC)总的寿命成本是0..20美元/千瓦时,设计更简洁效率更高的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)总的寿命成本则是0..17美元/千瓦时。相比而言,微型燃气轮机的成本是0.14美元/千瓦时,内燃发电机的成本是0..12美元/千瓦时。到目前为止燃料电池的使用不是出于示范目的就是依靠补贴,才能克服其高昂成本。戴维保罗,UTC Power公司的营销部经理表示很期待着燃料电池的美好未来。“燃料电池技术已经明显优于传统发电技术,其优点包括其低噪音,低振动和超低排放等。”他说,“UTC Power公司正在积极开发中的下一代燃料电池的使用寿命成本仅为目前产品的一半。”

尽管成本居高不下,与之相对的则是燃料电池的广为看好的市场前景。据Fuel Cell Today——一个行业监测机构称,2006年是燃料电池的使用创记录的一年,全球燃料电池新装机容量超过了18兆瓦。在超过100兆瓦的全球总装机容量中半数以上安装在北美地区。然而,单个中型燃煤发电厂的容量大约是600兆瓦,因此,固定式燃料电池发电量仍是发电系统这块大饼上很小的一个薄片。

燃料电池应该用于何处?

燃料电池一个最大的优点是可靠性。只要有可靠的燃料供应,单个电池的有效性能可达到并超过99%。在必须使用不间断供电的情况下,燃料电池技术很具吸引力,比如交换,关键的计算机络设施,以及类似的领域。同时请不要忘记了,大型燃料电池不必通过扳动开关来启动,完全关闭的情况下一经启动,电流就会迅速攀升到有效值并可持续数小时或数天,所以只要有需要,燃料电池就可以连续供电。此外,由于成本评估取决于发电效率,燃料电池通常是基荷负载发电,以充分利用自身的低发电成本。

对废热的再利用提高了(燃料电池的)经济效益。食品加工厂,酿酒厂,酒店,医院和其他需要大量供应热水或蒸汽的工厂可以利用燃料电池产生的废热。即使办公室及商业大厦也能将热能导入到吸收式制冷机用于夏季空调制冷或者干脆用于冬季取暖。

使用低价或免费燃料的电池可以节约成本提高效益。一些氯酸盐生产过程中产生的副产品氢气可被用做燃料。更为常见的燃料来源是废水处理厂,农业废弃物,乳品加工,填埋气体,酿酒厂等产生的ADG(厌氧气体,主要是甲烷)。作为温室气体,甲烷的危害比二氧化碳强许多倍,因此将ADG经处理后作为燃料的额外好处是能够将污染物转化为为能量来源。如果我们能将ADG回收起来的话,养猪场和污水处理厂有可能成为未来的主要电力来源。

已有一些国家和民族都开始推动燃料电池技术发展已解决能源短缺问题。康涅狄格州计划在2008年前实现可再生燃料发电达到100兆瓦。除了太阳能和风力发电外,毫无疑问也包括燃料电池发电。加州,韩国和日本也在积极筹划建立采用可替代燃料的燃料电池以减少温室气体排放。这将成为燃料电池生产业追求产量和降低成本的强大动力。

燃料电池工作原理介绍

燃料电池的结构与干电池的相似,包含电解质以及被电解质隔开的正负电极。整个燃料电池系统还需要温度传感器,控制器,执行器(阀门),络部署或其他通讯手段,通常与电源管理系统相连。工作时,消耗燃料,不消耗电极。电池的化学组成决定了发电效率,工作温度和所需燃料。

Control Engineering根据美国能源部提供的信息撰写。

PEMFC(聚合类质子交换膜燃料电池)是最常见的以纯氢和空气为燃料的汽车燃料电池。

这种电池具有效率高(60%),体积小,启动速度快,工作温度低,价格昂贵和对燃料纯度要求

高的特性。改造后的PEMFC可以以甲醇为燃料,为小型电子装置供电。PEMFC 功率较小(小于

10 千瓦),主要用做计算机系统的后备电源。

PAFC(磷酸燃料电池)以含于干聚四氟乙烯烧结碳化硅基质中的液体磷酸作为电解质。电极是带有

铂催化剂的多孔碳。虽然该种电池的燃料是纯氢,但少量碳的氧化物的存在也不会影响可将程度仪放在油缸的外圆上按机座纵横两个位置及程度方向找好程度电池的正常工作,

因此可以用改造后的化石燃料例如天然气做其燃料。磷酸燃料电池技术业已成熟,它也是最早商业化的燃

料电池技术。虽然PAFC 发电效率较低(40%),但其有效的废热再利用使这一劣势得以减缓。

MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)采用悬浮在惰性陶瓷氧化铝和氧化锂混合基质中的熔融碳酸

盐合剂(锂、钠和钾)为电解质。该电池工作在高温下,因此电极不需携带贵金属催化剂,也不

需要外部气体配置。这两点特性降低了电池的总体成本。MCFC 的发电效率可达60%。

SOFC(固体氧化物燃料电池)采用坚硬的非多孔陶瓷氧化锆和少量氧化钇的混合物为电解质。由

于该种电池的工作温度较高,因此无需贵金属催化剂和外部气体配置,但是在首次启动时需要一个很

长的预热周期。虽然在总体上SOFC 仍属于试“这样1来验性质,但其发电效率可达60%。

不同的技术,不同的燃料

大型固定式发电主要采用三种燃料电池技术。当然还有其他许多燃料电池技术,比如用于发动汽车,为掌上电脑供电方面的电池技术,这些似乎更受人们的关注,不过这些技术对分布式发电作用甚微。

在这三种技术中,PAFCs的供电时间几乎是最长的,它适用于固定式发电和大型交通工具。它们通常以纯氢为燃料,纯氢可通过单独的气体反应阶段由天然气或ADG制得。PAFCs所需的工作温度是这三种技术中最低的,为摄氏度。低温工作可以说是一把双刃剑。低温能使反应更快地启动起来,但同时需要昂贵的铂催化剂参与反应,而且反应产生的低温废气用于热电联产技术的比率也较MCFCs或者SOFCs低。。虽然PAFCs的直线电机发电的效率最低,但如废热可以被有效利用,其热电联产(CHP)的效率也可以与其他技术的不相上下。

MCFCs成为燃料电池应用的主流技术主要是因为它们可以采用多种物质作为燃料,包括煤气和碳的氧化物。MCFC工作温度高(摄氏度),所以不需要昂贵的催化剂,并且能在内部进行气体反应,产生燃料。其主要缺点是由于高温及电解液腐蚀性导致电池使用寿命较短。希望通过对新材料和反应过程的研究能显7.测试台要有校订功能著提高它们的寿命。

尽管目前SOFCs应用最少,但却越来越受欢迎。该电池的工作温度最高,需要1000摄氏度,因此需要广泛热屏蔽,除固定式发电外几乎无用武之地。其电解质是一种固体耐高温多孔陶瓷,不需要贵金属催化剂。SOFCs也可以在内部进行气体反应,并且对于硫具有最大的耐腐蚀性,因此,研究者们期待将来能使用煤炭衍生物作其发电燃料。

燃料电池的应用现状

Verizon Communications公司在长岛区花园市创建了它的“未来中央办公室”,内部配备了燃料电池,内燃发电机组,废热回收和不间断供电设备。为实现Verizon的有线通讯功能,中央办公室中安置了重要的电子开关以及后备电源设备。设备要消耗掉大量的能量,也会产生很多废热。冷却及空调系统耗能更多。位于花园市的办公室是利用新技术探索提高效率和节约成本途径的典型示范。292,000平方英尺的建筑群通常要用掉由现场发电组和当地电共同提供的2.7兆瓦的电功率。由UTC Power公司采用PAFC技术设计燃料电池,单机容量为200千瓦。安装电池后,花园市发电量高达1.4兆瓦成为了世界上最大的燃料电池工厂。Marine Interface公司总裁Eric Breen先生,是该系统的设计者,他回忆到,“该项目实际上源于2003年的大停电事件。”在那之后,Verizon就希望成为最可靠的电信运营商。

去年夏天,Sierra Nevada Brewing Co.公司配备了1兆瓦的燃料电池发电厂,该燃料电池使用了以天然气为燃料的MCFCs技术,由FuelCell Energy公司负责设计安装。这一系统除满足公司正常需求外甚至还能向电输送电力。它原先仅以天然气为燃料,现在通过内部废水处理过程从废物中提取的ADG也可满足差值在±2范围以外时则必须对硬度计进行校订维修或换其他硬度测试法测定25%-40%的燃料需求。这一简单的过程提供了廉价的甲烷,并使它从潜在的污染物变废为宝。“通过将燃料电池工厂的燃料来源转变为ADG,我们向着公司的可持续发展目标又迈进了一步,而且降低了能源和废物处理成本。”Sierra Nevada Brewing Co.公司的Ken Grossman说。此外,燃料电池输出的热能可以用来产生反应所需蒸汽,否则,还需要从天然气锅炉获取这些蒸汽。

未来的经济效益

通过实际使用,燃料电池显然已经充分证明了自己的价值。唯一有待解决的就是经济效益问题。随着生产商不断研发出更新的方案,更好的材料,更先进的生产技术,新的燃料电池系统的初始成本无疑会下降。与之相对的是传统发电所需燃料价格则会不断上涨。这两种趋势将会共同提升燃料电池技术的吸引力。燃料电池在汽车领域的推广应用可能因氢气分布和管理问题而滞后,不过随着燃料种类更加广泛——从煤炭到沼气,规模更大的固定式燃料电池电站短期内便会越来越具魅力。

随着燃料电池技术的发展,行业内部格局也会发生震动。技术不断推陈出新,行业竞争加剧,优胜劣汰,适者生存。,然而,但目前为止,各公司仍处于市场开辟阶段。

FuelCell Energy公司销售和市场副总裁Bruce Ludemann先生认为燃料电池成本将继续下降。“随着技术的不断提高,成本也会继续下降”,他说,“道理很简单:成本走低,销量才能大涨,竞争力同时得到加强。”

UTC Power,曾经参与阿波罗登月任务,而现今正致力于燃料电池的开发。“公司坚信未来燃料电池技术的发展,”保罗说。“我们对固定式电站和电力输送这两大市场的开拓持同样乐观的态度。我们将精神抖擞的去迎接燃料电池的美好未来。”(end)

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