深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心 張 濤
天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是指在動力設(shè)備通過不同形式的燃燒后,轉(zhuǎn)換出三種能源產(chǎn)品:電力、熱能(含蒸汽或者熱水)以及冷水,并根據(jù)用戶的不同用能特點,將其一體化的多聯(lián)產(chǎn)、多供應(yīng)的供能系統(tǒng)。就天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)供能模式較傳統(tǒng)的分散式系統(tǒng)供能模式而言,其理論能源綜合利用效率可在80%以上。天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能源梯級利用原理見圖1。
圖1 天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)能源梯級利用原理
天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)由動力設(shè)備、余熱回收設(shè)備和制冷設(shè)備三個子設(shè)備系統(tǒng)組成,其中動力設(shè)備占據(jù)著核心主導(dǎo)的地位,目前國內(nèi)外市場上可選擇的動力設(shè)備主要有:燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、微燃機(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)和燃料電池,其中燃料電池在天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的動力設(shè)備中,最具有清潔高效技術(shù)優(yōu)勢和市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>
燃料電池是一種電化學(xué)裝備,工作機(jī)理與一般電池非常類似,其單體電池同樣是由正負(fù)兩個電極(負(fù)極:燃料電極,正極:氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成,燃料電池的工作原理見圖1。
圖2 燃料電池工作原理
相比于一般電池將活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部的方式有所不同,燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì),僅僅是個催化轉(zhuǎn)換裝置而已。燃料電池是真正把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,燃料和氧化劑由外部供給進(jìn)行反應(yīng),只要反應(yīng)物不斷的進(jìn)行持續(xù)輸入,反應(yīng)產(chǎn)物不斷的進(jìn)行持續(xù)排除,燃料電池就能夠進(jìn)行連續(xù)地穩(wěn)定發(fā)電。
合理高效的回收燃料電池的熱能,可以大大提高燃料利用的效率,并且生產(chǎn)出來的余熱也非常清潔。高溫燃料電池的余熱溫度較高,可以與其他發(fā)電裝置組成復(fù)合式發(fā)電循環(huán),以提高系統(tǒng)的整體發(fā)電效率和燃料利用效率,中低溫燃料電池可以在回?zé)嵯到y(tǒng)中將廢熱直接回收生產(chǎn)熱水或蒸汽,可以運用于采暖、制冷、除濕和生活生產(chǎn)熱水等領(lǐng)域。
目前,燃料電池單獨發(fā)電效率可達(dá)50%,如果通過熱電聯(lián)供利用熱能,如與燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成聯(lián)合循環(huán),則發(fā)電效率將可能達(dá)到 70%~80%。燃料電池的環(huán)境兼容性同樣也非常好,二氧化碳、氮氧化物與硫化物等排放量極低,燃料率利用也很高。另外,變負(fù)荷性能使得小型設(shè)備的效率得到了顯著提高,這些優(yōu)點使燃料電池在冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中擁有了廣闊的發(fā)展?jié)摿褪袌鲞\營空間。
(2)環(huán)境友好、清潔環(huán)保:相比于傳統(tǒng)的化學(xué)燃燒過程,可以減少氮氧化物和硫氧化物的排放,具有非常不錯的環(huán)境友好性能。
(3)噪聲低:燃料電池的反應(yīng)過程非常安靜,系統(tǒng)中配置的運動部件少,結(jié)構(gòu)相對簡單,工作平穩(wěn)有序,噪聲很低。
(4)運行穩(wěn)定:堿性燃料電池和磷酸型燃料電池的成功運行,證明了燃料電池也可以具有較高的工作可靠性,可作為各種應(yīng)急電源和不間斷電源應(yīng)用于各種建筑環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)節(jié)和研發(fā)環(huán)境之中。
目前,全世界范圍內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)根據(jù)燃料的電池的基本工作機(jī)理,已經(jīng)研發(fā)出多種類型的燃料電池。
2.2.1 按采用的電解質(zhì)分類
按照所采用的電解質(zhì)可分為:(1)堿性燃料電池:一般以氫氧化鉀為電解質(zhì)。(2)質(zhì)子交換膜燃料電池:以全氟或部分氟化的磺酸質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。
(3)磷酸型燃料電池:以濃磷酸為電解質(zhì)。
(4)熔融碳酸鹽燃料電池:以熔融的鋰—鉀碳酸鹽或鋰—鈉碳酸鹽為電解質(zhì)。
(5)固體氧化物燃料電池:以固體氧化物為氧離子導(dǎo)體,如以氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜為電解質(zhì)。
2.2.2 按電池的工作溫度分類
按電池的工作溫度可分為:
(1)低溫(工作溫度低于 100℃)燃料電池:包括堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。
(2)中溫(工作溫度在 100~300℃)燃料電池:包括培根型堿性燃料電池和磷酸型燃料電池。
(3)高溫(工作溫度在600~1000℃攝氏度)燃料電池:包括熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。
(1)效率較高:燃料電池可通過反應(yīng),直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能,單獨發(fā)電時的效率可達(dá)50%,如果通過冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)利用熱能,發(fā)電效率將可能達(dá)到70%~80%。
(1)價格貴:目前燃料電池仍然屬于新興能源技術(shù),建設(shè)成本明顯高于別的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組(內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī))。
(2)對燃料的要求較高:某些燃料電池只能用氫氣,某些燃料電池雖然能夠用天然氣,但必須脫硫,且需要配套高效率的過濾器。
(3)維護(hù)比較專業(yè):燃料電池的維護(hù)與其他的發(fā)電機(jī)組有很大不同,目前這方面的專業(yè)維護(hù)人員比較缺乏,燃料電池發(fā)生故障之后,往往只能運回生產(chǎn)廠家進(jìn)行修護(hù)和維修,暫時無法做到現(xiàn)場修理。
(4)規(guī)?;a(chǎn)具有難度:市場上已有一些產(chǎn)品進(jìn)入商業(yè)化市場,然而由于進(jìn)入的時間較短,還未真正打開市場,大規(guī)模的批量生產(chǎn)還需要繼續(xù)的努力。
構(gòu)成燃料電池的關(guān)鍵材料與部件主要有:電極、隔膜與集流板。
(1)電極:是燃料(如氫)氧化和氧化劑(如氧)還原的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的設(shè)備。電極厚度一般為0.2~0.5 mm,通常分為兩層:一層為擴(kuò)散層或稱為支撐層,它由導(dǎo)電多孔材料制備,起到支撐催化劑層、收集電流與傳導(dǎo)氣體和反應(yīng)物的作用;另一層為催化劑層,它由電催化劑和防水劑等制備,厚度僅為幾微米至數(shù)十微米。影響電極性能好壞的關(guān)鍵是電催化劑性能、電極材料選擇和電極制備技術(shù)。
(2)隔膜:是分隔氧化劑和還原劑(如氫和氧),起離子傳導(dǎo)的作用。為了減少歐姆電阻,隔膜的厚度一般僅為零點幾毫米,至今,在電池內(nèi)采用的隔膜分為兩類:一類隔膜為絕緣材料制備的多孔膜,如石棉膜、碳化硅膜和偏鋁酸鋰膜等,電解質(zhì)靠毛細(xì)力浸入膜的孔內(nèi),導(dǎo)電離子為氫氧根離子、氫離子和碳酸根離子;另一類隔膜為離子交換膜,如質(zhì)子交換膜燃料電池中采用的全氟磺酸樹脂膜,導(dǎo)電離子為氫離子。隔膜性能的決定因素為隔膜材料與其制造技術(shù)。
(3)集流板:也稱為雙極板,它起著收集電流、分隔氧化劑和還原劑的作用,并將反應(yīng)物均勻分配到電極各處,再傳送到電極催化劑層進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
近 20多年來,燃料電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段,燃料電池的應(yīng)用正以極快的速度在發(fā)展。燃料電池常應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、發(fā)電領(lǐng)域,機(jī)動車領(lǐng)域、移動設(shè)備領(lǐng)域和居民家庭領(lǐng)域等。
在燃料電池發(fā)展的早期階段,燃料電池發(fā)展主要集中在軍事裝備之中以及千瓦級以上的分散式發(fā)電;電動車領(lǐng)域成為燃料電池應(yīng)用的新興方向,已有多種采用燃料電池發(fā)電的車輛進(jìn)入了市場化的階段;通過小型化的納米技術(shù)可以將燃料電池運用于一般消費型電子產(chǎn)品之中,在技術(shù)不斷進(jìn)步驅(qū)動下,小型化的燃料電池可以取代現(xiàn)有的鋰電池或鎳氫電池等高價格產(chǎn)品,作為用于手機(jī)、筆記本電腦、無線電電話、錄像機(jī)、照相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品的儲能電源之一。
國內(nèi)燃料電池的發(fā)展已經(jīng)處于起步階段,但與國際先進(jìn)水平仍有較大的差距,本文意在初步介紹燃料電池,用以勉勵該項新興技術(shù)在我國的健康快速發(fā)展,以此帶動燃料電池工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈水平的整體提升。