深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心 張 濤

1 天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是指在動力設備通過不同形式的燃燒后，轉換出三種能源產(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)由動力設備、余熱回收設備和制冷設備三個子設備系統(tǒng)組成，其中動力設備占據(jù)著核心主導的地位，目前國內(nèi)外市場上可選擇的動力設備主要有：燃氣輪機、內(nèi)燃機、微燃機、斯特林發(fā)動機和燃料電池，其中燃料電池在天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的動力設備中，最具有清潔高效技術優(yōu)勢和市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 燃料電池

2.1 燃料電池的工作機理

燃料電池是一種電化學裝備，工作機理與一般電池非常類似，其單體電池同樣是由正負兩個電極(負極：燃料電極,正極：氧化劑電極)以及電解質組成，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貯存在電池內(nèi)部的方式有所不同，燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，僅僅是個催化轉換裝置而已。燃料電池是真正把化學能轉化為電能的能量轉換設備，燃料和氧化劑由外部供給進行反應，只要反應物不斷的進行持續(xù)輸入，反應產(chǎn)物不斷的進行持續(xù)排除，燃料電池就能夠進行連續(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熱系統(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)熱水等領域。

目前，燃料電池單獨發(fā)電效率可達50%，如果通過熱電聯(lián)供利用熱能，如與燃氣輪機構成聯(lián)合循環(huán)，則發(fā)電效率將可能達到 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，變負荷性能使得小型設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。

2.2 燃料電池的分類

(2)環(huán)境友好、清潔環(huán)保：相比于傳統(tǒng)的化學燃燒過程，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：燃料電池的反應過程非常安靜，系統(tǒng)中配置的運動部件少，結構相對簡單，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，可作為各種應急電源和不間斷電源應用于各種建筑環(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)許多科研機構根據(jù)燃料的電池的基本工作機理，已經(jīng)研發(fā)出多種類型的燃料電池。

2.2.1 按采用的電解質分類

按照所采用的電解質可分為：(1)堿性燃料電池：一般以氫氧化鉀為電解質。(2)質子交換膜燃料電池：以全氟或部分氟化的磺酸質子交換膜為電解質。

(3)磷酸型燃料電池：以濃磷酸為電解質。

(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。

(5)固體氧化物燃料電池：以固體氧化物為氧離子導體，如以氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜為電解質。

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。

3 燃料電池的優(yōu)缺點

3.1 優(yōu)點

(1)效率較高：燃料電池可通過反應，直接將化學能轉為電能，單獨發(fā)電時的效率可達50%，如果通過冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)利用熱能，發(fā)電效率將可能達到70%～80%。

3.2 缺點

(1)價格貴：目前燃料電池仍然屬于新興能源技術，建設成本明顯高于別的傳統(tǒng)發(fā)電機組(內(nèi)燃機、燃氣輪機)。

(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)維護比較專業(yè)：燃料電池的維護與其他的發(fā)電機組有很大不同，目前這方面的專業(yè)維護人員比較缺乏，燃料電池發(fā)生故障之后，往往只能運回生產(chǎn)廠家進行修護和維修，暫時無法做到現(xiàn)場修理。

(4)規(guī)模化生產(chǎn)具有難度：市場上已有一些產(chǎn)品進入商業(yè)化市場，然而由于進入的時間較短，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。

4 燃料電池的關鍵材料與部件

構成燃料電池的關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)還原的電化學反應發(fā)生的設備。電極厚度一般為0.2～0.5 mm，通常分為兩層：一層為擴散層或稱為支撐層，它由導電多孔材料制備，起到支撐催化劑層、收集電流與傳導氣體和反應物的作用；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鍵是電催化劑性能、電極材料選擇和電極制備技術。

(2)隔膜：是分隔氧化劑和還原劑(如氫和氧)，起離子傳導的作用。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，電解質靠毛細力浸入膜的孔內(nèi)，導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，如質子交換膜燃料電池中采用的全氟磺酸樹脂膜，導電離子為氫離子。隔膜性能的決定因素為隔膜材料與其制造技術。

(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，并將反應物均勻分配到電極各處，再傳送到電極催化劑層進行電化學反應。

5 燃料電池的應用領域

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，燃料電池的應用正以極快的速度在發(fā)展。燃料電池常應用于軍事領域、發(fā)電領域，機動車領域、移動設備領域和居民家庭領域等。

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；電動車領域成為燃料電池應用的新興方向，已有多種采用燃料電池發(fā)電的車輛進入了市場化的階段；通過小型化的納米技術可以將燃料電池運用于一般消費型電子產(chǎn)品之中，在技術不斷進步驅動下，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、筆記本電腦、無線電電話、錄像機、照相機等便攜式電子產(chǎn)品的儲能電源之一。

6 結語

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。