工業用燃料電池
資料來源 : http://cn.newmaker.com/art_23205.html
作者：Peter Welander 李靜 譯 / 來源：Control Engineering 2007-6-13
是氫領導了經濟發展嗎？不斷電供應系統，工業電池替代品，以及相關的控制措施俯拾皆是，答案不言而喻。
綠色電力倡議者正在展望氫氣時代的到來，在該時代，我們的能源需求都可以由這一結構簡單而含量極其豐富的物質滿足。汽車將由它來驅動，排出的尾氣卻只有水蒸氣。每個家庭將擁有自己的燃料電池發電廠。排放溫室氣體污染物的集中燃煤鍋爐將會消失，分佈熱電聯產技術將會得到更大的發展。這是科學幻想嗎？目前來看，是的。但固定式工業燃料電池（在能源供應方面）已經擁有一席之地。大大小小的燃料電池技術需求內含於儀錶和電力控制中；包括電池替代品，不斷電供應系統（UPS），以及交流或直流電源的應用。未來的工廠能實現現場發電嗎？
燃料電池是一種與電池原理相似的電化學裝置( Isabelle註 : 燃料電池是一個類似發電機的裝置 跟電池主要蓄電的功能做比較 非常地不恰當!!)，不同之處是，只要燃料供應不斷，燃料電池內的化學反應就能重複發生並連續產生電流。氫氣乃是多種燃料電池技術中的主要燃料。反應物氫氣（或其他氣體燃料）和大氣中的氧氣被輸入後發生電化學反應產生電流，並排出熱量和水蒸氣。根據燃料的不同可能會產生二氧化碳，但正常反應下並不會燃燒出火焰。產生的直流電根據電網以及工業的需求被轉換成交流電。（燃料電池）系統通常還包含一個內部緩衝元件，如超級電容組( Isabelle註 : 現在改用鋰鐵電池當 Buffer battery)，以便協助處理突發性的需求變化。據用戶所說，燃料電池的工作過程是“電腦級”的，幾乎沒有電氣噪音。
圖：Sierra Nevada Brewing 公司的電力供應來自其安裝的一台1MW 的MCFC電池，而其燃料大多來自其廢水處理設施
燃料電池中燃料反應產生的有效能量比任何一種燃燒過程都高，尤其是廢熱可被再利用。大型固定式電廠的單機發電效率( Isabelle註 : 燃料電池就是個發電機 不是真正的電池… )可達60%，通過運用熱電聯產系統（CHP）發電效率更可達85%。相比之下，臨界燃煤鍋爐和天然氣聯合迴圈電廠的發電效率分別為35%和50%。燃料電池也是可移動式的，因此無需為了獲得更高的發電效率而追求更大的電廠規模，分散式發電完全可行。
燃料電池的問題在於它的初始成本。從操作的角度看，相比其他熱電聯產技術，燃料電池優勢明顯。但是加上資本投入的砝碼，天平就將向傳統的發電技術傾斜。在現有技術條件下，相對於當前的天然氣價格水準，燃料電池的使用壽命成本高高在上。磷酸燃料電池（PAFC）總的壽命成本是0.18-0.20美元/千瓦時，設計更簡潔效率更高的熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）總的壽命成本則是0.15-0.17美元/千瓦時。相比而言，微型燃氣輪機的成本是0.14美元/千瓦時，內燃發電機的成本是0.10-0.12美元/千瓦時。到目前為止燃料電池的使用不是出於示範目的就是依靠補貼，才能克服其高昂成本。大衛保羅，UTC Power公司的行銷部經理表示很期待著燃料電池的美好未來。“燃料電池技術已經明顯優於傳統發電技術，其優點包括其低噪音，低振動和超低排放等。”他說，“UTC Power公司正在積極開發中的下一代燃料電池的使用壽命成本僅為目前產品的一半。”
儘管成本居高不下，與之相對的則是燃料電池的廣為看好的市場前景。據Fuel Cell Today——一個行業監測機構稱，2006年是燃料電池的使用創記錄的一年，全球燃料電池新裝機容量超過了18兆瓦。在超過100兆瓦的全球總裝機容量中半數以上安裝在北美地區。然而，單個中型燃煤發電廠的容量大約是600兆瓦，因此，固定式燃料電池發電量仍是發電系統這塊大餅上很小的一個薄片。
燃料電池應該用於何處？
燃料電池一個最大的優點是可靠性。只要有可靠的燃料供應，單個電池的有效性能可達到並超過99%。在必須使用不間斷供電的情況下，燃料電池技術很具吸引力，比如電話交換，關鍵的電腦網路設施，以及類似的領域。同時請不要忘記了，大型燃料電池不必通過扳動開關來啟動，完全關閉的情況下一經啟動，電流就會迅速攀升到有效值並可持續數小時或數天，所以只要有需要，燃料電池就可以連續供電。此外，由於成本評估取決於發電效率，燃料電池通常是基荷負載發電，以充分利用自身的低發電成本。
對廢熱的再利用提高了（燃料電池的）經濟效益。食品加工廠，釀酒廠，酒店，醫院和其他需要大量供應熱水或蒸汽的工廠可以利用燃料電池產生的廢熱。即使辦公室及商業大廈也能將熱能導入到吸收式製冷機用於夏季空調製冷或者乾脆用於冬季取暖。
使用低價或免費燃料的電池可以節約成本提高效益。一些氯酸鹽生產過程中產生的副產品氫氣可被用做燃料。更為常見的燃料來源是廢水處理廠，農業廢棄物，乳品加工，填埋氣體，釀酒廠等產生的ADG（厭氧氣體，主要是甲烷）。作為溫室氣體，甲烷的危害比二氧化碳強許多倍，因此將ADG經處理後作為燃料的額外好處是能夠將污染物轉化為為能量來源。如果我們能將ADG回收起來的話，養豬場和汙水處理廠有可能成為未來的主要電力來源。
已有一些國家和民族都開始推動燃料電池技術發展已解決能源短缺問題。康涅狄格州計畫在2008年前實現可再生燃料發電達到100兆瓦。除了太陽能和風力發電外，毫無疑問也包括燃料電池發電。加州，韓國和日本也在積極籌畫建立採用可替代燃料的燃料電池以減少溫室氣體排放。這將成為燃料電池生產業追求產量和降低成本的強大動力。
燃料電池工作原理介紹
燃料電池的結構與乾電池的相似，包含電解質以及被電解質隔開的正負電極。整個燃料電池系統還需要溫度感測器，控制器，執行器（閥門），網路部署或其他通訊手段，通常與電源管理系統相連。工作時，消耗燃料，不消耗電極。電池的化學組成決定了發電效率，工作溫度和所需燃料。
Control Engineering根據美國能源部提供的資訊撰寫。
PEMFC（聚合類質子交換膜燃料電池）是最常見的以純氫和空氣為燃料的汽車燃料電池。這種電池具有效率高（60%），體積小，啟動速度快，工作溫度低，價格昂貴和對燃料純度要求高的特性。改造後的PEMFC可以以甲醇為燃料，為小型電子裝置供電。PEMFC 功率較小（小於10千瓦），主要用做電腦系統的後備電源。
PAFC（磷酸燃料電池）以含於幹聚四氟乙烯燒結碳化矽基質中的液體磷酸作為電解質。電極是帶有鉑催化劑的多孔碳。雖然該種電池的燃料是純氫，但少量碳的氧化物的存在也不會影響電池的正常工作，因此可以用改造後的化石燃料例如天然氣做其燃料。磷酸燃料電池技術業已成熟，它也是最早商業化的燃料電池技術。雖然PAFC 發電效率較低（40%），但其有效的廢熱再利用使這一劣勢得以減緩。
MCFC（熔融碳酸鹽燃料電池）採用懸浮在惰性陶瓷氧化鋁和氧化鋰混合基質中的熔融碳酸鹽合劑（鋰、鈉和鉀）為電解質。該電池工作在高溫下，因此電極不需攜帶貴金屬催化劑，也不需要外部氣體配置。這兩點特性降低了電池的總體成本。MCFC 的發電效率可達60%。
SOFC（固體氧化物燃料電池）採用堅硬的非多孔陶瓷氧化鋯和少量氧化釔的混合物為電解質。由於該種電池的工作溫度較高，因此無需貴金屬催化劑和外部氣體配置，但是在首次啟動時需要一個很長的預熱週期。雖然在總體上SOFC 仍屬於試驗性質，但其發電效率可達60%。
不同的技術，不同的燃料
大型固定式發電主要採用三種燃料電池技術。當然還有其他許多燃料電池技術，比如用於發動汽車，為掌上型電腦供電方面的電池技術，這些似乎更受人們的關注，不過這些技術對分散式發電作用甚微。
在這三種技術中，PAFCs的供電時間幾乎是最長的，它適用於固定式發電和大型交通工具。它們通常以純氫為燃料，純氫可通過單獨的氣體反應階段由天然氣或ADG制得。PAFCs所需的工作溫度是這三種技術中最低的，為150-200攝氏度。低溫工作可以說是一把雙刃劍。低溫能使反應更快地啟動起來，但同時需要昂貴的鉑催化劑參與反應，而且反應產生的低溫廢氣用於熱電聯產技術的比率也較MCFCs或者SOFCs低。。雖然PAFCs的直線電機發電的效率最低，但如廢熱可以被有效利用，其熱電聯產（CHP）的效率也可以與其他技術的不相上下。
MCFCs成為燃料電池應用的主流技術主要是因為它們可以採用多種物質作為燃料，包括煤氣和碳的氧化物。MCFC工作溫度高（600-700攝氏度），所以不需要昂貴的催化劑，並且能在內部進行氣體反應，產生燃料。其主要缺點是由於高溫及電解液腐蝕性導致電池使用壽命較短。希望通過對新材料和反應過程的研究能顯著提高它們的壽命。
儘管目前SOFCs應用最少，但卻越來越受歡迎。該電池的工作溫度最高，需要1000攝氏度，因此需要廣泛熱遮罩，除固定式發電外幾乎無用武之地。其電解質是一種固體耐高溫多孔陶瓷，不需要貴金屬催化劑。SOFCs也可以在內部進行氣體反應，並且對於硫具有最大的耐腐蝕性，因此，研究者們期待將來能使用煤炭衍生物作其發電燃料。
燃料電池的應用現狀
Verizon Communications公司在長島區花園市創建了它的“未來中央辦公室”，內部配備了燃料電池，內燃發電機組，廢熱回收和不間斷供電設備。為實現Verizon的有線通訊功能，中央辦公室中安置了重要的電子開關以及後備電源設備。設備要消耗掉大量的能量，也會產生很多廢熱。冷卻及空調系統耗能更多。位於花園市的辦公室是利用新技術探索提高效率和節約成本途徑的典型示範。292，000平方英尺的建築群通常要用掉由現場發電組和當地電網共同提供的2.7兆瓦的電功率。由UTC Power公司採用PAFC技術設計燃料電池，單機容量為200千瓦。安裝電池後，花園市發電量高達1.4兆瓦成為了世界上最大的燃料電池工廠。Marine Interface公司總裁Eric Breen先生，是該系統的設計者，他回憶到，“該項目實際上源於2003年的大停電事件。”在那之後，Verizon就希望成為最可靠的電信運營商。
去年夏天，Sierra Nevada Brewing Co.公司配備了1兆瓦的燃料電池發電廠，該燃料電池使用了以天然氣為燃料的MCFCs技術，由FuelCell Energy公司負責設計安裝。這一系統除滿足公司正常需求外甚至還能向電網輸送電力。它原先僅以天然氣為燃料，現在通過內部廢水處理過程從廢物中提取的ADG也可滿足25%-40%的燃料需求。這一簡單的過程提供了廉價的甲烷，並使它從潛在的污染物變廢為寶。“通過將燃料電池工廠的燃料來源轉變為ADG，我們向著公司的可持續發展目標又邁進了一步，而且降低了能源和廢物處理成本。”Sierra Nevada Brewing Co.公司的Ken Grossman說。此外，燃料電池輸出的熱能可以用來產生反應所需蒸汽，否則，還需要從天然氣鍋爐獲取這些蒸汽。
未來的經濟效益
通過實際使用，燃料電池顯然已經充分證明瞭自己的價值。唯一有待解決的就是經濟效益問題。隨著生產商不斷研發出更新的方案，更好的材料，更先進的生產技術，新的燃料電池系統的初始成本無疑會下降。與之相對的是傳統發電所需燃料價格則會不斷上漲。這兩種趨勢將會共同提升燃料電池技術的吸引力。燃料電池在汽車領域的推廣應用可能因氫氣分佈和管理問題而滯後，不過隨著燃料種類更加廣泛——從煤炭到沼氣，規模更大的固定式燃料電池電站短期內便會越來越具魅力。
隨著燃料電池技術的發展，行業內部格局也會發生震動。技術不斷推陳出新，行業競爭加劇，優勝劣汰，適者生存。，然而，但目前為止，各公司仍處於市場開闢階段。
FuelCell Energy公司銷售和市場副總裁Bruce Ludemann先生認為燃料電池成本將繼續下降。“隨著技術的不斷提高，成本也會繼續下降”，他說，“道理很簡單：成本走低，銷量才能大漲，競爭力同時得到加強。”
UTC Power，曾經參與阿波羅登月任務，而現今正致力於燃料電池的開發。“公司堅信未來燃料電池技術的發展，”保羅說。“我們對固定式電站和電力輸送這兩大市場的開拓持同樣樂觀的態度。我們將精神抖擻的去迎接燃料電池的美好未來。
衍伸閱讀 :
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※ 電力系統發展燃料電池發電的技術路線2005-1-10
※ 燃料電池技術2005-1-10
※ 燃料電池知識2005-1-10 ~ 實際上，燃料電池技術與內燃機技術幾乎是同年代的產物。但石油資本家推動了內燃機的發展，而燃料電池卻被工業界遺忘了。然而值得一提的是：早在130多年前，儒勒·凡爾納就先知先覺地指出：“Water is the coal of the future（水是未來的煤）”
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