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工业用燃料电池

作者:Peter Welander, Control Engineering2007.06.30阅读 6265

  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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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网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。据用户所说控制工程网版权所有,燃料电池的工作过程是“计算机级”的,几乎没有电气噪音。

图SierraNevadaBrewing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…
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0.18-0.20美元/千瓦时控制工程网版权所有,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0.15-0.17美元/千瓦时。相比而言,微型燃气轮机的成本是0.14美元/千瓦时控制工程网版权所有,内燃发电机的成本是0.10-0.12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www.cechina.cn,“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控制工程网版权所有,燃料电池技术很具吸引力,比如电话交换,关键的计算机网络设施,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
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