燃料电池的前景 Brian M. Barnett W. Peter Teagan 编译陈勇

发布时间：93年04月25日

世界科学

1. 前言

在今后的20年中，全世界的电需求量将增加2倍以上，即使这样，发展中国家的人均用电量仍将比工业国家少20%。

人们越来越关注环境问题，怀疑传统的能源技术能否满足环境的要求。要使社会的生活方式适应环境的制约，就要对现有的能源技术进行革命性的改造，燃料电池也许是其中的关键技术之一。

2. 能源需求和环境

（1）目前世界人口的25%生活在工业国家。工业国家消耗的矿物燃料占世界总消耗量的60%以上。

（2）发展中国家的人均能耗约是工业国家的1/10~1/4，在今后20年，即使发展中国家的能源总消耗量增加1倍，由于人口的增长，人均能耗量仍将在这个水平上徘徊。

人们通常认为，增加煤等矿物燃料的开发利用，可以满足能源的需求，但将使环境更加恶化。人们最关心的是CO₂排放量的增加将加速地球变暖，先进的技术可以减少NO_x，SO_x和其它污染物的排放，但CO₂的排放量直接与燃料消耗量有关，不是技术能解决的问题。

20年以后，发展中国家CO₂的排放量将比目前多1倍以上。总之，能量需求与控制环境污染是矛盾的，怎样改变能量的供应、使用和转换的工艺过程，使生活水平的提高和环境保护相协调一致是我们今后的主要课题。

3. 技术对策

为使生活水平的提高和环境控制相适应，应从以下几方面努力：

（1）加热、照明、空调、冰箱等设备的能量利用率比目前提高25~75%。

（2）目前工业国家的发电效率约为33%，发展中国家的效率更低。应用包括燃料电池在内的先进技术，近期内把发电效率提高到40~45%，2000年以后提高到50~60%以上。

（3）机动车辆正常行驶时，发动机效率约为18~25%，燃料电池和高效电瓶车可将效率提高1~2倍。

燃料电池是解决能源需求与环境矛盾的重要技术方案之一*由于高的效率，同时适用于静态和动态发电，极低的NO_x排放量，因此，燃料电池的潜在应用领域较多。

4. 交流发电技术比较

燃料电池的应用前景决定于它的运行性能和开发费用，与之竞争的技术包括传统发电技术的改进和未来的再生能源技术。下面着重讨论燃料电池与其它发电技术的比较。

固定式发电

在发电应用中，燃料电池必须与大量现有的发电技术竞争，电力系统的容量大小将在很大程度上影响发电技术的选择。在大规模（>100 MW）发电中，燃料电池主要与燃气轮机发电和高效率的燃煤工艺竞争*在小规模发电上与燃料电池竞争的主要是活塞式发动机（25 kW~5 MW）和燃气轮机（10~50 MW）。

下面就燃料电池与其它技术在效率、排污量和投资费用方面进行比较：

（1）效率传统技术发电的效率随发电规模的减小而降低，这将增加燃料电池在小规模发电上的竞争力。

（2）排放物 相对于活塞式发动机和燃气轮机，燃料电池的排污量小，有竞争优势。燃气轮机综合循环的投资费用在900~1300 $/kW之间，为满足环境要求，燃气轮机要额外增加50~120 $/kW的投资，用来安装净化设备。

（3）投资费用 传统发电技术的投资费用在很大程度上决定于发电设备的大小，当设备减小，单位容量的费用将增加，而燃料电池的规模大小对投资费用的影响较小，因此，小规模发电时，燃料电池比其它技术经济。

在公共运输业上的应用

燃料电池用于运输业的意义越来越大，燃料电池具有高的效率（效率达40%，活塞式发动机为18~25%），低污染，燃料适应性好，行驶里程与活塞式发动机相当。

运输业可能是燃料电池应用的热门行业之一。最近几年，固态聚合物燃料电池的功率密度显著提高，大大提高了燃料电池在运输业的地位，尤其是在今后10年，车载贮氢和压缩技术的改进，燃料电池的技术潜力和经济潜力将得到发挥。

电力经济比较

燃料电池的影响力大小决定于它的经济优势大小，经济状况依次决定于效率高低、投资费用、燃料价格和电力价格。燃气轮机发电的投资约为600 $/kW，进行排污控制后，燃气轮机发电的投资约为1400 $/kW，估计燃料电池发电的投资约为1200 $/kW，可见燃料电池的经济优势，这将确立燃料电池在电力市场的地位。

环境的影响和输配电

在环境压力和送电费用的影响下，在选择发电技术时，对环境和输配电的重视程度将普遍增加，在容量小于50 MW时，燃料电池相对燃气轮机综合循环发电有高的竞争力。

在假定输配电投资为500 $/kW（工业国家平均值）的情况下，燃料电池发电的电力成本为0.073 $/kWh，燃气轮机综合循环发电的电力成本为0.077 $/kWh，燃煤循环发电的电力成本为0.083 $/kWh，在发展中国家，负荷更分散，输配电投资更高。

燃料电池展示出可在近期内与传统发电技术竞争的经济潜力，特别是在容量小于100 MW的电力系统。由于对余热发电和配电的兴趣普遍增加，小容量电力系统将在世界范围内迅速发展。由于人们越来越关注地球变暖、地面污染和输配电投资，燃料电池的前景将更加可观。

5. 燃料电池的潜在市场

市场划分

为便于评定燃料电池的市场潜力，将电力市场划分为中央电厂、分散发电、电厂改建和余热发电四部分，中央发电厂是传统的动力电源，用于大容量（>100 MW）发电，通常距用户较远，中央电厂常用的发电技术是燃煤蒸汽循环发电和燃气轮机综合循环发电。

分散发电的发电设备离用户很近。过去，分散发电局限于偏远地方或输配电投资非常高的地方，由于输配电成本的增加，分散发电可能在将来得到大发展。

旧发电厂的改建包括老机组退役后安装新机组或个别零部件的更新，大部分的改建都在旧机组的容量范围内进行。由于大量的旧电厂位于市区，政府禁止在市区安装传统发电机组，因此，燃料电池在这些地方将有吸引力。

余热发电包括向商业建筑、住宅区和工业区供电、供热。在近期内，燃料电池不可能成为工业余热发电的主力，在商业余热发电市场，燃料电池可能成为有竞争力的技术。

市场规模预测

发电量的需求在今后20年内将持续增长，工业国家的增长率约为每年1~3%，发展中国家约为每年~7%。