分布式燃料电池示范电站项目投资调研报告

分布式燃料电池示范电站项目调研报告（北京新材料发展中心投资发展部经理 谭永东）一、北京发展分布式电站的重要意义分布式电站是指分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用设施。通过在需求现场根据用户对能源的不同需求，实现对口供应电能，将输送环节的损耗降至最低。分布式电站的特点是：（1）节省输变电投资：分布式电站直接安置于用户近旁，由于输电距离短，没有或仅有很低的输配电损耗，无需建设配电站，可避免或延缓增加输配电成本。（2）供电可靠性提高：由于在用户近旁直接安置的分布式能源系统的动力装置相互独立，用户可自行控制，与大电网并联运行，可有效降低电力负荷波动对大电网的影响，减少发生严重事故的可能；电网一旦发生故障，分布式电站可以保证用户的供电不受影响，避免一些灾难性后果的发生。（3）满足特殊场合的需求：对供电安全稳定性要求高的医院、银行等特殊用户，这种供能方式最大的优点是可进行遥控和监测区域电力质量和性能，输电损失少，运行安全可靠。（4）具有良好的环保性能：分布式电站一般采用清洁燃料作能源，减少了粉尘、废气废水废渣的排放。（5）为能源的综合梯级利用提供了可能：当用户不仅仅需要电力，而且需要其它能量形式时，分布式电站可在小范围内实现热、电、冷联产。“十六大”提出2020年我国GDP要翻两番、达4万亿美元，届时全国约需发电装机容量为8亿9亿千瓦左右。目前国内已有装机容量是3.5亿千瓦，缺口达4.5亿5.5亿千瓦。实现上述目标，如果全部用煤就必须新增12亿吨以上电力用煤，由此将对资源、采掘、运输及环境带来难以承受之重。另外，我国能源资源分布很不均衡。煤炭探明储量的70%以上分布在华北和西北，可开发水能资源的68%集中在西南，而东部沿海发达地区及北京等能源电力消费中心地区缺少能源资源。第三，现代社会对供电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日益受到重视。近年来美国、加拿大、台湾相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失。这些由不可抗力引起的电网破坏无不使人引发出一个重要的思考：提高我国电力系统供电的可靠性和供电质量，虽然主要依靠电网的改造和技术革新，但如果在电网中有许多分布式电源在运转，供电的可靠性将会大大提高。对于北京而言，作为首都，拥有政府要害部门、军事指挥中心、大学、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、现代制造业，对电力供应的可靠性和质量要求很高。针对这些部门建设必要的分布式电站，会使供电的可靠性和电力质量大大提高。建设分布式电站可以是我国特别是北京这样的用电紧张地区缓解电力缺口、预防大面积停电事故发生、补充传统大电网、优化能源供应结构、提高电力配置效率、为新能源技术开拓产业应用市场的一个对策。二、采用质子交换膜型燃料电池技术路线的可行性分析1、分布式电站动力与能源转换设备技术的种类分布式电站技术主要包括动力与能源转换设备技术、一次和二次能源相关技术、智能控制与群控优化技术、综合系统优化技术、资源深度利用技术。动力与能源转换设备技术包括：(1)小型燃气轮机-在小型航空涡轮发动机技术的基础上，实现地面发电和供热的联产技术。目前我国在这一技术上已经可以开发相应产品，主要的问题是需要提高设备的能源转换效率，提高可靠性，延长设备检修周期，提高设备的自动智能控制水平；(2)微型燃气轮机-这是基于汽车发动机增压涡轮技术的延伸，关键技术在于精密铸造和烧结金属陶瓷转子，空气或磁悬浮轴承，高效回热利用技术，永磁发电技术，可控硅变频控制技术等。由于技术层次并不高，其中许多项目已经有专家在研究，只要国家真正重视，我国完全可以赶超世界先进水平；(3)燃气内燃机-内燃机技术对于我国已经非常成熟，但是燃气内燃机的制造水平与国际先进设备还存在比较大的差距，主要是转换效率、排放控制、电子控制和设备大修周期等，此外，国外正在发展的预燃、回热、增压涡轮技术，以及电子变频等技术，都是发展的重要方向；(4)斯特林发动机-外燃式斯特林技术我国已经有了比较大的突破，上海711所已经可以生产该技术的产品，目前主要是提高设备可靠性和发电效率，以及自动化控制水平；(5)燃料电池-该技术有质子交换膜、固体氧化物、熔融硅酸盐和氢氧重整等多种技术方式，该技术应用极为广泛，污染极小，而且可以同燃气轮机技术整合，发电效率将可能达到80，是未来最具有发展价值的技术；(6)微型蒸汽轮机-蒸汽轮机是非常传统的技术，但是利用一部噪音小、振动小、运行方便可靠的小型蒸汽轮机代替热交换器，将其中一部分能量转换为价值较高的电能，或者利用蒸汽管网中较低品位的蒸汽为制冰机组提供低温冷能，可以更好地利用蒸汽中的能量；(7)微型水轮机和微型抽水蓄能电站-小型、微型水轮机组不仅可以在任何有水位落差和水利压差的地方使用，而且可以广泛利用在分布式能源项目上。利用自来水管网的水能压力，或者建筑物可能产生的落差进行发电，并在用电低谷进行抽水蓄能，新型的微型水轮发电机组将可以采用电子变频控制技术，调整电能品质。该技术可以在一个孤网运行系统中，提供大功率启动电能；(8)太阳能发电和太阳热发电-利用太阳能量的发电技术，关键是降低成本，同时需要研究与其他能源利用方式和载体进行整合，将太阳热发电与沼气利用整合，将光伏电池与建筑材料整合，利用光导纤维与照明技术整合等等；(9)风能-风力发电是世界能源发展的一个重要方向，在大型风场大量利用大型风机发电将可以代替现有的火力发电系统，但是对于居住分散的用户小型高效的风力发电系统更加具有普及意义，小型风力发电系统主要需要解决的是成本、可靠性和蓄能问题；(10)余热制冷系统-利用动力机产生的余热供热制冷是分布式热电冷三联供系统的重要环节，尤其是制冷，可以采用吸收式制冷，也可以采用吸附式，以及余热-动力转换-低温制冷等技术，这些技术均比较成熟，关键是系统的集成和提高效率，以及降低造价等问题；(11)热泵-利用地源、水源和其他温差资源的能源利用技术，重点在于提高效率和增强与其他能源利用技术的整合能力；(12)能量回收系统-诸如将建筑物内电梯下行、汽车制动、自来水减压等能量回收的技术以及应用设备的研发。2、燃料电池技术的特点燃料电池(Fuel Cell,FC)是一种可将燃料(主要是H2)和氧化剂(空气中的02)中的化学能按电化学方式等温地、直接地、连续地转换为电能的电化学反应器。与常规的火力发电不同，燃料电池不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。与常规发电相比燃料电池具有以下优点：(1)理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到50%一60，组成的联合循环发电系统在(1050)MW规模即可达到70以上的发电效率。(2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，C02排出量可减少40一60。NOx排放量低于2ppm和SOx排放量低于1ppm。 (3)小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小，在低负荷时发电效率还会升高。(4)低噪音。在距发电设备3英尺(1044米)处噪音小于60dB(A)。(5)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。(6)变负荷率高。变负荷率可达到(8一lO)min，负荷变化的范围大(20%一120%)。(7)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。(8)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。(9)占地面积小，占地面积小于lm2KW。 (10)自动化程度高，可实现无人操作。与可做为分布式电源的其它动力与能源转换设备（比如内燃机）相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。在250KWlOMW的功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当甚至更高的发电效率。燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高、电力质量好等突出特点，是理想的分布式电源。3、分布式燃料电池电站技术的市场潜力分散式电源作为大电网的有效补充己得到许多国家的重视，而电源提供者的多元化更是一种趋势。像美国这样电力工业已很发达的情况下，将来对分布式燃料电池电站的市场规模约在17000MW/年以上。我国电网的容量大、技术水平和可靠性还较低、抵御各种灾害的能力较差，在这种情况下，小型高效的分布式燃料电池电站随着技术的商业化市场潜力巨大，对燃料电池的需量将远远大于17000MW/年。据日本政府预测，2010年分布式燃料电池装机容量将达到735MW。4、燃料电池技术的种类燃料电池历经一百多年发展，根据电池中所用电解质不同已形成六类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、直接氧化甲醇燃料电池（DMFC）、质子交换膜型燃料电池（PEMFC）。前两种电池开发地较早，也有一定范围的应用，但目前已经不是发展重点。MCFC工作温度约600，可以使用脱硫煤气作燃料，具有较高的热效率，结构简单，是美、日、欧发展的重点，目前主要技术问题已接近解决，进入了建立百千瓦级试验电站的阶段。SOFC是以煤造气为燃料的最理想的电池，工作温度为9001000，能提供优质的余热，热电效率高（60），利于煤气化联合运转，目前处于材料、结构、制造技术攻关阶段。DMFC以液体甲醇作燃料直接氧化发电，将它用作移动设备的电源比用纯氢作燃料和通过重整器得到的富氢气体作燃料要方便得多，所以受到人们的重视，目前这类电池还处于较为基础的电催化研究阶段。 PEMFC的工作温度低，一般为60100，它以全氟化的磺酸型固体聚合物为电解质，铂作为电催化剂，纯氢为燃料，空气为氧化剂，可以室温启动。 表 各种燃料电池性能参数比较 种类 性能质子交换膜燃料电池（PEMFC）碱性燃料电池（AFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）可溶性碳酸盐燃料电池（MCFC）磷酸燃料电池（PAFC）运行温度（）80801000650200动力/质量（瓦/千克）34015003510515203040120180效率40%60%40%60%45%50%50%57%40%47%启动时间秒分大于10小时大于10小时24小时燃料类型从甲醇、天然气中提取的纯氢纯氢天然气 合成气天然气 合成气天然气是否采用铂金是否否否是说明电解液材料是一层很薄的固态聚合体隔膜用陶瓷作为电解液材料采用液态电解液5、质子交换膜燃料电池技术的特点及在电站领域的示范应用PEMFC技术的特点有：运行温度低、可在低温下起动和工作，且无腐蚀性电解质，运行安全可靠，运行寿命长；负载连续；无运动部件、无震动、无噪音；模块结构、积木性强，适应不同的功率要求；比功率最高，可达1000W/L或1W/CM以上；效能高，比一般内燃机高20%30%；高能量密度，目前可达1.7公斤/千瓦和1.0立升/公斤；零排放。PEMFC电池在电站建设方面已得到一定程度的开发应用。美国在PEMFC的开发方面是面向家庭用分散式电源，实现热电联供。Plug-Power公司已推出一种家用35kw级利用天然气，经过PEM燃料电池发电装置，其所发电力的成本比电网电价降低约20%。供热型的57kw级家用PEMFC的优越性可以想象也是明显的。Plug -Power公司与GE合作，计划2001年使10kw PEMFC进入商业化，价格达到S7501000kw，大批量生产后，使PEMFC的价格达到$350kw。 加拿大在PEMFC方面居世界领先地位，已建成250kw PEMFC示范电站，目标是在近几年内使250kw级PEMPC商业化。加拿大Ballard公司推出的200250kw级PEM燃料电池组，彻底粉碎了“PEM燃料电池不易发展成为大型电站”的说法。日本的PEMFC被列入“新阳光计划”，目前开发的容量为(12)kw。我国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW电池组与电池系统。目前，我国上海正在示范以纯氢气为燃料的PEMFC分布能源，上海神力科技有限公司研制的510kw燃料电池发电站自2004年9月份起，每天连续运行9个小时左右，累计运行时间已达到1000小时。三、北京发展分布式PEMFC燃料电池电站的框架思路1、发展战略近期可瞄准为2008年奥运场馆的广告牌、记分牌、照明提供电力及可作为备用电源，籍此切入市场，建成示范性的分布式PEMFC燃料电池电站。中期可融入北京发展分布式能源体系的总体规划中，在全市范围内推广，建成批量生产能力。远期可顺应国家建设分布式能源体系战略的实施逐步进军环渤海地区乃至全国市场，建成新的产业亮点。2、技术方向技术原创方向放在研制一次能源重整制氢技术，一次能源重整制氢是解决分布式PEMFC燃料电池电站氢气来源问题的关键技术，目前世界最好的小型重整器技术在效率、寿命与造价上也仍未达到产业化要求的水平。力争在一次能源重整制氢技术上取得自主知识产权，建立核心竞争力。3、行业主体北京在PEMFC燃料电池行业的主体主要有：清华大学核研院核研院已制成一套200W的PEMFC电堆， 输出电压为6.3V，电流达30A。目前一种更小的PEMFC电堆已经研制成功。其输出功率分别为10和20瓦。其参数见下表。从表中可见，如能提高清华大学核研院的PEMFC电堆的电流密度，减薄端版厚度，则其性能可与美国 H-Power 公司相当。目前，改进工作仍在进行中。清华大学核研院小型PEMFC的特点是：使用自行研制的电催化剂，大幅度地降低了成本。 使用自行研制的薄金属双极板，大大减轻了电堆重量。国家“九五”攻关燃料电池项目中的催化剂子课题。清华大学还在研制Pt/C及抗CO多元催化剂，这是国家“九五”攻关燃料电池项目中的催化剂子课题。经过9个月的努力，清华大学已研制出Pt/C催化剂。其性能与美国E-Tech公司同类产品的比较见下图。图中可见：在常用的电压范围0.6-0.8伏，其性能已经超过美国E-Tech公司同类产品。目前，正采取新的措施争取进一步提高清华大学的产品性能。抗CO多元催化剂的研制工作正在进行中。发现对PEMFC电堆施加反向电压可提高PEMFC运行稳定性的新的更实用的方法，该方法的工程应用还需进一步研究。 美国 H-Power 公司 清华大学核研院 额定功率（W） 40 30 额定电压（V） 9 9 电流密度 (mA/cm2) 450 330 单电池数目 16 15 额定电压（V） 6,9,12. 6,16 6 长x宽x高（cm） 5.1 x 6.4 x 5.8 4.9 x 6.0 x 6.0 端板厚度（cm） 0.3 0.6 重量（kg） 0.36 0.46 北京飞驰绿能电源技术有限责任公司以开发质子交换膜燃料电池（PEMFC）为主攻方向，目前已经发展成为一个拥有自主知识产权的科研生产联合体。公司拥有全套制造技术、工艺装备和各种专用设备，投资5000多万元在中关村永丰基地建有燃料电池中试基地。在基础研究领域与清华大学核研院联合，目前已开发出额定功率为150W、250W、5kW、6.5kW、18kW及30kW六种型号的燃料电池（燃料为氢、氧或氢、空）并拥有五项专利技术和21项专有技术。公司开发重点是电动汽车用质子交换膜燃料电池发动机，产品功率密度高（达到650W/kG）、单体功率大。与国外竞争对手的相比，质量性能相差不大，但价格却远低于国外同类产品。预计中试成功进入产业化后，年产量可达5000千瓦，产值可达1000万元人民币。北京世纪富原燃料电池有限公司专门从事质子交换膜燃料电池(PEMFC)及其关键原材料技术开发、产品研制。1995年与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5kW的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。该公司陆续开发出1.5kW、5kW、10kW、30kW、45kW、75kW的电堆及3W手机燃料电池、30W笔记本电脑燃料电池、300W电动自行车燃料电池；该公司承担了国家863计划中的燃料电池发动机电池组课题，研究包括电池组膜电极技术的研究、电池关键材料的开发和产业化以及对电池组结构的优化。该公司在PEMFC关键原材料方面的主要产品有：全氟磺酸质子交换膜、全氟磺酸溶液、SJTB双极板、DDSL模压双极板、碳复合板、碳载铂催化剂和多孔扩散电极。其中，全氟磺酸质子交换膜和DDSL模压双极板先后通过了北京市科委主持的科技成果鉴定，其主要性能指标达到了国际先进水平，成本低于国外同类产品。公司在亦庄开发区投资6,500万元建有50亩燃料电池产业基地。北京金能燃料电池有限公司位于亦庄开发区，主要从事燃料电池技术开发，生产销售高性能全氟质子交换膜、高功率密度双网络膜电极、高比能便携自控式氢源和超大容量便携燃料电池。年产3000平方米全氟质子交换膜。主要产品:高性能全氟质子交换膜（EW1100，膜厚50m，膜电导率0.09S/cm(25)，膜含水率45%(100,1h)，拉伸模量270MPa(50%RH,23)，各向同性）；高性能全氟质子交换溶液（5wt.%，EW1100，成膜粘接性能优于国外同类产品）；高活性纯铂和碳载铂纳米催化剂；高功率密度双网络膜电极（常温常压干氢空气0.3W/cm2，常温常压干氢氧气0.6W/cm2）；超大容量便携自控式氢源（质量储氢率5-8）；超大容量便携燃料电池（500-1000Wh/kg）。 4、风险因素PEMFC燃料电池这一最前沿的高新技术，在分布式电站领域目前处于示范应用阶段，其商业化应用尚存在一系列技术性和非技术性的风险因素，需要通过技术创新、产业政策、社会配套设施等一揽子方案予以化解。1）生产成本高昂制约PEMFC燃料电池商业应用最大的因素是燃料电池的生产成本一直居高不下。燃料电池成本高的主要原因是尚未形成批量生产，一旦进入大批量生产阶段，燃料电池的价格肯定会大大降低。在降低燃料电池生产成本方面，有以下五个方面需要考虑：一是材料；二是综合系统的复杂性；三是温度局限性；四是生产工艺；五是电力密度。2）技术创新太快燃料电池的发展历程充满了创新，预计今后在以下方面将经历快速的更新换代：一是污染物（一氧化碳、硫等）的容忍程度；二是新的燃料电池材料；三是新的燃料电池发电厂系统。3）燃料电池适应性受限燃料电池由于受燃料尤其是氢燃料的生产、存储、运输技术的制约，其适应性受到一定限制。为此，需要在以下方面进一步开展研究：一是非传统方法储存氢气；二是改变燃料运送方法；三是研究可恢复的加工工艺；四是通过生物方法制造气体；五是多种气体供应的耐受性。4）系统集成复杂电力系统不仅要考虑发电过程，还需考虑输变电过程及相关的运行维护，它是一个综合系统。为此，需在以下方面加强研究：一是电力变流器；二是电力调节器；三是混合系统设计；四是混合系统集成和测试；五是运行和维护；六是综合系统的控制。5）耐性和可靠性不够需要在以下方面进一步加强研究：一是