像大型商店或醫(yī)院這樣的大型設(shè)施可以通過使用燃料電池來保持燈亮，燃料電池使用已經(jīng)流入大多數(shù)城市街道下方管道的天然氣。

 

設(shè)施可以使用天然氣動(dòng)力的固體氧化物燃料電池，而不是從電網(wǎng)獲取電力，以降低電力成本，提高電力可靠性，減少溫室氣體排放，甚至可以通過將多余的燃料電池產(chǎn)生的電力輸回到電網(wǎng)。根據(jù)燃料電池期刊發(fā)表的成本效益分析，假設(shè)燃料電池壽命得到改善，生產(chǎn)足夠的系統(tǒng)以達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)，這樣的能源未來是可能的。

 

如果取得這樣的進(jìn)展，能源部太平洋西北實(shí)驗(yàn)室的研究人員得出結(jié)論，天然氣固體氧化物燃料電池可以在滿足未來能源需求方面發(fā)揮重要作用。該技術(shù)有助于滿足未來十年全國(guó)需要的10%的電力增長(zhǎng)。能源信息署(US Energy Information Administration)估計(jì)需要68千兆瓦的發(fā)電量。

 

PNNL的研究重點(diǎn)是分布式發(fā)電，燃料電池就位于它們供電的各個(gè)設(shè)施中。這與傳統(tǒng)的發(fā)電能源方法不同，大型發(fā)電廠通常遠(yuǎn)離最終用戶。

 

固體氧化物燃料電池不是像內(nèi)燃機(jī)那樣燃燒燃料，而是電化學(xué)氧化它。每個(gè)電池由陶瓷材料制成，形成三層 - 陽(yáng)極，陰極和固體電解質(zhì)，非常像電池。必須將多個(gè)電池組裝成燃料電池堆以實(shí)現(xiàn)所需的功率輸出。

 

固體氧化物燃料電池在將化石燃料轉(zhuǎn)化為電能方面具有固有的高效性，PNNL獨(dú)特的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括陽(yáng)極回收，蒸汽重整和加壓，使技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

 

“在燃料電池的陽(yáng)極側(cè)，我們?cè)谡羝卣髦谢厥諒U熱以從燃料中擠出更多的能量 - 與典型的固體氧化物燃料系統(tǒng)相比，化學(xué)能量增加約25%，”材料工程師Larry Chick說。在PNNL。“電池組在高壓下工作 - 大約相當(dāng)于水下230英尺。這增加了功率密度，使電池組的尺寸縮小了約60%，顯著降低了燃料電池的總體成本。”

 

研究人員將他們的成本建模研究基于一個(gè)小型固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)在PNNL設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試，以及270千瓦的大型概念系統(tǒng)，足以為大型零售設(shè)施或輕工業(yè)提供動(dòng)力。成本估算以2012美元表示。

 

該研究表明，對(duì)于相同的功率輸出，天然氣燃料電池的建造成本比集中式天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠少三分之一。

 

“我們故意保守，因?yàn)槲覀冇?jì)算了建造和運(yùn)營(yíng)天然氣固體氧化物燃料電池和其他類型發(fā)電的成本，”PNNL經(jīng)濟(jì)學(xué)家Mark Weimar說。“例如，在將固體氧化物燃料電池與400兆瓦天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠進(jìn)行比較時(shí)，我們認(rèn)為較大的發(fā)電廠與較小的分布式發(fā)電燃料電池相比，天然氣的批發(fā)價(jià)格會(huì)更低，我們估計(jì)支付零售或幾乎是批發(fā)成本的兩倍。“

 

作者報(bào)告說，如果改善堆垛壽命并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，天然氣固體氧化物燃料電池可以與天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠相比具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，預(yù)計(jì)這些發(fā)電廠的總發(fā)電成本為每千瓦時(shí)6.5美分。他們計(jì)算出天然氣燃料電池的總電費(fèi)為每千瓦時(shí)8.2美分。

 

當(dāng)研究人員考慮分布式發(fā)電的額外好處時(shí)，它將成本降低到每千瓦時(shí)5.3美分。這些益處源于這樣的事實(shí)：燃料電池不具有與發(fā)電廠經(jīng)歷的輸電和配電電力線相關(guān)的額外成本和功率損耗。

 

效率更高，排放更低

 

天然氣燃料電池的高效率意味著更少的溫室氣體排放。PNNL原型顯示出56%的電轉(zhuǎn)換效率，而傳統(tǒng)燃煤電廠為32%，天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠為53%。該研究表明，與現(xiàn)代天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠相比，天然氣燃料電池系統(tǒng)每千瓦時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳減少15%。

 

另外，由于分布式發(fā)電天然氣燃料電池系統(tǒng)將安裝在現(xiàn)場(chǎng)，來自燃料電池的一些熱量可用于加熱水或內(nèi)部空間。如果只有20%的燃料電池?zé)崃咳〈耸褂秒娋W(wǎng)供電，那么燃料電池系統(tǒng)的二氧化碳排放量將比連接電網(wǎng)的大型天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠少22%。

 

目前，燃料電池堆僅持續(xù)約兩年。隨著時(shí)間的推移，隨著燃料和氧氣不斷被泵入并在電池中的催化劑上運(yùn)行，化學(xué)品開始降解并且系統(tǒng)開始磨損。該研究指出，燃料電池堆需要持續(xù)六到八年才能具有競(jìng)爭(zhēng)力，并且在研究成本比較表中使用了15年的壽命。

 

通過進(jìn)一步的研究，可以克服有限的堆棧壽命，“Chick說。”這是在集成系統(tǒng)上進(jìn)行可靠性測(cè)試并使用先進(jìn)的表征技術(shù)來確定什么會(huì)降低堆棧性能隨時(shí)間推移的問題。能源部的固體氧化物燃料電池計(jì)劃在過去十年中實(shí)現(xiàn)了有針對(duì)性的改進(jìn)，因此事情朝著正確的方向發(fā)展。“