鋰電世界     燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置，不同于一般電池，只要能保障燃料的供給，燃料電池將會(huì)持續(xù)發(fā)電。燃料電池技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域包括三方面：固定式電站發(fā)電（主要電源、備用電源、熱電聯(lián)產(chǎn)）、交通運(yùn)輸動(dòng)力（燃料電池汽車）、便攜式電源。燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。

    燃料電池通過(guò)氧與氫結(jié)合成水的電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電，燃料電池的基本組成有電極、電解質(zhì)、燃料和催化劑，以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，反應(yīng)機(jī)理很簡(jiǎn)單，H2在陽(yáng)極催化劑的存在下被氧化成H+和e-，H+通過(guò)質(zhì)子交換膜達(dá)到陰極，e-通過(guò)外電路達(dá)到陰極，和O2在陰極催化劑的作用下生成水。

    圖表1：燃料電池原理

    燃料電池具備發(fā)電站的功能，且效率高，無(wú)污染：發(fā)電時(shí)，燃料和氧化劑由電池外部分別供給電池的陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生氧化劑的還原反應(yīng)，電解質(zhì)將兩個(gè)電極隔開(kāi)，導(dǎo)電離子在電解質(zhì)內(nèi)移動(dòng)。不同于普通的電池，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷的產(chǎn)生電能。燃料電池的理想轉(zhuǎn)化效率為83%，目前實(shí)際轉(zhuǎn)換中國(guó)價(jià)值投資網(wǎng)最多、最好用研究報(bào)告服務(wù)商效率在45%-60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%-40%。燃料電池生成物主要是水，基本上不排.放有害氣體，是一種非常清潔的能源。

    按電解質(zhì)材料，現(xiàn)在推出的燃料電池可以分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固體氧化物燃料電池和質(zhì)子交換膜型燃料電池。

    堿性燃料電池用堿性液體作為電解質(zhì)，工作溫度是室溫，是早期開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，20世紀(jì)60-70年代用于阿波羅登月飛船、航天飛機(jī)、空間軌道站的動(dòng)力電源，但是因?yàn)橐砸簯B(tài)氫為燃料的堿溶液型燃料電池造價(jià)昂貴，關(guān)注逐漸減少。

    磷酸型燃料電池以磷酸水溶液作為電解質(zhì)，工作溫度100-200℃，是研究最多的燃料電池之一，20世紀(jì)60-70年代UTC等公司制造了64臺(tái)磷酸型燃料電池發(fā)電裝置，先后在美國(guó)、加拿大、日本進(jìn)行了試運(yùn)行，但是磷酸星燃料電池在能量綜合利用方面不如熔融碳酸鹽和固體氧化物燃料電池。

    熔融碳酸鹽型燃料電池以高溫下處于熔融狀態(tài)的碳酸鹽（碳酸鋰、碳酸鉀）作為電解質(zhì)，工作溫度600-700℃，發(fā)電效率45%-55%，不僅可以直接利用余熱進(jìn)行供熱，而且排除的高溫氣體可以帶動(dòng)汽輪機(jī)二次發(fā)電，1991年后日本把該型電池作為研究重點(diǎn)。

    工作溫度900-1000℃，發(fā)電效率50%-60%，可以直接利用進(jìn)行供熱或二次發(fā)電，因此可以用于熱電聯(lián)供系統(tǒng)；SOFC的工作溫度位于800-100攝氏度，其優(yōu)勢(shì)在于排放高溫預(yù)熱可進(jìn)行綜合利用，易于實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，且不需要采用貴金屬催化劑。但是SOFC工作溫度很高，導(dǎo)致電池啟動(dòng)慢，需要更多的保溫設(shè)備以維持電池高溫。

    質(zhì)子交換膜型燃料電池采用氟系高分子膜作為電解質(zhì)，工作溫度60-100℃，便于小型化，1997年Ballard建成了3輛質(zhì)子交換膜電池作為能源系統(tǒng)的公交車。質(zhì)子交換膜燃料電池PEM型FC的工作溫度為80攝氏度，適用于便攜式電源、機(jī)動(dòng)車電源和中小型發(fā)電系統(tǒng)。

    燃料電池作為一種輕質(zhì)、高效的動(dòng)力源一直是航天的首選，Apollo飛船從1996年開(kāi)始采用堿性燃料電池，服役期間累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10000小時(shí)，表現(xiàn)出良好的可靠性和安全性；美國(guó)航天飛機(jī)載有3個(gè)額定功率12kw的堿性燃料電池，采用液氫、液氧系統(tǒng)，燃料電池產(chǎn)生的水可以供航天員飲用，從1981年到2011年的30年間，燃料電池堆累計(jì)運(yùn)行了101000小時(shí)，可靠性達(dá)到99%以上。

    圖表2：Apollo飛船和航天飛機(jī)用燃料電池

    根據(jù)FuelcellToday的數(shù)據(jù)，2012年燃料電池系統(tǒng)的出貨量為166MW，2013年在燃料電池電站的帶動(dòng)下，出貨量將增長(zhǎng)至215MW，從目前的商業(yè)化應(yīng)用來(lái)看，MCFC、PEMFC和SOFC型燃料電池是最主要的技術(shù)路線，其中MCFC和SOFC主要應(yīng)用于固定式燃料電池電站、家用熱電聯(lián)產(chǎn)，PEMFC主要應(yīng)用于燃料電池汽車。

    我國(guó)天然氣進(jìn)入快速發(fā)展階段后，天然氣消費(fèi)中心也由產(chǎn)氣區(qū)周邊向東部地區(qū)和南部地區(qū)持續(xù)轉(zhuǎn)移，預(yù)計(jì)2020年，東南沿海、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海三大地區(qū)天然氣消費(fèi)量將占全國(guó)總消費(fèi)量的1/2以上，成為國(guó)內(nèi)最大的天然氣消費(fèi)地區(qū)。而我國(guó)國(guó)內(nèi)天然氣資源主要分布在西北和西南，進(jìn)口天然氣主要是從西北通過(guò)管道進(jìn)來(lái)的中亞天然氣和沿海LNG；為了解決天然氣供需矛盾，我國(guó)目前天然氣發(fā)展提出了“海陸并舉、液氣俱重、多種渠道、保障供應(yīng)”的發(fā)展舉措；我國(guó)天然氣供應(yīng)格局呈現(xiàn)出“西氣東輸、海氣上岸、北氣南下”以及“就近外供”的局面。

    我國(guó)四大主力氣田——四川氣田、塔里木氣田、長(zhǎng)慶氣田、柴達(dá)木氣田的天然氣，通過(guò)西氣東輸、陜京線、川氣東送等輸送到東部沿海。近幾年，隨著川東北地區(qū)普光、龍崗等特大型天然氣田的發(fā)現(xiàn)，我國(guó)天然氣上游勘探開(kāi)發(fā)取得了重要成就。

    作為我國(guó)自行設(shè)計(jì)、建設(shè)的第一條世界級(jí)天然氣管道工程，西氣東輸一線120億立方米輸氣能力經(jīng)過(guò)50億立方米的增輸工作后，輸氣能力達(dá)到每年170億方，加上山西提供的煤層氣和聯(lián)絡(luò)線增加的一些供應(yīng)量，實(shí)際供氣能力達(dá)到200億方左右。西氣東輸二線的主供氣源來(lái)自土庫(kù)曼斯坦，與中國(guó)－中亞天然氣管道銜接，是我國(guó)第一條引進(jìn)境外天然氣資源的大型管道工程，西起新疆霍城縣的霍爾果斯首站，南達(dá)香港，東到上海，包括1條干線和8條支線，總長(zhǎng)9102公里（其中主干線長(zhǎng)4978公里），途徑新疆、湖北、江西、浙江、上海、廣西等14個(gè)省區(qū)市和香港特別行政區(qū)，年設(shè)計(jì)輸氣300億立方米，2011年6月投產(chǎn)。同時(shí)，西氣東輸三線規(guī)劃從新疆經(jīng)江西到福建，已于2013年開(kāi)工；西氣東輸四線也在積極規(guī)劃中。陜西北京天然氣管線由陜京一線、陜京二線和陜京三線，總輸氣能力達(dá)到每年350億方，已規(guī)劃了陜京西線，還在規(guī)劃陜京五線。

    中石化的以普光氣田為主要?dú)庠吹摹按鈻|送”，從四川到上海，途徑8省區(qū)，1700多公里，設(shè)計(jì)輸氣能力為每年120億立方米，增壓后可達(dá)到170億立方米，目前普光氣田產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到100億方。另外，中石化正在規(guī)劃“新疆煤制自然氣外輸管道”，該工程包含新粵浙管道和新魯管道，設(shè)計(jì)輸氣范圍均為300億立方米/年；新粵浙管道估計(jì)總長(zhǎng)度為7373公里，目的市場(chǎng)為新疆、甘肅、浙江、兩廣等13個(gè)省（區(qū)、市）；新魯管道估計(jì)總長(zhǎng)度為4463公里，目的市場(chǎng)為河南、山東、河北、北京、天津、安徽、江蘇共7省市。中石化已分別與中國(guó)華能、中國(guó)華電、中國(guó)國(guó)電及中電投等4家央企、萬(wàn)向及新疆廣匯、新疆勵(lì)晶煤業(yè)等公司落實(shí)了煤制氣外輸管道工程氣源協(xié)定。

    圖1：我國(guó)目前天然氣管道布局

    截至2012年底，我國(guó)已建成投入運(yùn)營(yíng)的天然氣管道達(dá)到5萬(wàn)公里：已建成的天然氣管道主要包括西氣東輸一線、西氣東輸二線、川氣東送工程、陜京一線、陜京二線、陜京三線、澀西蘭輸氣管道及復(fù)線、榆林-濟(jì)南輸氣管道、忠武線、秦沈天然氣管道、西氣東輸聯(lián)絡(luò)線的冀寧線和淮武線等；即將開(kāi)建的天然氣管道主要包括西氣東輸三線、陜京四線、新疆煤制自然氣外輸管道的新粵浙管道和新魯管道等；即將規(guī)劃的天然氣管道主要還有西氣東輸四線、陜京五線等，這些長(zhǎng)距離天然氣管線的修建已初步構(gòu)成一個(gè)全國(guó)網(wǎng)絡(luò)，這些全國(guó)性天然氣管網(wǎng)將最終解決中國(guó)最發(fā)達(dá)地區(qū)——環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲地區(qū)的天然氣供應(yīng)和消費(fèi)基本平衡。

    我國(guó)陸上三大油氣進(jìn)口管道也將逐漸成型。中亞天然氣管道、中緬天然氣管線和俄羅斯天然氣管線將從西南、西北、東北三個(gè)不同方位入境。

    西北方向，在中哈原油管道和中哈天然氣管道的基礎(chǔ)上，中亞天然氣管道全線于2008年6月開(kāi)工建設(shè)。中亞天然氣管線是中國(guó)首條跨國(guó)輸氣管線，起自土庫(kù)曼斯坦和烏茲別克斯坦兩國(guó)邊境，途徑烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦，在新疆霍爾果斯入境中國(guó)全長(zhǎng)1801公里，是迄今為止全球規(guī)劃上的最長(zhǎng)的天然氣管道。中亞天然氣管線與中國(guó)境內(nèi)的西氣東輸二線鏈接，年輸氣設(shè)計(jì)能力為400億立方米；其中，300億立方米輸往中國(guó)，100億立方米用于滿足哈薩克斯坦的用氣需求；中亞的天然氣將直接輸送到經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、天然氣用量大的珠三角和長(zhǎng)三角等地區(qū)。

    管線于2011年雙線通氣，未來(lái)輸氣能力最高可達(dá)500億-600億立方米/年。去年中石油從中亞進(jìn)口天然氣達(dá)到170億方，今年將達(dá)到250億方左右。

    西南方向，2009年中國(guó)和緬甸簽署了《關(guān)于建設(shè)中緬原油和天然氣管道的政府協(xié)議》。中緬管道為天然氣、石油雙線并行，將采取先建輸氣管、再建輸油管的方式進(jìn)行。其中，中緬天然氣管線輸送的是緬甸西海天然氣，經(jīng)保山、大理等城市進(jìn)入貴州，最終到達(dá)廣西南寧，年輸氣120億立方米，管道全長(zhǎng)2806公里。中緬原油管道先于2009年10月開(kāi)工，預(yù)計(jì)2013年中緬油氣管道建成投產(chǎn)。中緬油氣管道，避開(kāi)了“馬六甲困局”，在我國(guó)油氣安全方面有著重要意義。

    另外，俄羅斯方面，除了中俄原油管道已于2009年9月開(kāi)工外，2011年1月正式投產(chǎn)之外，中俄規(guī)劃的中俄天然氣管線也還在推進(jìn)中；中俄天然氣管線東線和西線，分別從中國(guó)東北和西北入境每年向中國(guó)輸送約700億立方米的天然氣；其中，西線利用西西伯利亞的資源，進(jìn)入中國(guó)新疆，每年輸送約300億立方米，通過(guò)西氣東輸供應(yīng)長(zhǎng)三角乃至珠三角；東線利用東西伯利亞、遠(yuǎn)東與薩哈林大陸架的天然氣田，進(jìn)入中國(guó)黑龍江，每年輸送約380億立方米，通過(guò)中國(guó)東北天然氣官網(wǎng)供應(yīng)東北和環(huán)渤海地區(qū)。之前，雙方由于天然氣價(jià)格談不攏，近期以俄方參股中國(guó)天然氣管道建設(shè)、中方參與俄上游天然氣開(kāi)發(fā)的“新思路”，或?qū)⑹怪卸硖烊粴庹勁蝎@得突破。

    圖2：我國(guó)2015年管網(wǎng)布局