鋰電世界     燃料電池是一種不經過燃燒過程直接以電化學反應方式將燃料和氧化劑的化學能轉變為電能的高效發電裝置，不同于一般電池，只要能保障燃料的供給，燃料電池將會持續發電。燃料電池技術主要應用領域包括三方面：固定式電站發電（主要電源、備用電源、熱電聯產）、交通運輸動力（燃料電池汽車）、便攜式電源。燃料電池是一種不經過燃燒過程直接以電化學反應方式將燃料和氧化劑的化學能轉變為電能的高效發電裝置。

    燃料電池通過氧與氫結合成水的電化學反應而發電，燃料電池的基本組成有電極、電解質、燃料和催化劑，以質子交換膜燃料電池為例，反應機理很簡單，H2在陽極催化劑的存在下被氧化成H+和e-，H+通過質子交換膜達到陰極，e-通過外電路達到陰極，和O2在陰極催化劑的作用下生成水。

    圖表1：燃料電池原理

    燃料電池具備發電站的功能，且效率高，無污染：發電時，燃料和氧化劑由電池外部分別供給電池的陽極和陰極，陽極發生燃料的氧化反應，陰極發生氧化劑的還原反應，電解質將兩個電極隔開，導電離子在電解質內移動。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不斷的產生電能。燃料電池的理想轉化效率為83%，目前實際轉換中國價值投資網最多、最好用研究報告服務商效率在45%-60%，而火力發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。

    按電解質材料，現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，工作溫度是室溫，是早期開發的產品，20世紀60-70年代用于阿波羅登月飛船、航天飛機、空間軌道站的動力電源，但是因為以液態氫為燃料的堿溶液型燃料電池造價昂貴，關注逐漸減少。

    磷酸型燃料電池以磷酸水溶液作為電解質，工作溫度100-200℃，是研究最多的燃料電池之一，20世紀60-70年代UTC等公司制造了64臺磷酸型燃料電池發電裝置，先后在美國、加拿大、日本進行了試運行，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的碳酸鹽（碳酸鋰、碳酸鉀）作為電解質，工作溫度600-700℃，發電效率45%-55%，不僅可以直接利用余熱進行供熱，而且排除的高溫氣體可以帶動汽輪機二次發電，1991年后日本把該型電池作為研究重點。

    工作溫度900-1000℃，發電效率50%-60%，可以直接利用進行供熱或二次發電，因此可以用于熱電聯供系統；SOFC的工作溫度位于800-100攝氏度，其優勢在于排放高溫預熱可進行綜合利用，易于實現熱電聯產，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，導致電池啟動慢，需要更多的保溫設備以維持電池高溫。

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

    燃料電池作為一種輕質、高效的動力源一直是航天的首選，Apollo飛船從1996年開始采用堿性燃料電池，服役期間累計運行時間超過10000小時，表現出良好的可靠性和安全性；美國航天飛機載有3個額定功率12kw的堿性燃料電池，采用液氫、液氧系統，燃料電池產生的水可以供航天員飲用，從1981年到2011年的30年間，燃料電池堆累計運行了101000小時，可靠性達到99%以上。

    圖表2：Apollo飛船和航天飛機用燃料電池

    根據FuelcellToday的數據，2012年燃料電池系統的出貨量為166MW，2013年在燃料電池電站的帶動下，出貨量將增長至215MW，從目前的商業化應用來看，MCFC、PEMFC和SOFC型燃料電池是最主要的技術路線，其中MCFC和SOFC主要應用于固定式燃料電池電站、家用熱電聯產，PEMFC主要應用于燃料電池汽車。

    我國天然氣進入快速發展階段后，天然氣消費中心也由產氣區周邊向東部地區和南部地區持續轉移，預計2020年，東南沿海、長三角、環渤海三大地區天然氣消費量將占全國總消費量的1/2以上，成為國內最大的天然氣消費地區。而我國國內天然氣資源主要分布在西北和西南，進口天然氣主要是從西北通過管道進來的中亞天然氣和沿海LNG；為了解決天然氣供需矛盾，我國目前天然氣發展提出了“海陸并舉、液氣俱重、多種渠道、保障供應”的發展舉措；我國天然氣供應格局呈現出“西氣東輸、海氣上岸、北氣南下”以及“就近外供”的局面。

    我國四大主力氣田——四川氣田、塔里木氣田、長慶氣田、柴達木氣田的天然氣，通過西氣東輸、陜京線、川氣東送等輸送到東部沿海。近幾年，隨著川東北地區普光、龍崗等特大型天然氣田的發現，我國天然氣上游勘探開發取得了重要成就。

    作為我國自行設計、建設的第一條世界級天然氣管道工程，西氣東輸一線120億立方米輸氣能力經過50億立方米的增輸工作后，輸氣能力達到每年170億方，加上山西提供的煤層氣和聯絡線增加的一些供應量，實際供氣能力達到200億方左右。西氣東輸二線的主供氣源來自土庫曼斯坦，與中國－中亞天然氣管道銜接，是我國第一條引進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，南達香港，東到上海，包括1條干線和8條支線，總長9102公里（其中主干線長4978公里），途徑新疆、湖北、江西、浙江、上海、廣西等14個省區市和香港特別行政區，年設計輸氣300億立方米，2011年6月投產。同時，西氣東輸三線規劃從新疆經江西到福建，已于2013年開工；西氣東輸四線也在積極規劃中。陜西北京天然氣管線由陜京一線、陜京二線和陜京三線，總輸氣能力達到每年350億方，已規劃了陜京西線，還在規劃陜京五線。

    中石化的以普光氣田為主要氣源的“川氣東送”，從四川到上海，途徑8省區，1700多公里，設計輸氣能力為每年120億立方米，增壓后可達到170億立方米，目前普光氣田產能已經達到100億方。另外，中石化正在規劃“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，設計輸氣范圍均為300億立方米/年；新粵浙管道估計總長度為7373公里，目的市場為新疆、甘肅、浙江、兩廣等13個省（區、市）；新魯管道估計總長度為4463公里，目的市場為河南、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華能、中國華電、中國國電及中電投等4家央企、萬向及新疆廣匯、新疆勵晶煤業等公司落實了煤制氣外輸管道工程氣源協定。

    圖1：我國目前天然氣管道布局

    截至2012年底，我國已建成投入運營的天然氣管道達到5萬公里：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線、榆林-濟南輸氣管道、忠武線、秦沈天然氣管道、西氣東輸聯絡線的冀寧線和淮武線等；即將開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，這些長距離天然氣管線的修建已初步構成一個全國網絡，這些全國性天然氣管網將最終解決中國最發達地區——環渤海地區、長江三角洲和珠江三角洲地區的天然氣供應和消費基本平衡。

    我國陸上三大油氣進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上，中亞天然氣管道全線于2008年6月開工建設。中亞天然氣管線是中國首條跨國輸氣管線，起自土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦兩國邊境，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全長1801公里，是迄今為止全球規劃上的最長的天然氣管道。中亞天然氣管線與中國境內的西氣東輸二線鏈接，年輸氣設計能力為400億立方米；其中，300億立方米輸往中國，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濟發達、天然氣用量大的珠三角和長三角等地區。

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

    西南方向，2009年中國和緬甸簽署了《關于建設中緬原油和天然氣管道的政府協議》。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行。其中，中緬天然氣管線輸送的是緬甸西海天然氣，經保山、大理等城市進入貴州，最終到達廣西南寧，年輸氣120億立方米，管道全長2806公里。中緬原油管道先于2009年10月開工，預計2013年中緬油氣管道建成投產。中緬油氣管道，避開了“馬六甲困局”，在我國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月開工外，2011年1月正式投產之外，中俄規劃的中俄天然氣管線也還在推進中；中俄天然氣管線東線和西線，分別從中國東北和西北入境每年向中國輸送約700億立方米的天然氣；其中，西線利用西西伯利亞的資源，進入中國新疆，每年輸送約300億立方米，通過西氣東輸供應長三角乃至珠三角；東線利用東西伯利亞、遠東與薩哈林大陸架的天然氣田，進入中國黑龍江，每年輸送約380億立方米，通過中國東北天然氣官網供應東北和環渤海地區。之前，雙方由于天然氣價格談不攏，近期以俄方參股中國天然氣管道建設、中方參與俄上游天然氣開發的“新思路”，或將使中俄天然氣談判獲得突破。

    圖2：我國2015年管網布局