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摘要：以燃料电池作为中间媒介的能源系统逐渐被人们认识和接纳。但燃料电池除要接受技术上的检验外,还需进行环境、经济、能源等方面的分析评价。本文主要就如何进行燃料电池的运行经济性分析方法作一探讨，为更好的利用能源提供可靠的依据。
关键词：燃料电池； 经济性分析；费用
1 引言
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转变成电能的清洁、高效、新型发电装置，随着自然界资源的日益匮乏和环保意识的不断提高，燃料电池技术必将得到高度重视和快速发展。迄今已研究出多种燃料电池，包括碱性燃料电池、酸性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。近年来，航空飞行保障领域使用的燃料电池的研究也正在展开。为了节约能源、实现可持续性发展，提高航空用燃料电池的使用效率，除进行热力学分析，还必须对燃料电池进行经济性分析。
2 经济分析的内容
根据燃料电池的特性，经济性分析应包括三个部分：固定资本费用、固定生产费用、比例生产费用。固定资本费用：（1）用于设备的厂房方面的资本利息；（2）设备折旧费；（3）清偿安装费和用于此项目的设计和研究费；（4）保险费；（5）各种相关税金；（6）其他。上述费用是相对固定的，且与装置的输出功率无关。固定生产费用：（1）维修和操作人员的工资；（2）供维修用的消耗物资；（3）供维修用的燃料。这些费用不管是否已启用，是必须支出的。比例生产费用，本质上仅指消耗掉的燃料、氧化剂的费用，还可能包括生产最高功率所需的相关附加费用。
3各种费用的计算方法
对于以最大功率Ρmax工作的燃料电池来说，固定资本费用R应为
式中的Cmax是每单位最大功率的投资，L为电池装置的使用寿命，X为已ξ投资金额的利率，为一年中电池工作时间所占的比例。
固定生产费用F，应等于单位时间内整个装置的运行的费用除以所生产的最大功率Ρmax。比例生产费用Ｋ，可以用式来计算
式中：Ｃfuel是所用燃料的单位费用（即每单位质量燃料的费用）；E是单位质量燃料经化学反应所产生电能的理论值，称为比能量；是以最大功率运行时的能量效率。
当装置的使用寿命增加时，R就减少。当装置的利用率高时，R值也减少。反比于装置的工作效率。R、F和K都按时间、单位功率的费用来计算，其常用的单位为元/千瓦·小时。当装置不是以最大功率工作时，可以认为有一个负载系数f:
式中的Pprac是实际功率，f在0.1～0.7之间。
F费用部分又由两部分组成：固定费用和取决于电池使用程度的那部分维修费用。然而，作为一级近似，F可以不受f值变化的影响。
4 运行经济性分析
生产单位能量的总费用应为R、F和K三部分之和，即
当负载系数为f某一特定值时，总费用C有一最小值。如果辅助设备消耗了一部分功率，则必须对C值做修正。在费用的估算中，特别是投资费用R和固定生产费用F两部分，实际上主要是推算的。应该把单位经济功率所耗费用和单位最大功率所耗的费用加以区分，二者的关系可能主要取决于燃料的费用。在许多应用中，过载能力都是重要的，所以必须予以考虑。低温电池装置需用贵重的催化剂作为电极的组成部分，而且可能需要采用昂贵的燃料。当然，这些燃料可能在原地由廉价原料来制备。不过，这种电池不存在结构上腐蚀的问题、电池壳体与附属设备的制造不会太贵。然而这种电池的过载能力很差，而且单位最大功率的费用往往相当高。采用可溶性燃料的电池组的制造、安装费用，则大约比使用氢气的要高百分之五十。与低温工作的电池系统相比，高温系统的电极和所用燃料都比较便宜，但制造费用较高而且腐蚀问题肯定更为严重。此外，还需要配备昂贵的辅助设备，如启动时的预热装置和压力控制装置等。其投资费用很可能像离子交换膜电池那样高，但是由于这类电池的经验少，对其成本的估计的可靠性远远低于低温和中温电池。一般认为，中温电池的投资是较低的。从长远的观点来看，低温燃料电池组的投资费用将是最低的。固定生产费用F一般不如其他两项重要、燃料电池的维修通常不难，也不需要花费很多的资金，所以与这两项业务有关的供应物资费用和工资等与其他费用比较起来不会太高。
在K部分中，除了燃料以外的其他费用可能只占很小的一部分，而且可以认为与燃料费成正比，因此只需讨论燃料费用。由于几乎所有用于燃料电池装置的燃料是从天然气或石油中获得，所以对它们未来价格的预计就更受不到不确定性的影响。一般来说，任何燃料的价格也决定于需求量，因此供应大型电池装置的燃料比供应小型装置的燃料相对来说要便宜些。对于氢气和甲醇而言，氢气是最简单的一种燃料，但是它必须就近或者在远处用天然气、石油或者煤来生产。少量用氢时，价格相对来说要贵一些，因为就地生产氢气很可能是不经济的，而这种危险物资的储运和运输也很费钱，这是因为它的危险性和它难于液化。从这种观点看，尽管在产生相同功率的条件下，甲醇的成本较高，但是使用起来会更为有利。在部分费用的计算，还涉及能量效率，它随电池类型而变，也随电池负荷因素而变。
5 结束语
对燃料电池运行经济性分析的研究还刚起步，本文也只是讨论了燃料电池运行经济性分析的一般方法，以及各种费用具体的分析思路和计算步骤，还没有结合具体的装置进行深入分析。在今后的研究工作中，还需要结合具体的装置和运行情况，辅于一定的实验来获取各种数据，进行更为深入的研究。
参考文献：
[1]《THERMODYNAMICS》, J.P.Holman, McGraw-Hill Book Company 1980
[2]沈建其，何少龙，王新庆，王淼，单壁纳米碳管储氢机制研究，新型碳材料，2001，16（2）:24-26
[3]毛宗强，徐才录等，碳纳米纤维储氢性能初步研究，新型碳材料，2000，15（1）：64-66
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词：燃料电池； 经济性分析；费用
1 引言
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转变成电能的清洁、高效、新型发电装置，随着自然界资源的日益匮乏和环保意识的不断提高，燃料电池技术必将得到高度重视和快速发展。迄今已研究出多种燃料电池，包括碱性燃料电池、酸性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。近年来，航空飞行保障领域使用的燃料电池的研究也正在展开。为了节约能源、实现可持续性发展，提高航空用燃料电池的使用效率，除进行热力学分析，还必须对燃料电池进行经济性分析。
2 经济分析的内容
根据燃料电池的特性，经济性分析应包括三个部分：固定资本费用、固定生产费用、比例生产费用。固定资本费用：（1）用于设备的厂房方面的资本利息；（2）设备折旧费；（3）清偿安装费和用于此项目的设计和研究费；（4）保险费；（5）各种相关税金；（6）其他。上述费用是相对固定的，且与装置的输出功率无关。固定生产费用：（1）维修和操作人员的工资；（2）供维修用的消耗物资；（3）供维修用的燃料。这些费用不管是否已启用，是必须支出的。比例生产费用，本质上仅指消耗掉的燃料、氧化剂的费用，还可能包括生产最高功率所需的相关附加费用。
3各种费用的计算方法
对于以最大功率Ρmax工作的燃料电池来说，固定资本费用R应为
式中的Cmax是每单位最大功率的投资，L为电池装置的使用寿命，X为已ξ投资金额的利率，为一年中电池工作时间所占的比例。
固定生产费用F，应等于单位时间内整个装置的运行的费用除以所生产的最大功率Ρmax。比例生产费用Ｋ，可以用式来计算
式中：Ｃfuel是所用燃料的单位费用（即每单位质量燃料的费用）；E是单位质量燃料经化学反应所产生电能的理论值，称为比能量；是以最大功率运行时的能量效率。
当装置的使用寿命增加时，R就减少。当装置的利用率高时，R值也减少。反比于装置的工作效率。R、F和K都按时间、单位功率的费用来计算，其常用的单位为元/千瓦·小时。当装置不是以最大功率工作时，可以认为有一个负载系数f:
式中的Pprac是实际功率，f在0.1～0.7之间。
F费用部分又由两部分组成：固定费用和取决于电池使用程度的那部分维修费用。然而，作为一级近似，F可以不受f值变化的影响。
4 运行经济性分析
生产单位能量的总费用应为R、F和K三部分之和，即
当负载系数为f某一特定值时，总费用C有一最小值。如果辅助设备消耗了一部分功率，则必须对C值做修正。在费用的估算中，特别是投资费用R和固定生产费用F两部分，实际上主要是推算的。应该把单位经济功率所耗费用和单位最大功率所耗的费用加以区分，二者的关系可能主要取决于燃料的费用。在许多应用中，过载能力都是重要的，所以必须予以考虑。低温电池装置需用贵重的催化剂作为电极的组成部分，而且可能需要采用昂贵的燃料。当然，这些燃料可能在原地由廉价原料来制备。不过，这种电池不存在结构上腐蚀的问题、电池壳体与附属设备的制造不会太贵。然而这种电池的过载能力很差，而且单位最大功率的费用往往相当高。采用可溶性燃料的电池组的制造、安装费用，则大约比使用氢气的要高百分之五十。与低温工作的电池系统相比，高温系统的电极和所用燃料都比较便宜，但制造费用较高而且腐蚀问题肯定更为严重。此外，还需要配备昂贵的辅助设备，如启动时的预热装置和压力控制装置等。其投资费用很可能像离子交换膜电池那样高，但是由于这类电池的经验少，对其成本的估计的可靠性远远低于低温和中温电池。一般认为，中温电池的投资是较低的。从长远的观点来看，低温燃料电池组的投资费用将是最低的。固定生产费用F一般不如其他两项重要、燃料电池的维修通常不难，也不需要花费很多的资金，所以与这两项业务有关的供应物资费用和工资等与其他费用比较起来不会太高。
在K部分中，除了燃料以外的其他费用可能只占很小的一部分，而且可以认为与燃料费成正比，因此只需讨论燃料费用。由于几乎所有用于燃料电池装置的燃料是从天然气或石油中获得，所以对它们未来价格的预计就更受不到不确定性的影响。一般来说，任何燃料的价格也决定于需求量，因此供应大型电池装置的燃料比供应小型装置的燃料相对来说要便宜些。对于氢气和甲醇而言，氢气是最简单的一种燃料，但是它必须就近或者在远处用天然气、石油或者煤来生产。少量用氢时，价格相对来说要贵一些，因为就地生产氢气很可能是不经济的，而这种危险物资的储运和运输也很费钱，这是因为它的危险性和它难于液化。从这种观点看，尽管在产生相同功率的条件下，甲醇的成本较高，但是使用起来会更为有利。在部分费用的计算，还涉及能量效率，它随电池类型而变，也随电池负荷因素而变。
5 结束语
对燃料电池运行经济性分析的研究还刚起步，本文也只是讨论了燃料电池运行经济性分析的一般方法，以及各种费用具体的分析思路和计算步骤，还没有结合具体的装置进行深入分析。在今后的研究工作中，还需要结合具体的装置和运行情况，辅于一定的实验来获取各种数据，进行更为深入的研究。
参考文献：
[1]《THERMODYNAMICS》, J.P.Holman, McGraw-Hill Book Company 1980
[2]沈建其，何少龙，王新庆，王淼，单壁纳米碳管储氢机制研究，新型碳材料，2001，16（2）:24-26
[3]毛宗强，徐才录等，碳纳米纤维储氢性能初步研究，新型碳材料，2000，15（1）：64-66
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”