燃料電池范文10篇

1基本原理

普通電池是將電池內(nèi)部的化學能轉變成電能，而燃料電池是將電池外部的燃料（氫和氧）通過化學反應，將其釋放的能量轉變成電能輸出。燃料電池外部的燃料存儲系統(tǒng)是一個活動裝置，可以方便地更換和補充燃料。

燃料電池的基本原理是水的電解的逆反應。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質組成。工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣），在電極上常使用催化劑（例如白金）來加速電化學反應。氫在負極分解成正離子H＋和電子e。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。

2燃料電池的種類及其特點

2.1質子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCells—PEMFC)

該電池的電解質為離子交換膜，薄膜的表面涂有可以加速反應的催化劑（如白金），其兩側分別供應氫氣及氧氣。由于PEM燃料電池的唯一液體是水，因此腐蝕問題很小，且操作溫度介于80℃～100℃之間，安全上的顧慮較低；其缺點是，作為催化劑的白金價格昂貴。PEMFC是輕型汽車和家庭應用的理想電力能源，它可以替代充電電池。22堿性燃料電池(AlkalineFuelCells—AFC)

、引言

早在19世紀法國科幻小說鼻祖凡爾納的小說中，預想家們就預言，有朝一日社會將通過以氫為基礎的能源而被徹底改造。這種重量很輕的氣體是宇宙中最豐富的元素，它能夠從水中制成；它出奇地潔凈；燃燒時排放出基本上是新鮮的蒸汽。當被輸人到產(chǎn)生電力的燃料電池中時，它提供空前的效率一這些電化學反應堆從燃料中所攝取的有用能量高達內(nèi)燃機的兩倍。

當人類步人21世紀，開始面臨著巨大的能源壓力。傳統(tǒng)的能源（主要是不可再生的化石燃料）正

日趨枯竭，過度依賴石油進口引起地緣政治不穩(wěn)定而且化石燃料燃燒后排放的廢氣造成嚴重的空氣污染，甚至加速氣候變化，因此要實現(xiàn)經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展，尋找新的替代能源迫在眉睫。氫能作

為最潔凈、高效的新能源，已經(jīng)引起全世界的廣泛關注。

燃料電池（FC）技術的突飛猛進使得氫能的夢想在21世紀開始變成現(xiàn)實。近年來，以氫為動力的

1質子交換膜燃料電池的結構及原理

按照電解質的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類。PEMFC單電池由質子交換膜、氣體擴散電極、雙極板等構成，圖1是其結構與工作原理示意圖。

PEMFC的基本工作過程如下：

（1）氫氣通過雙極板上的導氣通道到達電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；

（2）氫離子以水合質子H+（xH2O）的形式通過電解質膜到達陰極，電子在陽極側積累；

（3）氧氣通過雙極板到達陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽極間形成一個電勢差；

【摘要】燃料電池具有非同尋常的性能：電效率可達60％以上，而且可以在帶著部分負荷運行的情況下進行維修，除了有低比率碳氧化物排放外幾乎沒有任何有害的排放物。文章介紹按溫度劃分的4種主要燃料電池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重點介紹高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)的應用及其發(fā)展前景。WithdemonstrationprojectsfuelcellsareWelluderwaytowardpenetratingthepowermarket,coveringawiderangeofapplication．ThispaperintroducesthemainfourtypesoffuelcellswhicharePEMFC,PAFC，MCFCandSOFC．ThenitputstheemphasisonSOFCanditsapplicationmarket．

燃料電池是通過由電解液分隔開的2個電極中間的燃料(如天然氣、甲醇或純凈氫氣)的化學反應直接產(chǎn)生出電能。與汽輪發(fā)電機生產(chǎn)的電能相比，燃料電池具有非同尋常的特性：它的電效率可達60％以上，可以在帶部分負荷運行的情況下進行維修，而且除了排放低比率碳氧化物外，幾乎沒有任何其他的有害排放物。

1燃料電池的分類

目前研制的燃料電池技術在運行溫度上有不同的類型，從比室溫略高直到高達1000℃的范

圍。大多數(shù)工業(yè)集團公司的注意力集中在以下4種主要類型上：

(1)運行溫度在60-80℃之間的聚合物電解液隔膜型燃料電池(PEMFC)；

【摘要】本文介紹了燃料電池發(fā)電技術的特點和應用形式，論證了在我國電力系統(tǒng)發(fā)展燃料電池發(fā)電技術的必要性。概述了國外燃料電池的發(fā)展計劃和市場預測，總結了國外發(fā)展燃料電池的經(jīng)驗。通過技術比較，提出了在我國電力系統(tǒng)發(fā)展燃料電池發(fā)電的技術路線。

燃料電池發(fā)電是將燃料的化學能直接轉換為電能的過程，其發(fā)電效率不受卡諾循環(huán)的限制，發(fā)電效率可達到50％一70％，被譽為二十一世紀重要的發(fā)電新技術之一。目前，國際上磷酸型燃料電池已進入商業(yè)化，其它幾種燃料電池預計在2005年一2010年200KW一將全面進入商業(yè)此。對于這種蓬勃發(fā)展的發(fā)電新技術，國家電力公司應該采取怎樣態(tài)度?要不要發(fā)展?怎樣發(fā)展?這些問題亟待解決。

l燃料電池發(fā)電的技術特點和應用形式

1．1技術特點

燃料電池發(fā)電是在一定條件下使燃料(主要是H2)和氧化劑(空氣中的02)發(fā)電化學反應，將化學能直接轉換為電能和熱能的過程。與常規(guī)電池的不同：只要有燃料和氧化劑供給，就會有持續(xù)不斷的電力輸出。與常規(guī)的火力發(fā)電不同，它不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉換效率高。與常規(guī)發(fā)電相比燃料電池具有以下優(yōu)點：

(1)理論發(fā)電效率高，發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｈ剂想姵乇倔w的發(fā)電效率可達到50%一60％，組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在(10-50)MW規(guī)模即可達到70％以上的發(fā)電效率。

1.磷酸型燃料電池(PAFC)

PAFC技術開發(fā)的現(xiàn)狀與動向：

日本自實施月光計劃以來，作為國家級項目，正在實施5000千瓦級加壓型和1000千瓦級常壓型電廠實證運行。目前，磷酸型燃料電池的發(fā)電效率為30％～40％，如果將熱利用考慮進去，綜合效率可高達60％～80％。

除日本外，目前世界約有60臺PAFC發(fā)電設備在運轉，總輸出功率約為4.1萬千瓦。按國別和地區(qū)劃分日本為2.9萬千瓦，美國8000千瓦，歐洲3000千瓦，亞洲900千瓦。運轉中的發(fā)電設備除3臺(日本2臺，意大利1臺)為加壓型外，其他均為常壓型。磷酸型燃料電池的制造廠家目前主要為日本和美國，設備主要銷往歐、亞。

美國已完成基礎研究，200千瓦級電廠用電池近期有望商品化，但大容量電廠用電池處于停滯狀態(tài)。德國已引進美國200千瓦級電廠用電池進行試驗運行。另外，瑞典、意大利、瑞士等國也引進日、美的電池進行試運行。

2.熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)

【摘要】本文概述了燃料電池的工作特點和原理，介紹了發(fā)電系統(tǒng)的組成、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對我國應用燃料電池發(fā)電的資源條件進行了評估，展望了這一技術在電力系統(tǒng)的應用前景、將對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的重要影響，它將使傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)產(chǎn)生重大的變革，它會使電力系統(tǒng)更加安全、經(jīng)濟。最后提出了發(fā)展燃料電池發(fā)電的具體建議。

1．引言能源是經(jīng)濟發(fā)展的基礎，沒有能源工業(yè)的發(fā)展就沒有現(xiàn)代文明。人類為了更有效地利用能源一直在進行著不懈的努力。歷史上利用能源的方式有過多次革命性的變革，從原始的蒸汽機到汽輪機、高壓汽輪機、內(nèi)燃機、燃氣輪機，每一次能源利用方式的變革都極大地推進了現(xiàn)代文明的發(fā)展。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人們逐漸認識到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。一是儲存于燃料中的化學能必需首先轉變成熱能后才能被轉變成機械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機端所獲得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地損失掉了；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了巨量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。對于發(fā)電行業(yè)來說，雖然采用的技術在不斷地升級，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機組，開發(fā)出了流化床燃燒和整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術，但這種努力的結果是：機組規(guī)模巨大、超高壓遠距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率仍然只有35%左右，大規(guī)模的污染仍然沒有得到根本解決。多年來人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環(huán)境的能源利用方式。這就是燃料電池發(fā)電技術。1839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機和電極過程動力學的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀50年代才有了實質性的進展，英國劍橋大學的Bacon用高壓氫氧制成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應用于阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應用于宇航領域，同時，兆瓦級的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領域中得到應用。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能，直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結構、積木性強、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。大型電站，火力發(fā)電由于機組的規(guī)模足夠大才能獲得令人滿意的效率，但裝有巨型機組的發(fā)電廠又受各種條件的限制不能貼進用戶，因此只好集中發(fā)電由電網(wǎng)輸送給用戶。但是機組大了其發(fā)電的靈活性又不能適應戶戶的需要，電網(wǎng)隨用戶的用電負荷變化有時呈現(xiàn)為高峰，有時則呈現(xiàn)為低谷。為了適應用電負荷的變化只好備用一部分機組或修建抽水蓄能電站來應急，這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價的。傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機這些龐大的設備上，燃燒時還會排放大量的有害物質。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學能直接轉換為電能，不需要進行燃燒，沒有轉動部件，理論上能量轉換率為100%，裝置無論大小實際發(fā)電效率可達40%～60%，可以實現(xiàn)直接進入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達80%，裝置為集木式結構，容量可小到只為手機供電、大到和目前的火力發(fā)電廠相比，非常靈活。燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四電裝置和替代內(nèi)燃機的動力裝置。國際能源界預測，燃料電池是21世紀最有吸引力的發(fā)電方法之一。我國人均能源資源貧乏，在目前電網(wǎng)由主要缺少電量轉變?yōu)橹饕鄙傧到y(tǒng)備用容量、調峰能力、電網(wǎng)建設滯后和傳統(tǒng)的發(fā)電方式污染嚴重的情況下，研究和開發(fā)微型化燃料電池發(fā)電具有重要意義，這種發(fā)電方式與傳統(tǒng)的大型機組、大電網(wǎng)相結合將給我國帶來巨大的經(jīng)濟效益。2.燃料電池的特點與原理由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉換的損失，達到很高的發(fā)電效率。同時還有以下一些特點：l不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發(fā)電效率；不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率；具有很強的過負載能力；通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機組的容量的自由度大；電池本體的負荷響應性好，用于電網(wǎng)調峰優(yōu)于其他發(fā)電方式；用天然氣和煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。如此由燃料電池構成的發(fā)電系統(tǒng)對電力工業(yè)具有極大的吸引力。燃料電池按其工作溫度是不同，把堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型質子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內(nèi)）和磷酸型燃料電池（PAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，工作溫度為650℃）和固體氧化型燃料電池（SOFC，工作溫度為1000℃）稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質量排氣而進行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池。另一種分類是按其開發(fā)早晚順序進行的，把PAFC稱為第一代燃料電池，把MCFC稱為第二代燃料電池，把SOFC稱為第三代燃料電池。這些電池均需用可燃氣體作為其發(fā)電用的燃料。燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理。氫-氧燃料電池反應原理這個反映是電觧水的逆過程。電極應為：負極：H2+2OH-→2H2O+2e-正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-電池反應：H2+1/2O2==H2O另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側氣體流路構成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經(jīng)過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H+）相關，發(fā)生的反應為：燃料極：H2=2H++2e-（1）空氣極：2H++1/2O2+2e-=H2O（2）全體：H2+1/2O2=H2O（3）氫氧燃料電池組成和反應循環(huán)圖在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-，H+移動到電解質中與空氣極側供給的O2發(fā)生反應。e-經(jīng)由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構成了發(fā)電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應，H2所具有的化學能轉變成了電能。但實際上，伴隨著電極的反應存在一定的電阻，會引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉換成電能的比例。引起這些反應的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應面積成比。單電極組裝示意圖PAFC的電解質為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質為質子導電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進反應，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是對于低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限制。磷酸型燃料電池基本組成和反應原理磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質器，把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應器中經(jīng)觸媒劑轉化成H2和CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。相對PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用，而且還具有易于利用其高質量排氣構成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點。MCFC主構成部件。含有電極反應相關的電解質（通常是為Li與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導電體。電極為鎳系的多孔質體，氣室的形成采用抗蝕金屬。MCFC工作原理。空氣極的O2（空氣）和CO2與電相結合，生成CO23-（碳酸離子），電解質將CO23-移到燃料極側，與作為燃料供給的H+相結合，放出e-，同時生成H2O和CO2。化學反應式如下：燃料極：H2+CO23-=H2O+2e-+CO2（4）空氣極：CO2+1/2O2+2e-=CO23-（5）全體：H2+1/2O2=H2O（6）在這一反應中，e-同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動實現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點是，必須要有有助于反應的CO23-離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內(nèi)部改質，在電池內(nèi)部直接生成H2的方法也已開發(fā)出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應生成H2，因此，可以等價地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。SOFC是以陶瓷材料為主構成的，電解質通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構成了O2-的導電體Y2O3（氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復合多孔體構成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同，電解質之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開發(fā)出了為避免應力集中的圓筒型。SOFC的反應式如下：燃料極：H2+O2-=H2O+2e-（7）空氣極：1/2O2+2e-=O2-（8）全體：H2+1/2O2=H2O（9）燃料極，H2經(jīng)電解質而移動，與O2-反應生成H2O和e-。空氣極由O2和e-生成O2-。全體同其他燃料電池一樣由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4改質成H2加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。表1燃料電池的分類類型磷酸型燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）固體氧化物型燃料電池（SOFC）質子交換膜燃料電池（PEMFC）燃料煤氣、天然氣、甲醇等煤氣、天然氣、甲醇等煤氣、天然氣、甲醇等純H2、天然氣電解質磷酸水溶液KliCO3溶鹽ZrO2-Y2O3(YSZ)離子(Na離子)電極陽極多孔質石墨(Pt催化劑)多孔質鎳(不要Pt催化劑)Ni-ZrO2金屬陶瓷(不要Pt催化劑)多孔質石墨或Ni(Pt催化劑)陰極含Pt催化劑+多孔質石墨+Tefion多孔NiO（摻鋰）LaXSr1-XMn(Co)O3多孔質石墨或Ni(Pt催化劑)工作溫度~200℃~650℃800~1000℃~100℃近20多年來，燃料電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，燃料電池的研究和應用正以極快的速度在發(fā)展。AFC已在宇航領域廣泛應用，PEMFC已廣泛作為交通動力和小型電源裝置來應用，PAFC作為中型電源應用進入了商業(yè)化階段，MCFC也已完成工業(yè)試驗階段，起步較晚的作為發(fā)電最有應用前景的SOFC已有幾十千瓦的裝置完成了數(shù)千小時的工作考核，相信隨著研究的深入還會有新的燃料電池出現(xiàn)。美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料電池電廠、熔融碳酸鹽燃料電池電廠、質子交換膜燃料電池電廠作為示范。日本已開發(fā)了數(shù)種燃料電池發(fā)電裝置供公共電力部門使用，其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到"電站"階段。已建成兆瓦級燃料電池示范電站進行試驗，已就其效率、可運行性和壽命進行了評估，期望應用于城市能源中心或熱電聯(lián)供系統(tǒng)。日本同時建造的小型燃料電池發(fā)電裝置，已廣泛應用于醫(yī)院、飯店、賓館等。3．燃料電池發(fā)電系統(tǒng)3.1.利用天然氣的發(fā)電系統(tǒng)MCFC需要供給的燃料氣體是H2，它可由天然氣中的CH4改質生成，其反應在改質器中進行。改質器出口的溫度為600℃，符合MCFC的工作溫度，可以原樣直接輸送到燃料極側。另一方面，空氣極側需要的O2通過空氣壓縮機供給。另一個反應因素CO2，空氣極側反應等量地再利用發(fā)電時燃料極產(chǎn)生的CO2。除了有CO2外，燃料極排出氣體還含有未反應的可燃成份，一起輸送到改質器的燃燒器側，天然氣改質所必需的熱量就由該燃燒熱供給。這種情況下，排出的燃料氣體會含有過多的H2O，將影響發(fā)熱量，為此通常是先將排出燃料氣體冷卻，將水份濾去后再輸送到改質器的燃燒側。從改質器燃燒側出來的氣體與來自壓縮機的空氣相混合后供給空氣極側。實際的電池因內(nèi)部存在電阻會發(fā)熱，故通過在空氣極側中流過的大量氧化氣體（陰極氣體，即含有O2、CO2的氣體）來除去其發(fā)生的熱。通常是按600℃供給的氣體在700℃下排出，這一指標可通過在空氣極側進行流量調整來控制，為此采用陰極氣體的再循環(huán)，即，空氣極側供給的氣體為以改質器燃燒排氣與部分空氣極側排出氣體的混合體，為了保持電池入口和出口的溫度為最佳溫度，可將再循環(huán)流量與外部供給的空氣流量一起調整。來自空氣極側的排氣為高溫，送入最終的膨脹式透平，進行動力回收，作為空氣壓縮動力而應用。剩余的動力，由發(fā)電機發(fā)電回收，從而可以提高整套系統(tǒng)的效率。另外，天然氣改質所必需的H2O（水蒸汽）可從排出的燃料氣體中回收的H2O來供給。這種系統(tǒng)的效率可達55~60%。在整套出力中MCFC發(fā)電量份額占90%。絕大部分的發(fā)電量是由MCFC生產(chǎn)的。如果考慮到排氣形成的動力回收和若干的附加發(fā)電，廣義上也可以稱為聯(lián)合發(fā)電。在使用PAFC的情況下，若以煤炭為燃料發(fā)電時就不容易了，采用天然氣時，其構成類似于MCFC機組，基本上是由電池本體發(fā)電。原因是PAFC排出氣體溫度較低，與其進行附加發(fā)電不如作為熱電聯(lián)產(chǎn)電源。SOFC能和較高溫度的排氣體構成附加發(fā)電系統(tǒng)，由于SOFC不需要CO2的再循環(huán)等，結構簡單，其發(fā)電效率可以達到50~60%。3.2利用煤炭的發(fā)電系統(tǒng)以MCFC為例進行介紹。煤炭需經(jīng)煤氣化裝置生成作為MCFC可用燃料的CO及H2，并在進入MCFC前除去其中含有的雜質（微量的雜質就會構成對MCFC的惡劣影響），這種供給MCFC精制煤氣，其壓力通常高于MCFC的工作壓力，在進入MCFC供氣前先經(jīng)膨脹式渦輪機回收其動力。渦輪機出口氣體，經(jīng)與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約700℃）相混合，調整為對電池的適宜溫度（約600℃）。該陽極氣體的再循環(huán)是，將排出的燃料氣體中所含的未反應的燃料成分返回入口加以再利用，借以達到提高燃料的利用率。向空氣極側供給O2和CO2是通過空氣壓縮機輸出的空氣和排出燃料氣體相混合來完成的。但是，碳酸氣是采用觸媒燃燒器將未燃的H2及CO變換成H2O和CO2后供給的。實際的燃料電池，內(nèi)部電阻會發(fā)熱，將通過在空氣極側流過的大量的氧化劑氣體（陰極氣體，即含有O2和CO2的氣體）而除去。通常通過調整空氣極側的流量，把以600℃供給的氣體在700℃排出。為此采用了陰極氣體再循環(huán)，使空氣極側的排氣形成約700℃的高溫。因此，在這個循環(huán)回路中設置了熱交換器，將氣體溫度冷卻到600℃，形成電池入口適宜的溫度，與來自觸媒燃燒器的供給氣體相混合。空氣極側的出入口溫度，取決于再循環(huán)和來自壓縮機的供給空氣流量和再循環(huán)回路中的熱交換量。排熱回收系統(tǒng)（末級循環(huán)），是由利用空氣極側排氣的膨脹式渦輪機和利用蒸汽的汽輪機發(fā)電來構成。膨脹式渦輪機與壓縮機的相組合，其剩余動力用于發(fā)電。蒸汽是由來自其下流的熱回收和煤氣化裝置以及陰極氣體再循環(huán)回路中的蒸汽發(fā)生器之間的組合產(chǎn)生，形成汽水循環(huán)。這種機組的發(fā)電效率，因煤氣化方式和煤氣精制方式等的不同而有若干差異。利用煤系統(tǒng)SOFC其構成是復雜的。但若用管道氣就簡單多了，主要的是采用煤炭氣化系統(tǒng)造成的，其效率為45~55%。4．我國燃料電池的發(fā)展狀況我國的燃料電池研究始于1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開展了MCFC的研究。70年代在航天事業(yè)的推動下，中國燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間中國科學院大連化學物理研究所研制成功的兩種類型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級AFC）均通過了例行的航天環(huán)境模擬試驗。1990年中國科學院長春應用化學研究所承擔了中科院PEMFC的研究任務，1993年開始進行直接甲醇質子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設備研究所于1991年研制出由7個單電池組成的MCFC原理性電池。"八五"期間，中科院大連化學物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所、清華大學等國內(nèi)十幾個單位進行了與SOFC的有關研究。到90年代中期，由于國家科技部與中科院將燃料電池技術列入"九五"科技攻關計劃的推動，中國進入了燃料電池研究的第二個高潮。質子交換膜燃料電池被列為重點，以大連化學物理研究所為牽頭單位，在中國全面開展了質子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，并組裝了多臺百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW電池組與電池系統(tǒng)。5kW電池組包括內(nèi)增濕部分其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。我國科學工作者在燃料電池基礎研究和單項技術方面取得了不少進展，積累了一定經(jīng)驗。但是，由于多年來在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術的總體水平來看，與發(fā)達國家尚有較大差距。我國有關部門和專家對燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學會議上對我國燃料電池技術的發(fā)展進行了專題討論，強調了自主研究與開發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年我國加強了在PEMFC方面的研究力度。2000年大連化學物理研究所與中科院電工研究所已完成30kW車用用燃料電池的全部試驗工作。北京富原公司也宣布，2001年將提供40kW的中巴燃料電池，并接受訂貨。科技部副部長徐冠華一年前在EVS16屆大會上宣布，中國將在2000年裝出首臺燃料電池電動車。我國燃料電池的研究工作已表明：1.中國的質子交換膜燃料電池已經(jīng)達到可以裝車的技術水平；2.大連化學物理研究所的質子交換膜燃料電池是具有我國自主知識產(chǎn)權的高技術成果；3.在燃料電池研究方面我國可以與世界發(fā)達國家進行競爭，而且在市場份額方面，我國可以并且有能力占有一定比例。但是我國在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面還有較大的差距，目前仍處于研制階段。此前參與燃料電池研究的有關概況如下：4.1.PEMFC的研究狀況我國最早開展PEMFC研制工作的是長春應用化學研究所，該所于1990年在中科院扶持下開始研究PEMFC，工作主要集中在催化劑、電極的制備工藝和甲醇外重整器的研制,已制造出100WPEMFC樣機。1994年又率先開展直接甲醇質子交換膜燃料電池的研究工作。該所與美國CaseWesternReserve大學和俄羅斯氫能與等離子體研究所等建立了長期協(xié)作關系。中國科學院大連化學物理所于1993年開展了PEMFC的研究,在電極工藝和電池結構方面做了許多工作，現(xiàn)已研制成工作面積為140cm2的單體電池，其輸出功率達0.35W/cm2。清華大學核能技術設計院1993年開展了PEMFC的研究,研制的單體電池在0.7V時輸出電流密度為100mA/cm2，改進石棉集流板的加工工藝，并提出列管式PEMFC的設計，該單位已與德國Karlsrube研究中心建立了一定的協(xié)作關系。天津大學于1994年在國家自然科學基金會資助下開展了PEMFC的研究，主要研究催化劑和電極的制備工藝。復旦大學在90年代初開始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制備和電極制備工藝。廈門大學近年來與香港大學和美國的CaseWesternReserve大學合作開展了直接甲醇PEMFC的研究。1994年，上海大學與北京石油大學合作研究PEMFC("八五"攻關項目)，主要研究催化劑、電極、電極膜集合體的制備工藝。北京理工大學于1995年在兵器工業(yè)部資助下開始了PEMFC的研究，目前單體電池的電流密度為150mA/cm2。中國科學院工程熱物理研究所于1994年開始研究PEMFC，主營使用計算傳熱和計算流體力學方法對各種供氣、增濕、排熱和排水方案進行比較，提出改進的傳熱和傳質方案。天津電源研究所1997年開始PEMFC的研究,擬從國外引進1.5kW的電池，在解析吸收國外先進技術的基礎上開展研究。華南理工大學于1997年初在廣東省佛山基金資助下開展了PEMFC的研究，與國家科委電動車示范區(qū)建設相配合作了一定的研究工作。其天然氣催化轉化制一氧化碳和氫氣的技術現(xiàn)已申請國家發(fā)明專利。中科院電工研究所最近開展了電動車用PEMFC系統(tǒng)工程和運行模式研究，擬與有色金屬研究院合作研究PEMFC/光伏電池(制氫)互補發(fā)電系統(tǒng)和從國外引進PEMFC裝置。1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進行PEMFC的研制與開發(fā)，5kW的PEMFC樣機現(xiàn)已研制成功并開始接受訂貨。4.2.MCFC的研究簡況國內(nèi)開展MCFC研究的單位不太多。哈爾濱電源成套設備研究所在80年代后期曾研究過MCFC，90年代初停止了這方面的研究工作。1993年中國科學院大連化學物理研究所在中國科學院的資助下開始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滾壓法和帶鑄法制備出MCFC用的隔膜，組裝了單體電池，其性能已達到國際80年代初的水平。90年代初，中國科學院長春應用化學研究所也開始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制備方法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽極材料等方面取得了很大進展。北京科技大學于90年代初在國家自然科學基金會的資助下開展了MCFC的研究，主要研究電極材料與電解質的相互作用，提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。中國科學院上海冶金研究所近年來也開始了MCFC的研究，主要著重于研究氧化鎳陰極與熔融鹽的相互作用。1995年上海交通大學與長慶油田合作開始了MCFC的研究，目標是共同開發(fā)5kW～10kW的MCFC。中國科學院電工研究所在"八五"期間，考察了國外MCFC示范電站的系統(tǒng)工程，調查了電站的運行情況，現(xiàn)已開展了MCFC電站系統(tǒng)工程關鍵技術的研究與開發(fā)。4.3.SOFC的研究簡況最早開展SOFC研究的是中國科學院上海硅酸鹽研究所他們在1971年就開展了SOFC的研究，主要側重于SOFC電極材料和電解質材料的研究。80年代在國家自然科學基金會的資助下又開始了SOFC的研究，系統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽極材料、單體SOFC結構等，已初步掌握了濕化學法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術。吉林大學于1989年在吉林省青年科學基金資助下開始對SOFC的電解質、陽極和陰極材料等進行研究,組裝成單體電池，通過了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計委和國家計委450萬元人民幣的資助，先后研究了電極、電解質、密封和聯(lián)結材料等,單體電池開路電壓達1.18V，電流密度400mA/cm2，4個單體電池串聯(lián)的電池組能使收音機和錄音機正常工作。1991年中國科學院化工冶金研究所在中國科學院資助下開展了SOFC的研究，從研制材料著手,制成了管式和平板式的單體電池，功率密度達0.09W/cm2～0.12W/cm2，電流密度為150mA/cm2～180mA/cm2，工作電壓為0.60V～0.65V。1994年該所從俄羅斯科學院烏拉爾分院電化學研究所引進了20W～30W塊狀疊層式SOFC電池組,電池壽命達1200h。他們在分析俄羅斯疊層式結構、美國Westinghouse的管式結構和德國Siemens板式結構的基礎上，設計了六面體式新型結構，該結構吸收了管式不密封的優(yōu)點，電池間組合采用金屬氈柔性聯(lián)結，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。中國科學技術大學于1982年開始從事固體電解質和混合導體的研究，于1992年在國家自然科學基金會和"863"計劃的資助下開始了中溫SOFC的研究。一種是用納米氧化鋯作電解質的SOFC，工作溫度約為450℃。另一種是用新型的質子導體作電解質的SOFC，已獲得接近理論電動勢的開路電壓和200mA/cm2的電流密度。此外,他們正在研究基于多孔陶瓷支撐體的新一代SOFC。清華大學在90年代初開展了SOFC的研究，他們利用緩沖溶液法及低溫合成環(huán)境調和性新工藝成功地合成了固體電解質、空氣電極、燃料電極和中間聯(lián)結電極材料的超細粉,并開展了平板型SOFC成型和燒結技術的研究,取得了良好效果。華南理工大學于1992年在國家自然科學基金會、廣東省自然科學基金、汕頭大學李嘉誠科研基金、廣東佛山基金共一百多萬元的資助下開始了SOFC的研究,組裝的管狀單體電池，用甲烷直接作燃料,最大輸出功率為4mW/cm2，電流密度為17mA/cm2，連續(xù)運轉140h，電池性能無明顯衰減。中國科學院山西煤炭化學研究所在1994年開始SOFC研究，用超細氧化鋯粉在1100℃下燒結制成穩(wěn)定和致密的氧化鋯電解質。該所從80年代初開始煤氣化熱解的研究，以提供燃料電池的氣源。煤的灰熔聚氣化過程已進入工業(yè)性試驗階段，正在鎮(zhèn)江市建立工業(yè)示范裝置。該所還開展了使煤氣化熱解的煤氣在高溫下脫硫除塵和甲醇脫氫生產(chǎn)合成氣的研究，合成氣中CO和H2的比例為1∶2，已有成套裝置出售。中國科學院大連化學物理所于1994年開展了SOFC的研究工作，在電極和電解質材料的研究上取得了可喜的進展。中國科學院北京物理所于1995年在國家自然科學基金會的資助下，開展了用于SOFC的新型電解質和電極材料的基礎性研究。（

近幾年我國燃料電池的研究開發(fā)取得了長足的進展，特別在質子交換膜燃料電池方面，達到或接近了世界水平；在熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池技術等方面也取得一些進展。但在總體上，我國燃料電池仍處于科研階段，與國外相比，水平較低。發(fā)達國家都已將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，并取得了許多重要成果，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼建成，即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機而廣泛應用于發(fā)電及汽車動力。我國應集中研究力量，加大投入，大力推動燃料電池發(fā)電技術的研究開發(fā)和應用工作。

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而以電化學反應方式將燃料的化學能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，可以用天然氣、石油液化氣、煤氣等作為燃料。也是煤炭潔凈轉化技術之一。按電解質種類可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、再生氫氧燃料電池(RFC)、直接醇類燃料電池（DMFC），還有如新型儲能電池、固體聚合物型電池等。

氫和氧氣是燃料電池常用的燃料氣和氧化劑。此外，CO等一些氣體也可作為MCFC與SOFC的燃料。從長遠發(fā)展看，高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)是利用煤炭資源進行高效、清潔發(fā)電的有效途徑。我國豐富的煤炭資源是燃料電池所需燃料的巨大來源。

燃料電池具有高效率、無污染、建設周期短、易維護以及成本低的誘人特點，它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機、潛艇、水下機器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，還能解決電網(wǎng)調峰問題。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，市場前景十分廣闊。人們預測，燃料電池將成為繼火電、水電、核電后的第四電方式[1]，它將引發(fā)21世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。

1，中國燃料電池技術的進展

“燃料電池技術”是我國“九五”期間的重大發(fā)展項目，目標是，利用我國的資源優(yōu)勢，從高起點做起，加強創(chuàng)新；在“九五”期間，使我國燃料電池的技術發(fā)展接近國際水平。內(nèi)容包括“質子交換膜燃料電池技術”、“熔融碳酸鹽燃料電池技術”及“固體氧化物燃料電池技術”三大項目[2]，其中，用于電動汽車的“5kW質子交換膜燃料電池”列為開發(fā)的重點。此項任務由中國科學院及部門所屬若干研究所承擔。所定目標業(yè)已全部實現(xiàn)。

現(xiàn)階段，最主要也是最具前景的氫能利用方式就是燃料電池。燃料電池是唯一同時兼?zhèn)錈o污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續(xù)工作和積木化的動力源，其主要應用途徑是汽車用。過去10年西方汽車商在研究開發(fā)燃料電池上的投資高達100億美元，其中80%用于開發(fā)車用燃料電池。預計未來5年西方在該領域的投入至少還將增加40億美元。2002年美國政府對燃料電池研究的投入約為2.2億美元，日本的研發(fā)預算也增加到2.2億美元。美國ArthurD.Little公司估計，2007年燃料電池在運輸方面的商業(yè)價值將達到90億美元。美國、德國、日本在目前的燃料電池技術研發(fā)（氫能開發(fā)）領域處于領先地位。

燃料電池的類型主要有質子交換膜燃料電池（PEMFC，最有前途）；堿性燃料電池（AFC）；磷酸鹽型燃料電池（PAFC）；熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）；固體氧化物燃料電池（SOFC）。

I.堿性燃料電池（AFC）

這種電池用35%~45%KOH為電解液，滲透于多孔而惰性的基質隔膜材料中，工作溫度小于100℃。該種電池的優(yōu)點是氧在堿液中的電化學反應速度比在酸性液中大，因此有較大的電流密度和輸出功率。但氧化劑應為純氧，電池中貴金屬催化劑用量較大，而利用率不高。目前，此類燃料電池技術的發(fā)展已非常成熟，并已經(jīng)在航天飛行及潛艇中成功應用。發(fā)展堿性燃料電池的核心技術是要避免二氧化碳對堿性電解液成分的破壞，不論是空氣中百萬分之幾的二氧化碳成分還是烴類的重整氣使用時所含有的二氧化碳，都要進行去除處理，這無疑增加了系統(tǒng)的總體造價。此外，電池進行電化學反應生成的水需及時排出，以維持水平衡。因此，簡化排水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)也是堿性燃料電池發(fā)展中需要解決的核心技術。

II.酸型燃料電池（PAFC）

這種電池采用磷酸為電解質，工作溫度200℃左右。其突出優(yōu)點是貴金屬催化劑用量比堿性氫氧化物燃料電池大大減少，還原劑的純度要求有較大降低，一氧化碳含量可允許達5%。該類電池一般以有機碳氫化合物為燃料，正負電極用聚四氟乙烯制成的多孔電極，電極上涂Pt作催化劑，電解質為85%的H3PO4。在100~200℃范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，導電性強。磷酸電池較其他燃料電池制作成本低，已接近可供民用的程度。目前，國際上功率較大的實用燃料電池電力站均用這種燃料的電池。美國將磷酸型燃料電池列為國家級重點科研項目進行研究開發(fā)，向全世界出售200kW級的磷酸型燃料電池，日本制造出了世界上最大的（11MW）磷酸型燃料電池。到2002年初，美國已在全世界安裝測試了200kWPAFC發(fā)電裝置235套，累計發(fā)電470萬小時。在美國和日本，有幾套裝置已達到連續(xù)發(fā)電1萬小時的設計目標。歐洲現(xiàn)有5套200kWPAFC發(fā)電裝置在運轉。日本福日電器和三菱電器已經(jīng)開發(fā)出500kWPAFC發(fā)電系統(tǒng)。我國魏子棟等人進行Pt3（Fe/Co）/C氧還原電催化劑的研究，并提出了Fe/Co對Pt的錨定效應。磷酸型燃料電池發(fā)電技術目前已得到高速發(fā)展，但是其啟動時間較長以及余熱利用價值低等發(fā)展障礙導致其發(fā)展速度減緩。

【摘要】由于航天和國防的需要，才開發(fā)了液氫和液氧的小型燃料電池，應用于空間飛行和潛水艇。近二三十年來，由于一次能源的匱乏和環(huán)境保護的突出，要求開發(fā)利用新的清潔再生能源。燃料電池由于具有能量轉換效率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點而受到世界各國的普遍重視。

早在1839年，英國人W.Grove就提出了氫和氧反應可以發(fā)電的原理，這就是最早的氫-氧燃料電池(FC)。但直到20世紀60年代初，由于航天和國防的需要，才開發(fā)了液氫和液氧的小型燃料電池，應用于空間飛行和潛水艇。近二三十年來，由于一次能源的匱乏和環(huán)境保護的突出，要求開發(fā)利用新的清潔再生能源。燃料電池由于具有能量轉換效率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點而受到世界各國的普遍重視。美國礦物能源部長助理克.西格爾說：“燃料電池技術在21世紀上半葉在技術上的沖擊影響，會類似于20世紀上半葉內(nèi)燃機所起的作用。”福特汽車公司主管PNGV經(jīng)理鮑伯.默爾稱，燃料電池必會給汽車動力帶來一場革命，燃料電池是唯一同時兼?zhèn)錈o污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續(xù)工作和積木化的動力裝置。預期燃料電池會在國防和民用的電力、汽車、通信等多領域發(fā)揮重要作用。美國ArthurD.Little公司最新估計，2000年燃料電池在能源系統(tǒng)市場將提供1500～2000MW動力，價值超過30億美元，車輛市場將超過20億美元；2007年燃料電池在運輸方面的商業(yè)價值將達到90億美元。

燃料電池的工作原理和分類、特點和優(yōu)勢

燃料電池發(fā)生電化學反應的實質是氫氣的燃燒反應。它與一般電不同之處在于燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是起催化轉換作用。所需燃料(氫或通過甲烷、天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空氣)不斷由外界輸入，因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的裝置。以熔融碳酸鹽型燃料電池為例，圖1為燃料電池的結構示意圖。

圖1熔融碳酸鹽燃料電池單電池結構示意圖

在燃料電池電極上反應如下：