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關(guān)于燃料電池發(fā)電技術(shù)調(diào)研報(bào)告 (一 )
作者:遼寧電力科學(xué)研究院孔憲文桂敏言(遼寧省電力有限公司馮玉全)【摘要】本文概述了燃料電池的工作特點(diǎn)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(yīng)用燃料電池發(fā)電的資源條件進(jìn)行了評估，展望了這一技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)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(huì)使電力系統(tǒng)更加安全、經(jīng)濟(jì)。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(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，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(jìn)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(jī)到汽輪機(jī)、高壓汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，每一次能源利用方式的變革都極大地推進(jìn)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(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。一是儲(chǔ)存于燃料中的化學(xué)能必需首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機(jī)端所獲得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地?fù)p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(shù)在不斷地升級，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機(jī)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(shù)，但這種努力的結(jié)果是：機(jī)組規(guī)模巨大、超高壓遠(yuǎn)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(shù)。
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(diǎn)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(jī)和電極過程動(dòng)力學(xué)的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀(jì)50年代才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，英國劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應(yīng)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(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時(shí)，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(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、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(jī)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(jī)組的發(fā)電廠又受各種條件的限制不能貼進(jìn)用戶，因此只好集中發(fā)電由電網(wǎng)輸送給用戶。但是機(jī)組大了其發(fā)電的靈活性又不能適應(yīng)戶戶的需要，電網(wǎng)隨用戶的用電負(fù)荷變化有時(shí)呈現(xiàn)為高峰，有時(shí)則呈現(xiàn)為低谷。為了適應(yīng)用電負(fù)荷的變化只好備用一部分機(jī)組或修建抽水蓄能電站來應(yīng)急，這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價(jià)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(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無論大小實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，可以實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實(shí)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(dá)80%，裝置為集木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機(jī)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、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。國際能源界預(yù)測，燃料電池是21世紀(jì)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(zhuǎn)變?yōu)橹饕鄙傧到y(tǒng)備用容量、調(diào)峰能力、電網(wǎng)建設(shè)滯后和傳統(tǒng)的發(fā)電方式污染嚴(yán)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(jī)組、大電網(wǎng)相結(jié)合將給我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
2.燃料電池的特點(diǎn)與原理
由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。同時(shí)還有以下一些特點(diǎn)：
l不管是滿負(fù)荷還是部分負(fù)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(qiáng)的過負(fù)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(jī)組的容量的自由度大；
電池本體的負(fù)荷響應(yīng)性好，用于電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)于其他發(fā)電方式；
用天然氣和煤氣等為燃料時(shí)，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。
如此由燃料電池構(gòu)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(zhì)子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質(zhì)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(zhì)量排氣而進(jìn)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(jìn)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?xì)怏w作為其發(fā)電用的燃料。
燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)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(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)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(yīng)原理
這個(gè)反映是電觧水的逆過程。電極應(yīng)為：
負(fù)極：H2+2OH-→2H2O+2e-
正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-
電池反應(yīng)：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(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)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(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)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(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H+）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)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(yīng)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(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)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(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。
引起這些反應(yīng)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(yīng)面積成比。
單電極組裝示意圖
PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進(jìn)反應(yīng)，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(yīng)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(yīng)嚴(yán)格地加以限制。
磷酸型燃料電池基本組成和反應(yīng)原理
磷酸燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進(jìn)入燃料堆的負(fù)極(燃料極)，同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)用，而且還具有易于利用其高質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點(diǎn)。
MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)（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(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)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(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。
MCFC工作原理�？諝鈽O的O2（空氣）和CO2與電相結(jié)合，生成CO23-（碳酸離子），電解質(zhì)將CO23-移到燃料極側(cè)，與作為燃料供給的H+相結(jié)合，放出e-，同時(shí)生成H2O和CO2。化學(xué)反應(yīng)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(yīng)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(dòng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點(diǎn)是，必須要有有助于反應(yīng)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(zhì)，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(yīng)生成H2，因此，可以等價(jià)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(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構(gòu)成了O2-的導(dǎo)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(fù)合多孔體構(gòu)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(zhì)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(yīng)力集中的圓筒型。SOFC的反應(yīng)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(zhì)而移動(dòng)，與O2-反應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)
磷酸水溶液
KliCO3溶鹽
ZrO2-Y2O3(YSZ)
離子(Na離子)
電極
陽極
多孔質(zhì)石墨(Pt催化劑)
多孔質(zhì)鎳(不要Pt催化劑)
Ni-ZrO2金屬陶瓷(不要Pt催化劑)
多孔質(zhì)石墨或Ni(Pt催化劑)
陰極
含Pt催化劑+多孔質(zhì)石墨+Tefion
多孔NiO（摻鋰）
LaXSr1-XMn(Co)O3
多孔質(zhì)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(yīng)用正以極快的速度在發(fā)展。AFC已在宇航領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，PEMFC已廣泛作為交通動(dòng)力和小型電源裝置來應(yīng)用，PAFC作為中型電源應(yīng)用進(jìn)入了商業(yè)化階段，MCFC也已完成工業(yè)試驗(yàn)階段，起步較晚的作為發(fā)電最有應(yīng)用前景的SOFC已有幾十千瓦的裝置完成了數(shù)千小時(shí)的工作考核，相信隨著研究的深入還會(huì)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(zhì)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(dá)到"電站"階段。已建成兆瓦級燃料電池示范電站進(jìn)行試驗(yàn)，已就其效率、可運(yùn)行性和壽命進(jìn)行了評估，期望應(yīng)用于城市能源中心或熱電聯(lián)供系統(tǒng)。日本同時(shí)建造的小型燃料電池發(fā)電裝置，已廣泛應(yīng)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(zhì)生成，其反應(yīng)在改質(zhì)器中進(jìn)行。改質(zhì)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(cè)。
另一方面，空氣極側(cè)需要的O2通過空氣壓縮機(jī)供給。另一個(gè)反應(yīng)因素CO2，空氣極側(cè)反應(yīng)等量地再利用發(fā)電時(shí)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(yīng)的可燃成份，一起輸送到改質(zhì)器的燃燒器側(cè)，天然氣改質(zhì)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(huì)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(zhì)器的燃燒側(cè)。從改質(zhì)器燃燒側(cè)出來的氣體與來自壓縮機(jī)的空氣相混合后供給空氣極側(cè)。
實(shí)際的電池因內(nèi)部存在電阻會(huì)發(fā)熱，故通過在空氣極側(cè)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(biāo)可通過在空氣極側(cè)進(jìn)行流量調(diào)整來控制，為此采用陰極氣體的再循環(huán)，即，空氣極側(cè)供給的氣體為以改質(zhì)器燃燒排氣與部分空氣極側(cè)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(diào)整。
來自空氣極側(cè)的排氣為高溫，送入最終的膨脹式透平，進(jìn)行動(dòng)力回收，作為空氣壓縮動(dòng)力而應(yīng)用。剩余的動(dòng)力，由發(fā)電機(jī)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(zhì)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(dá)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(dòng)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(shí)就不容易了，采用天然氣時(shí)，其構(gòu)成類似于MCFC機(jī)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(jìn)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(gòu)成附加發(fā)電系統(tǒng)，由于SOFC不需要CO2的再循環(huán)等，結(jié)構(gòu)簡單，其發(fā)電效率可以達(dá)到50~60%。
3.2利用煤炭的發(fā)電系統(tǒng)
以MCFC為例進(jìn)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(jìn)入MCFC前除去其中含有的雜質(zhì)（微量的雜質(zhì)就會(huì)構(gòu)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(jìn)入MCFC供氣前先經(jīng)膨脹式渦輪機(jī)回收其動(dòng)力。渦輪機(jī)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(diào)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(yīng)的燃料成分返回入口加以再利用，借以達(dá)到提高燃料的利用率。向空氣極側(cè)供給O2和CO2是通過空氣壓縮機(jī)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(shí)際的燃料電池，內(nèi)部電阻會(huì)發(fā)熱，將通過在空氣極側(cè)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(diào)整空氣極側(cè)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(cè)的排氣形成約700℃的高溫。因此，在這個(gè)循環(huán)回路中設(shè)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�？諝鈽O側(cè)的出入口溫度，取決于再循環(huán)和來自壓縮機(jī)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(cè)排氣的膨脹式渦輪機(jī)和利用蒸汽的汽輪機(jī)發(fā)電來構(gòu)成。膨脹式渦輪機(jī)與壓縮機(jī)的相組合，其剩余動(dòng)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(jī)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(gòu)成是復(fù)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?fàn)顩r
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(dòng)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(xué)院大連化學(xué)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(yàn)。1990年中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所承擔(dān)了中科院PEMFC的研究任務(wù)，1993年開始進(jìn)行直接甲醇質(zhì)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(shè)備研究所于1991年研制出由7個(gè)單電池組成的MCFC原理性電池。"八五"期間，中科院大連化學(xué)物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所、清華大學(xué)等國內(nèi)十幾個(gè)單位進(jìn)行了與SOFC的有關(guān)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(shù)列入"九五"科技攻關(guān)計(jì)劃的推動(dòng)，中國進(jìn)入了燃料電池研究的第二個(gè)高潮。質(zhì)子交換膜燃料電池被列為重點(diǎn)，以大連化學(xué)物理研究所為牽頭單位，在中國全面開展了質(zhì)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(tái)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(xué)工作者在燃料電池基礎(chǔ)研究和單項(xiàng)技術(shù)方面取得了不少進(jìn)展，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。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(shù)的總體水平來看，與發(fā)達(dá)國家尚有較大差距。我國有關(guān)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(xué)會(huì)議上對我國燃料電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了專題討論，強(qiáng)調(diào)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(qiáng)了在PEMFC方面的研究力度。
2000年大連化學(xué)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(yàn)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(huì)上宣布，中國將在2000年裝出首臺(tái)燃料電池電動(dòng)車。我國燃料電池的研究工作已表明：1.中國的質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車的技術(shù)水平；2.大連化學(xué)物理研究所的質(zhì)子交換膜燃料電池是具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)成果；3.在燃料電池研究方面我國可以與世界發(fā)達(dá)國家進(jìn)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(guān)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(yīng)用化學(xué)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(jī)。1994年又率先開展直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池的研究工作。該所與美國CaseWesternReserve大學(xué)和俄羅斯氫能與等離子體研究所等建立了長期協(xié)作關(guān)系。
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1993年開展了PEMFC的研究,在電極工藝和電池結(jié)構(gòu)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(dá)0.35W/cm2。
清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)院1993年開展了PEMFC的研究,研制的單體電池在0.7V時(shí)輸出電流密度為100mA/cm2，改進(jìn)石棉集流板的加工工藝，并提出列管式PEMFC的設(shè)計(jì)，該單位已與德國Karlsrube研究中心建立了一定的協(xié)作關(guān)系。
天津大學(xué)于1994年在國家自然科學(xué)基金會(huì)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(fù)旦大學(xué)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(xué)近年來與香港大學(xué)和美國的CaseWesternReserve大學(xué)合作開展了直接甲醇PEMFC的研究。
1994年，上海大學(xué)與北京石油大學(xué)合作研究PEMFC("八五"攻關(guān)項(xiàng)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(xué)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(xué)院工程熱物理研究所于1994年開始研究PEMFC，主營使用計(jì)算傳熱和計(jì)算流體力學(xué)方法對各種供氣、增濕、排熱和排水方案進(jìn)行比較，提出改進(jìn)的傳熱和傳質(zhì)方案。
天津電源研究所1997年開始PEMFC的研究,擬從國外引進(jìn)1.5kW的電池，在解析吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開展研究。
華南理工大學(xué)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(dòng)車示范區(qū)建設(shè)相配合作了一定的研究工作。其天然氣催化轉(zhuǎn)化制一氧化碳和氫氣的技術(shù)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(dòng)車用PEMFC系統(tǒng)工程和運(yùn)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(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和從國外引進(jìn)PEMFC裝置。
1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進(jìn)行PEMFC的研制與開發(fā)，5kW的PEMFC樣機(jī)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(shè)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(xué)院大連化學(xué)物理研究所在中國科學(xué)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(dá)到國際80年代初的水平。
90年代初，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)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(jìn)展。
北京科技大學(xué)于90年代初在國家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下開展了MCFC的研究，主要研究電極材料與電解質(zhì)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(xué)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(xué)與長慶油田合作開始了MCFC的研究，目標(biāo)是共同開發(fā)5kW～10kW的MCFC。
中國科學(xué)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(diào)查了電站的運(yùn)行情況，現(xiàn)已開展了MCFC電站系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)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(xué)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(cè)重于SOFC電極材料和電解質(zhì)材料的研究。80年代在國家自然科學(xué)基金會(huì)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(jié)構(gòu)等，已初步掌握了濕化學(xué)法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術(shù)。
吉林大學(xué)于1989年在吉林省青年科學(xué)基金資助下開始對SOFC的電解質(zhì)、陽極和陰極材料等進(jìn)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(jì)委和國家計(jì)委450萬元人民幣的資助，先后研究了電極、電解質(zhì)、密封和聯(lián)結(jié)材料等,單體電池開路電壓達(dá)1.18V，電流密度400mA/cm2，4個(gè)單體電池串聯(lián)的電池組能使收音機(jī)和錄音機(jī)正常工作。
1991年中國科學(xué)院化工冶金研究所在中國科學(xué)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(dá)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(xué)院烏拉爾分院電化學(xué)研究所引進(jìn)了20W～30W塊狀疊層式SOFC電池組,電池壽命達(dá)1200h。他們在分析俄羅斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國Westinghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國Siemens板式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了六面體式新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸收了管式不密封的優(yōu)點(diǎn)，電池間組合采用金屬氈柔性聯(lián)結(jié)，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)于1982年開始從事固體電解質(zhì)和混合導(dǎo)體的研究，于1992年在國家自然科學(xué)基金會(huì)和"863"計(jì)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(zhì)的SOFC，工作溫度約為450℃。另一種是用新型的質(zhì)子導(dǎo)體作電解質(zhì)的SOFC，已獲得接近理論電動(dòng)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(xué)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(diào)和性新工藝成功地合成了固體電解質(zhì)、空氣電極、燃料電極和中間聯(lián)結(jié)電極材料的超細(xì)粉,并開展了平板型SOFC成型和燒結(jié)技術(shù)的研究,取得了良好效果。
華南理工大學(xué)于1992年在國家自然科學(xué)基金會(huì)、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)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(yùn)轉(zhuǎn)140h，電池性能無明顯衰減。
中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在1994年開始SOFC研究，用超細(xì)氧化鋯粉在1100℃下燒結(jié)制成穩(wěn)定和致密的氧化鋯電解質(zhì)。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(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)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(xué)院大連化學(xué)物理所于1994年開展了SOFC的研究工作，在電極和電解質(zhì)材料的研究上取得了可喜的進(jìn)展。
中國科學(xué)院北京物理所于1995年在國家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下，開展了用于SOFC的新型電解質(zhì)和電極材料的基礎(chǔ)性研究。
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