1．引言

    能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒(méi)有能源工業(yè)的發(fā)展就沒(méi)有現(xiàn)代文明。人類(lèi)為了更有效地利用能源一直在進(jìn)行著不懈的努力。歷*利用能源的方式有過(guò)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(lèi)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(duì)于發(fā)電行業(yè)來(lái)說(shuō)，雖然采用的技術(shù)在不斷地升級(jí)，如開(kāi)發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機(jī)組，開(kāi)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(méi)有得到根本解決。多年來(lái)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(guó)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(jiǎn)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(guò)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(guó)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(kāi)始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時(shí)，兆瓦級(jí)的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開(kāi)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)*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(wú)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(lái)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(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無(wú)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(méi)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。能源界預(yù)測(cè)，燃料電池是21世紀(jì)有吸引力的發(fā)電方法之一。我國(guó)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(kāi)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(guó)帶來(lái)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(méi)有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過(guò)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)：  

    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(guò)負(fù)載能力；  
    通過(guò)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(duì)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(kāi)發(fā)的燃料電池。另一種分類(lèi)是按其開(kāi)發(fā)早晚順序進(jìn)行的，把PAFC稱為代燃料電池，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(lái)說(shuō)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(guò)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(yáng)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(guò)。  

    在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類(lèi)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(méi)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(duì)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(guò)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(duì)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L(zhǎng)i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 ?；瘜W(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(guò)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(lái)利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來(lái)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Y 2O3 （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(kāi)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(kāi)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-?？諝鈽O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(wú)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(lèi)

類(lèi)型 磷酸型燃料電池（PAFC） 熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC） 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 chunH2、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(yáng)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(lái)，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(lèi)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(lái)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(guó)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(kāi)發(fā)了數(shù)種燃料電池發(fā)電裝置供公共電力部門(mén)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(jí)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(píng)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(guò)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(guò)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(lái)的氣體與來(lái)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(guò)在空氣極側(cè)中流過(guò)的大量氧化氣體（陰極氣體，即含有O2、CO2 的氣體）來(lái)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(guò)在空氣極側(cè)進(jìn)行流量調(diào)整來(lái)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jia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(lái)自空氣極側(cè)的排氣為高溫，送入終的膨脹式透平，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(lái)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(lèi)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(jiǎn)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(duì)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(lái)自燃料極（陽(yáng)極）排出的高溫氣體（約700℃）相混合，調(diào)整為對(duì)電池的適宜溫度（約600℃）。該陽(yáng)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(guò)空氣壓縮機(jī)輸出的空氣和排出燃料氣體相混合來(lái)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(guò)在空氣極側(cè)流過(guò)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(guò)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(lái)自觸媒燃燒器的供給氣體相混合。空氣極側(cè)的出入口溫度，取決于再循環(huán)和來(lái)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(jí)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(lái)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(lái)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(jiǎn)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(guó)燃料電池的發(fā)展?fàn)顩r

    我國(guó)的燃料電池研究始于1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所早開(kāi)展了MCFC的研究。70年代在航天事業(yè)的推動(dòng)下，中國(guó)燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出次高潮。其間中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制成功的兩種類(lèi)型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級(jí)AFC）均通過(guò)了例行的航天環(huán)境模擬試驗(yàn)。1990年中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)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(kāi)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)全面開(kāi)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(guó)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(lái)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(lái)看，與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大差距。我國(guó)有關(guān)部門(mén)和專家對(duì)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(duì)我國(guó)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(kāi)發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年我國(guó)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(chē)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(zhǎng)徐冠華一年前在EVS16 屆大會(huì)上宣布，中國(guó)將在 2000 年裝出*燃料電池電動(dòng)車(chē)。我國(guó)燃料電池的研究工作已表明：1.中國(guó)的質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車(chē)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(guó)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(guó)可以與世界發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，而且在*方面，我國(guó)可以并且有能力占有一定比例。  

    但是我國(guó)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(guó)早開(kāi)展PEMFC研制工作的是長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所，該所于1990年在中科院扶持下開(kāi)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100W PEMFC樣機(jī)。1994年又開(kāi)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(guó)CaseWesternReserve大學(xué)和俄羅斯氫能與等離子體研究所等建立了長(zhǎng)期協(xié)作關(guān)系。  

    中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1993年開(kāi)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(kāi)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)資助下開(kāi)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(kāi)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(mén)大學(xué)近年來(lái)與香港大學(xué)和美國(guó)的CaseWesternReserve大學(xué)合作開(kāi)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(kāi)始了PEMFC的研究，目前單體電池的電流密度為150mA/cm2。  
    中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所于1994年開(kāi)始研究PEMFC，主營(yíng)使用計(jì)算傳熱和計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)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(kāi)始PEMFC的研究,擬從國(guó)外引進(jìn)1.5kW的電池，在解析吸收*技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)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(kāi)展了PEMFC的研究，與國(guó)家科委電動(dòng)車(chē)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(qǐng)國(guó)家發(fā)明專li。  
    中科院電工研究所近開(kāi)展了電動(dòng)車(chē)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(guó)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(kāi)發(fā)，5kW的PEMFC樣機(jī)現(xiàn)已研制成功并開(kāi)始接受訂貨。 

4.2. MCFC的研究簡(jiǎn)況

    國(guó)內(nèi)開(kāi)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(guò)MCFC，90年代初停止了這方面的研究工作。  

    1993年中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在中國(guó)科學(xué)院的資助下開(kāi)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80年代初的水平。  
    90年代初，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所也開(kāi)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(yáng)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(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下開(kāi)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(guó)科學(xué)院上海冶金研究所近年來(lái)也開(kāi)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(zhǎng)慶油田合作開(kāi)始了MCFC的研究，目標(biāo)是共同開(kāi)發(fā)5kW～10kW的MCFC。  
    中國(guó)科學(xué)院電工研究所在"八五"期間，考察了國(guó)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(kāi)展了MCFC電站系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。  

4.3. SOFC的研究簡(jiǎn)況

    早開(kāi)展SOFC研究的是中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所他們?cè)?971年就開(kāi)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(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下又開(kāi)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(yáng)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(kāi)始對(duì)SOFC的電解質(zhì)、陽(yáng)極和陰極材料等進(jìn)行研究,組裝成單體電池，通過(guò)了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計(jì)委和國(guó)家計(jì)委450萬(wàn)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(kāi)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(guó)科學(xué)院化工冶金研究所在中國(guó)科學(xué)院資助下開(kāi)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?cè)诜治龆砹_斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國(guó)Westinghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國(guó)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)于1982年開(kāi)始從事固體電解質(zhì)和混合導(dǎo)體的研究，于1992年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和"863"計(jì)劃的資助下開(kāi)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(shì)的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guó)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(chéng)科研基金、廣東佛山基金共一百多萬(wàn)元的資助下開(kāi)始了SOFC的研究,組裝的管狀單體電池，用甲烷直接作燃料,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(wú)明顯衰減。  

    中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在1994年開(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1994年開(kāi)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(guó)科學(xué)院北京物理所于1995年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下，開(kāi)展了用于SOFC的新型電解質(zhì)和電極材料的基礎(chǔ)性研究。  

5．國(guó)外燃料電池發(fā)展?fàn)顩r

    發(fā)達(dá)國(guó)家都將大型燃料電池的開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車(chē)上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題，2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級(jí)的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國(guó)家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運(yùn)算繪圖及文書(shū)處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。燃料電池的率、無(wú)污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國(guó)外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。  

5.1．磷酸型燃料電池(PAFC)

    受1973年世界性石油危機(jī)以及美國(guó)PAFC研發(fā)的影響，日本決定開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的燃料電池，PAFC作為大型節(jié)能發(fā)電技術(shù)由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）進(jìn)行開(kāi)發(fā)。自1981年起，進(jìn)行了1000kW現(xiàn)場(chǎng)型PAFC發(fā)電裝置的研究和開(kāi)發(fā)。1986年又開(kāi)展了200kW現(xiàn)場(chǎng)性發(fā)電裝置的開(kāi)發(fā)，以適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用的PAFC發(fā)電裝置。  

    富士電機(jī)公司是目前日本大的PAFC電池堆供應(yīng)商。截至1992年，該公司已向國(guó)內(nèi)外供應(yīng)了17套PAFC示范裝置，富士電機(jī)在1997年3月完成了分散型5MW設(shè)備的運(yùn)行研究。作為現(xiàn)場(chǎng)用設(shè)備已有50kW、100kW及500kW總計(jì)88種設(shè)備投入使用。下表所示為富士電機(jī)公司已交貨的發(fā)電裝置運(yùn)行情況，到1998年止有的已超過(guò)了目標(biāo)壽命4萬(wàn)小時(shí)。  
 

表 現(xiàn)場(chǎng)用PAFC燃料電池的運(yùn)行情況

容量 臺(tái)數(shù) 累計(jì)運(yùn)行時(shí)間 長(zhǎng)累計(jì) 長(zhǎng)連續(xù) >1萬(wàn)h >2萬(wàn)h >3萬(wàn)h 50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4 100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3 500kW 3 43437 16910 4214 3 0   0     東芝公司從70年代后半期開(kāi)始，以分散型燃料電池為中心進(jìn)行開(kāi)發(fā)以后，將分散電源用11MW機(jī)以及200kW機(jī)形成了系列化。11MW機(jī)是世界上大的燃料電池發(fā)電設(shè)備，從1989年開(kāi)始在東京電力公司五井火電站內(nèi)建造，1991年3月初發(fā)電成功后，直到1996年5月進(jìn)行了5年多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)2萬(wàn)小時(shí)，在額定運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率43.6%。在小型現(xiàn)場(chǎng)燃料電池領(lǐng)域，1990年?yáng)|芝和美國(guó)IFC公司為使現(xiàn)場(chǎng)用燃料電池商業(yè)化，成立了ONSI公司，以后開(kāi)始向*銷(xiāo)售現(xiàn)場(chǎng)型200kW設(shè)備"PC25"系列。PC25系列燃料電池從1991年末運(yùn)行，到1998年4月，共向世界銷(xiāo)售了174臺(tái)。其中安裝在美國(guó)某公司的一臺(tái)機(jī)和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號(hào)機(jī)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相繼突破了4萬(wàn)小時(shí)。從燃料電池的壽命和可靠性方面來(lái)看，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間4萬(wàn)h是燃料電池的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。東芝ONSI已完成了正式商用機(jī)PC25C型的開(kāi)發(fā)，早已投放市場(chǎng)。PC25C型作為21世紀(jì)新能源先鋒獲得日本通商產(chǎn)業(yè)大獎(jiǎng)。從燃料電池商業(yè)化出發(fā)，該設(shè)備被評(píng)價(jià)為具有高先進(jìn)性、可靠性以及*的環(huán)境性設(shè)備。它的制造成本是$3000/kW，近期將推出的商業(yè)化PC25D型設(shè)備成本會(huì)降至$1500/kW，體積比PC25C型減少1/4，質(zhì)量?jī)H為14t。明年即2001年，我國(guó)就將迎來(lái)座PC25C型燃料電池電站，它主要由日本的MITI（NEDO）資助的，這將是我國(guó)座燃料電池發(fā)電站。  

    PAFC作為一種中低溫型（工作溫度180-210℃）燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、無(wú)噪音等特點(diǎn)，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。下表給出先進(jìn)的ONSI公司PC25C型200kW PAFC的主要技術(shù)指標(biāo)。初開(kāi)發(fā)PAFC是為了控制發(fā)電廠的峰谷用電平衡，近來(lái)則側(cè)重于作為向公寓、購(gòu)物中心、醫(yī)院、賓館等地方提供電和熱的現(xiàn)場(chǎng)集中電力系統(tǒng)。  
 

表 ONSI公司PC25C型PAFC主要技術(shù)指標(biāo)

電力輸出 發(fā)電效率 燃料 質(zhì)量 排熱利用 環(huán)境狀況NOX 體積 200kW 40% 城市煤氣 27.3t 42% 10×10^-6   3×3×5.5 PAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠，容量在100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。PAFC電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)點(diǎn)：即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時(shí)，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，省時(shí)，并且電廠擴(kuò)容容易。

下圖為ONSI PC25C型電站：
 

5.2．質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

    的加拿大Ballard公司在PEMFC技術(shù)上領(lǐng)xian，現(xiàn)在它的應(yīng)用領(lǐng)域從交通工具到固定電站，其子公司Ballard Generation System被認(rèn)為在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和市場(chǎng)化*質(zhì)子交換膜燃料電池上處于世界地位。Ballard Generation System 初產(chǎn)品是250kW燃料電池電站，其基本構(gòu)件是Ballard燃料電池，利用氫氣（由甲醇、天然氣或石油得到）、氧氣（由空氣得到）不燃燒地發(fā)電。Ballard公司正和世界許多公司合作以使Ballard Fuel Cell 商業(yè)化。Ballard Fuel Cell 已經(jīng)用于固定發(fā)電廠：由Ballard Generation System，GPU International Inc.，Alstom SA 和 EBARA公司共同組建了Ballard Generation System，共同開(kāi)發(fā)千瓦級(jí)以下的燃料電池發(fā)電廠。經(jīng)過(guò)5年的開(kāi)發(fā)，座250kW發(fā)電廠于1997年8月成功發(fā)電，1999年9月送至Indiana Cinergy，經(jīng)過(guò)周密測(cè)試、評(píng)估，并提高了設(shè)計(jì)的性能、降低了成本，這導(dǎo)致了第二座電廠的誕生，它安裝在柏林，250kW輸出功率，也是在歐洲的次測(cè)試。很快Ballard公司的第三座250kW電廠也在2000年9月安裝在瑞士進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，緊接著，在2000年10月通過(guò)它的伙伴EBARA Ballard 將第四座燃料電池電廠安裝在日本的NTT公司，向亞洲開(kāi)拓了市場(chǎng)。在不同地區(qū)進(jìn)行的測(cè)試將大大促進(jìn)燃料電池電站的商業(yè)化。個(gè)早期商業(yè)化電廠將在2001年底面市。下圖是安裝在美國(guó)Cinergy的Ballard燃料電池裝置，目前正在測(cè)試： 

下圖是安裝在柏林的250kW PEMFC燃料電池電站：

    在美國(guó)，Plug Power公司是大的質(zhì)子交換膜燃料電池開(kāi)發(fā)公司，他們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)、制造適合于居民和汽車(chē)用經(jīng)濟(jì)型燃料電池系統(tǒng)。1997年，Plug Power 模塊個(gè)成功地將汽油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。近，Plug Power 公司開(kāi)發(fā)出它的專li產(chǎn)品Plug Power 7000居民家用分散型電源系統(tǒng)。商業(yè)產(chǎn)品在2001年初推出。家用燃料電池的推出將使核電站、燃?xì)獍l(fā)電站面臨挑戰(zhàn)，為了推廣這種產(chǎn)品，1999年2月，Plug Power 公司和GE MicroGen成立了合資公司，產(chǎn)品改稱GE HomeGen 7000，由 GE MicroGen 公司負(fù)責(zé)推廣。此產(chǎn)品將提供7kW的持續(xù)電力。GE/Plug公司宣稱其2001年初售價(jià)為$1500/kW。他們預(yù)計(jì)5年后，大量生產(chǎn)的燃料電池售價(jià)將降至$500/kW。假設(shè)有20萬(wàn)戶家庭各安裝一個(gè)7kW的家用燃料電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個(gè)核電機(jī)組的容量，這種分散型發(fā)電系統(tǒng)可用于尖峰用電的供給，又因分散式系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)依然能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。  

    在Ballard公司的帶動(dòng)下，許多汽車(chē)制造商參加了燃料電池車(chē)輛的研制，例如：Chrysler (克萊斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda (本田)、Nissan (尼桑)、Volkswagen AG(大眾)和Volvo(富豪)等，它們?cè)S多正在使用的燃料電池都是由Ballard公司生產(chǎn)的，同時(shí)，它們也將大量的資金投入到燃料電池的研制當(dāng)中，克萊斯勒公司近給Ballard公司注入4億5千萬(wàn)加元用于開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)，大大的促進(jìn)了PEMFC的發(fā)展。1997年，Toyota公司就制成了一輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車(chē)，它由一個(gè)25kW的燃料電池和輔助干電池一起提供了全部 50kW的能量，高時(shí)速可以達(dá)到 125km/h，行程可達(dá)500km。目前這些大的汽車(chē)公司均有燃料電池開(kāi)發(fā)計(jì)劃，雖然現(xiàn)在燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的時(shí)機(jī)還未成熟，但幾家公司已確定了開(kāi)始批量生產(chǎn)的時(shí)間表，Daimler-Benz公司宣布，到2004年將年產(chǎn)40000輛燃料電池汽車(chē)。因而未來(lái)十年，極有可能達(dá)到100000輛燃料電池汽車(chē)。  

    PEMFC是一種新型、有遠(yuǎn)大前途的燃料電池，經(jīng)過(guò)從80年代初到現(xiàn)在的近20年的發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池起了翻天覆地的變化。這種變化從其膜電極的演變過(guò)程可見(jiàn)一斑。膜電極是PEMFC的電化學(xué)心臟，正是因?yàn)樗淖兓攀沟肞EMFC呈現(xiàn)了今天的蓬勃生機(jī)。早期的膜電極是直接將鉑黑與起防水、粘結(jié)作用的Tefion微粒混合后熱壓到質(zhì)子交換膜上制得的。Pt載量高達(dá)10mg/cm2。后來(lái)，為增加Pt的利用率，使用了Pt/C催化劑，但Pt的利用率仍非常低，直到80年代中期，PEMFC膜電極的Pt載量仍高達(dá)4mg/cm2。80年代中后期，美國(guó)Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）提出了一種新方法，采用Nafion質(zhì)子交換聚合物溶液浸漬Pt/C多孔氣體擴(kuò)散電極，再熱壓到質(zhì)子交換膜上形成膜電極。此法大大提高了Pt的利用率，將膜電極的載鉑量降到了0.4mg/cm2。1992年，LANL對(duì)該法進(jìn)行了改進(jìn)，使膜電極的Pt載量進(jìn)一步降低到0.13 mg/cm2。1995年印度電化學(xué)能量研究中心（CEER）采用噴涂浸漬法制得了Pt載量為0.1 mg/cm2的膜電極，性能良好。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)在LANL試驗(yàn)的一些單電池中，膜電極上鉑載量已降到0.05mg/cm2。膜電極上鉑載量的減少，直接可以使燃料電池的成本降低，這就為其商品化的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備了條件。  

5.3．熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

    50年代初，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由于其可以作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這之后，MCFC發(fā)展的非常快，它在電池材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進(jìn)，但電池的工作壽命并不理想。到了80年代，它已被作為第二代燃料電池，而成為近期實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)商品化燃料電池電站的主要研究目標(biāo)，研制速度日益加快?，F(xiàn)在MCFC的主要研制者集中在美國(guó)、日本和西歐等國(guó)家。預(yù)計(jì)2002年將商品化生產(chǎn)。  

    美國(guó)能源部（DOE）去年已撥給固定式燃料電池電站的研究費(fèi)用4420萬(wàn)美元，而其中的2/3將用于MCFC的開(kāi)發(fā)，1/3用于SOFC的開(kāi)發(fā)。美國(guó)的MCFC技術(shù)開(kāi)發(fā)一直主要由兩大公司承擔(dān)，ERC（Energy Research Corporation）（現(xiàn)為Fuel Cell Energy Inc.）和M-C Power公司。他們通過(guò)不同的方法建造MCFC堆。兩家公司都到了現(xiàn)場(chǎng)示范階段：ERC1996年已進(jìn)行了一套設(shè)于加州圣克拉拉的2MW的MCFC電站的實(shí)證試驗(yàn)，目前正在尋找3MW裝置試驗(yàn)的地點(diǎn)。ERC的MCFC燃料電池在電池內(nèi)部進(jìn)行無(wú)燃?xì)獾母馁|(zhì)，而不需要單獨(dú)設(shè)置的改質(zhì)器。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，ERC對(duì)電池進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將電池改成250kW單電池堆，而非原來(lái)的125kW堆，這樣可將3MW的MCFC安裝在0.1英畝的場(chǎng)地上，從而降低投資費(fèi)用。ERC預(yù)計(jì)將以$1200/kW的設(shè)備費(fèi)用提供3MW的裝置。這與小型燃?xì)鉁u輪發(fā)電裝置設(shè)備費(fèi)用$1000/kW接近。但小型燃?xì)獍l(fā)電效率僅為30%，并且有廢氣排放和噪聲問(wèn)題。與此同時(shí)，美國(guó)M-C Power 公司已在加州圣迭戈的海軍航空站進(jìn)行了250kW裝置的試驗(yàn)，現(xiàn)在計(jì)劃在同一地點(diǎn)試驗(yàn)改進(jìn)75kW裝置。M-C Power公司正在研制500kW模塊，計(jì)劃2002年開(kāi)始生產(chǎn)。  

    日本對(duì)MCFC的研究，自1981年"月光計(jì)劃"時(shí)開(kāi)始，1991年后轉(zhuǎn)為重點(diǎn)，每年在燃料電池上的費(fèi)用為12-15億美元，1990年政府追加2億美元，專門(mén)用于MCFC的研究。電池堆的功率1984年為1kW，1986年為10kW。日本同時(shí)研究?jī)?nèi)部轉(zhuǎn)化和外部轉(zhuǎn)化技術(shù)，1991年，30kW級(jí)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化MCFC試運(yùn)轉(zhuǎn)。1992年50-100kW級(jí)試運(yùn)轉(zhuǎn)。1994年，分別由日立和石川島播磨重工完成兩個(gè)100kW、電極面積1m2，加壓外重整MCFC。另外由中部電力公司制造的1MW外重整MCFC正在川越火力發(fā)電廠安裝，預(yù)計(jì)以天然氣為燃料時(shí)，熱電效率大于45%，運(yùn)行壽命大于5000h。由三菱電機(jī)與美國(guó)ERC合作研制的內(nèi)重整30kW MCFC 已運(yùn)行了10000h。三洋公司也研制了30kW內(nèi)重整MCFC。目前，石川島播磨重工有世界上大面積的MCFC燃料電池堆，試驗(yàn)壽命已達(dá)13000h。日本為了促進(jìn)MCFC的開(kāi)發(fā)研究，于1987年成立了MCFC研究協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)燃料電池堆運(yùn)轉(zhuǎn)、電廠外圍設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)等方面的研究，現(xiàn)在它已聯(lián)合了14個(gè)單位成為日本研究開(kāi)發(fā)主力。  

    歐洲早在1989年就制定了1個(gè)Joule計(jì)劃，目標(biāo)是建立環(huán)境污染小、可分散安裝、功率為200MW的"第二代"電廠，包括MCFC、SOFC和PEMFC三種類(lèi)型，它將任務(wù)分配到各國(guó)。進(jìn)行MCFC研究的主要有荷蘭、意大利、德國(guó)、丹麥和西班牙。荷蘭對(duì)MCFC的研究從1986年已經(jīng)開(kāi)始，1989年已研制了1kW級(jí)電池堆，1992年對(duì)10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化型與1kW級(jí)內(nèi)部轉(zhuǎn)化型電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，1995年對(duì)煤制氣與天然氣為燃料的2個(gè)250kW系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。意大利于1986年開(kāi)始執(zhí)行MCFC國(guó)家研究計(jì)劃，1992-1994年研制50-100kW電池堆，意大利Ansodo與IFC簽定了有關(guān)MCFC技術(shù)的協(xié)議，已安裝一套單電池（面積1m2）自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，年生產(chǎn)能力為2-3MW，可擴(kuò)大到6-9MW。德國(guó)MBB公司于1992年完成10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，在ERC協(xié)助下，于1992年-1994年進(jìn)行了100kW級(jí)與250kW級(jí)電池堆的制造與運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)?，F(xiàn)在MBB公司擁有世界上大的280kW電池組體。  

    資料表明，MCFC與其他燃料電池比有著*優(yōu)點(diǎn)： 

a． 發(fā)電效率高 比PAFC的發(fā)電效率還高；
b． 不需要昂貴的白金作催化劑，制造成本低；
c． 可以用CO作燃料；
d． 由于MCFC工作溫度600-1000℃，排出的氣體可用來(lái)取暖，也可與汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電。若熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到80%；
e． 中小規(guī)模經(jīng)濟(jì)性 與幾種發(fā)電方式比較，當(dāng)負(fù)載指數(shù)大于45%時(shí)，MCFC發(fā)電系統(tǒng)成本低。與PAFC相比，雖然MCFC起始投資高，但PAFC的燃料費(fèi)遠(yuǎn)比MCFC高。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)為中小規(guī)模分散型時(shí)，MCFC的經(jīng)濟(jì)性更為突出；
f． MCFC的結(jié)構(gòu)比PAFC簡(jiǎn)單。

5.4．固體氧化物燃料電池(SOFC)

    SOFC由用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成。空氣中的氧在空氣極/電解質(zhì)界面被氧化，在空氣燃料之間氧的分差作用下，在電解質(zhì)中向燃料極側(cè)移動(dòng)，在燃料極電解質(zhì)界面和燃料中的氫或一氧化碳反應(yīng)，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過(guò)外部回路，再次返回空氣極，此時(shí)產(chǎn)生電能。  

SOFC的特點(diǎn)如下：

    由于是高溫動(dòng)作（600-1000℃），通過(guò)設(shè)置底面循環(huán)，可以獲得超過(guò)60%效率的發(fā)電。  

    由于氧離子是在電解質(zhì)中移動(dòng)，所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。  

    由于電池本體的構(gòu)成材料全部是固體，所以沒(méi)有電解質(zhì)的蒸發(fā)、流淌。另外，燃料極空氣極也沒(méi)有腐蝕。動(dòng)作溫度高，可以進(jìn)行甲烷等內(nèi)部改質(zhì)。  

    與其他燃料電池比，發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以期望從容量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備，具有廣泛用途。  

    在固定電站領(lǐng)域，SOFC明顯比PEMFC有優(yōu)勢(shì)。SOFC很少需要對(duì)燃料處理，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，而且，SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)。下圖為西門(mén)子-西屋公司開(kāi)發(fā)出的世界bi一臺(tái)SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電站，它于2000年5月安裝在美國(guó)加州大學(xué)，功率220kW，發(fā)電效率58%。未來(lái)的SOFC/燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率將達(dá)到60-70%。  

    被稱為第三代燃料電池的SOFC正在積極的研制和開(kāi)發(fā)中，它是正在興起的新型發(fā)電方式之一。美國(guó)是世界上早研究SOFC的國(guó)家，而美國(guó)的西屋電氣公司所起的作用尤為重要，現(xiàn)已成為在SOFC研究方面有的機(jī)構(gòu)。  

    早在1962年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料，在SOFC試驗(yàn)裝置上獲得電流，并指出烴類(lèi)燃料在SOFC內(nèi)必須完成燃料的催化轉(zhuǎn)化與電化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)基礎(chǔ)過(guò)程，為SOFC的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后10年間，該公司與OCR機(jī)構(gòu)協(xié)作，連接400個(gè)小圓筒型ZrO2-CaO電解質(zhì)，試制100W電池，但此形式不便供大規(guī)模發(fā)電裝置應(yīng)用。80年代后，為了開(kāi)辟新能源，緩解石油資源緊缺而帶來(lái)的能源危機(jī)，SOFC研究得到蓬勃發(fā)展。西屋電氣公司將電化學(xué)氣相沉積技術(shù)應(yīng)用于SOFC的電解質(zhì)及電極薄膜制備過(guò)程，使電解質(zhì)層厚度減至微米級(jí)，電池性能得到明顯提高，從而揭開(kāi)了SOFC的研究嶄新的一頁(yè)。80年代中后期，它開(kāi)始向研究大功率SOFC電池堆發(fā)展。1986年，400W管式SOFC電池組在田納西州運(yùn)行成功。1987年，又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了3kW級(jí)列管式SOFC發(fā)電機(jī)組，成功地進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)長(zhǎng)達(dá) 5000h，標(biāo)志著SOFC研究從實(shí)驗(yàn)研究向商業(yè)發(fā)展。進(jìn)入90年代DOE機(jī)構(gòu)繼續(xù)投資給西屋電氣公司 6400余萬(wàn)美元，旨在開(kāi)發(fā)出高轉(zhuǎn)化率、2MW級(jí)的SOFC發(fā)電機(jī)組。1992年兩臺(tái)25kW管型SOFC分別在日本大阪、美國(guó)南加州進(jìn)行了幾千小時(shí)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。從1995年起，西屋電氣公司采用空氣電極作支撐管，取代了原先CaO穩(wěn)定的ZrO2支撐管，簡(jiǎn)化了SOFC的結(jié)構(gòu) ,使電池的功率密度提高了近3倍。該公司為荷蘭Utilies公司建造100kW管式SOFC系統(tǒng)，能量總利用率達(dá)到 75%，已經(jīng)正式投入使用。目前，Siemens Westinghouse 宣布有兩座250kW SOFC示范電廠很快將在挪威和加拿大的多倫多附近建成。下圖為西屋公司在荷蘭安裝的SOFC示范電廠，它可以提供110kW的電力和64kW的熱，發(fā)電效率達(dá)到46%，運(yùn)行14000h。 

    另外，美國(guó)的其它一些部門(mén)在SOFC方面也有一定的實(shí)力。位于匹茲堡的PPMF是SOFC技術(shù)商業(yè)化的重要生產(chǎn)基地，這里擁有完整的SOFC電池構(gòu)件加工、電池裝配和電池質(zhì)量檢測(cè)等設(shè)備，是目前世界上規(guī)模大的SOFC技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心。1990年，該中心為美國(guó)DOE制造了20kW級(jí)SOFC裝置，該裝置采用管道煤氣為燃料，已連續(xù)運(yùn)行了1700多小時(shí)。與此同時(shí)，該中心還為日本東京和大阪煤氣公司、關(guān)西電力公司提供了兩套25kW級(jí)SOFC試驗(yàn)裝置，其中一套為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。另外美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也研究開(kāi)發(fā)了疊層波紋板式SOFC電池堆，并開(kāi)發(fā)出適合于這種結(jié)構(gòu)材料成型的澆注法和壓延法。使電池能量密度得到顯著提高，是比較有前途的SOFC結(jié)構(gòu)。 

    在日本，SOFC研究是"月光計(jì)劃"的一部分。早在1972年，電子綜合技術(shù)研究所就開(kāi)始研究SOFC技術(shù)，后來(lái)加入"月光計(jì)劃"研究與開(kāi)發(fā)行列，1986年研究出500W圓管式SOFC電池堆，并組成1.2kW發(fā)電裝置。東京電力公司與三菱重工從1986年12月開(kāi)始研制圓管式SOFC裝置，獲得了輸出功率為35W的單電池，當(dāng)電流密度為200mA/cm2時(shí)，電池電壓為0.78V，燃料利用率達(dá)到58%。1987年7月，電源開(kāi)發(fā)公司與這兩家公司合作，開(kāi)發(fā)出1kW圓管式SOFC電池堆，并連續(xù)試運(yùn)行達(dá)1000h，大輸出功率為1.3kW。關(guān)西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機(jī)構(gòu)則從美國(guó)西屋電氣公司引進(jìn)3kW及2.5kW圓管式SOFC電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，取得了滿意的結(jié)果。從1989年起，東京煤氣公司還著手開(kāi)發(fā)大面積平板式SOFC裝置，1992年6月完成了100W平板式SOFC裝置，該電池的有效面積達(dá)400cm2?，F(xiàn)Fuji與Sanyo公司開(kāi)發(fā)的平板式SOFC功率已達(dá)到千瓦級(jí)。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從1990年起對(duì)疊層波紋板式SOFC系統(tǒng)進(jìn)行研究和綜合評(píng)價(jià)，研制出406W試驗(yàn)裝置，該裝置的單電池有效面積達(dá)到131cm2。  

    在歐洲早在70年代，聯(lián)邦德國(guó)海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的SOFC發(fā)電裝置，單電池運(yùn)行性能良好。80年代后期，在美國(guó)和日本的影響下，歐共體積極推動(dòng)歐洲的SOFC的商業(yè)化發(fā)展。德國(guó)的Siemens、Domier GmbH及ABB研究公司致力于開(kāi)發(fā)千瓦級(jí)平板式SOFC發(fā)電裝置。Siemens公司還與荷蘭能源中心 (ECN)合作開(kāi)發(fā)開(kāi)板式SOFC單電池，有效電極面積為67cm2。ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦級(jí)SOFC發(fā)電裝置，這種電池為金屬雙極性結(jié)構(gòu)，在800℃下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，效果良好。現(xiàn)正考慮將其制成25～100kW級(jí)SOFC發(fā)電系統(tǒng)，供家庭或商業(yè)應(yīng)用。 

表 燃料電池的分類(lèi)及技術(shù)比較

燃料電池 電解質(zhì) 工作溫度 電化學(xué)反應(yīng)式 PEMFC 固體有機(jī)膜 60-100℃ 陽(yáng)極：H2→2H++2e
陰極：1/2O2+2H+ +2e →H2O PAFC H3PO4 175-200℃ 陽(yáng)極：H2→2H+ +2e
陰極：1/2O2+ 2H+ +2e→H2O MCFC （Li、Na、K）2CO3 600-1000℃ 陽(yáng)極：H2+CO32－→H2O+CO2+2e
陰極：1/2O2+ CO2+2e→CO32－ SOFC YSZ（用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2） 600-1000℃

陽(yáng)極：H2+O2－→H2O+2e
陰極：1/2O2+2e→O2－ 6．燃料資源評(píng)估

    燃料電池運(yùn)行時(shí)必須使用流動(dòng)性好的氣體燃料。低溫燃料電池要用氫氣，高溫燃料電池可以直接使用天然氣、煤氣。這種燃料的前景如何呢？我國(guó)的天然氣儲(chǔ)量是十分豐富的，現(xiàn)已探明陸地上儲(chǔ)量為1.9萬(wàn)億m3，專家認(rèn)為我國(guó)已探明天然氣儲(chǔ)量為30萬(wàn)億m3。我國(guó)還將利用豐富的鄰國(guó)天然氣資源，俄羅斯西西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量為38.6萬(wàn)億m3，可向我國(guó)年供氣200~300億m3 ；俄羅斯的東西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量3.13萬(wàn)億m3 ，可向我國(guó)年供氣100~200億m3；俄遠(yuǎn)東地區(qū)、薩哈林島探明天然氣儲(chǔ)量1萬(wàn)億m3，可向我國(guó)東北年供氣100億m3 以上。中亞地區(qū)的哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和土庫(kù)曼斯坦三國(guó)探明的天然氣儲(chǔ)量6.77萬(wàn)億m3，可向外供氣300億m3。我國(guó)規(guī)劃在2010年以前鋪設(shè)天然氣管線9000km，屆時(shí)有望在全國(guó)形成"兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫(kù)"的格局，形成可靠的供氣系統(tǒng)。其中的兩縱是南北的輸氣干線，即薩哈林島--大慶--沈陽(yáng)干線和伊爾庫(kù)茨克--北京--日照--上海輸氣干線。目前我國(guó)的生產(chǎn)能力約為300億m3/a， 2010年為700億m3，2020年為1000～1100億m3。天然氣主要成分為CH4（占90%左右），熱值高（每立方米天然氣熱值為8600～9500千卡），便于運(yùn)輸，在3000公里的距離內(nèi)運(yùn)用管道輸送都是十經(jīng)濟(jì)的。  

    我國(guó)還可利用的液化天然氣（LNG）資源也是十分可觀的，可向中國(guó)立即提供LNG的國(guó)家有印度尼西亞、馬來(lái)西亞、卡塔爾等國(guó)。  

    我國(guó)的煤層氣也十分豐富，陸上深埋2000米以內(nèi)淺的煤層氣資源量為32~35萬(wàn)億m3 ，多于陸上天然氣資源量（30萬(wàn)億m3），位于世界前列。  

    另外作為后續(xù)資源，我國(guó)已發(fā)現(xiàn)在南海、東海深處有大量的天然氣水合物，其資源量為700億噸石油當(dāng)量。目前已有多個(gè)科研機(jī)構(gòu)正在研究其開(kāi)采利用的技術(shù)。  

    半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，世界大多數(shù)國(guó)家時(shí)早以完成了由煤炭時(shí)代向石油時(shí)代的轉(zhuǎn)換，正在向石油、天然氣時(shí)代過(guò)度。如1950年在世界能源結(jié)構(gòu)中煤炭所占的比例為57.5%，而到1996年則下降為26.9%，天然氣占23.5% 石油占39% 兩者共占63%。能源界預(yù)測(cè)目前的消費(fèi)量，石油只能再用20年，而天然氣則可用100年，為此稱21世紀(jì)是"天然氣世紀(jì)"。我國(guó)的能源工業(yè)也必將跟上世界能源消費(fèi)潮流。  

    另外由于環(huán)保的需要和IGCC技術(shù)的推動(dòng)，煤的大型氣化裝置技術(shù)已經(jīng)過(guò)關(guān)。煤炭部門(mén)的有關(guān)專家介紹，目前的技術(shù)*可以把煤轉(zhuǎn)換為氫氣，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%，供給燃料電池作燃料，其效率要比常規(guī)熱動(dòng)力裝置效率高得多。  

    我國(guó)有大量的生物資源（薪材3000萬(wàn)噸、秸桿45000萬(wàn)噸、稻殼1500萬(wàn)噸、垃圾1.6億噸等），這種密度低分散度高資源可以轉(zhuǎn)換成沼氣或人工煤氣或甲醇供分散的、小型的燃料電池使用。如廣東番禺正在建設(shè)使用養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣的燃料電池電站。  

    我國(guó)在合成氨工業(yè)中，氫的年回收量可達(dá)到14億m3；在氯堿工業(yè)中有0.37億m3的氫可供回收利用。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒及丁醇溶劑廠等生產(chǎn)過(guò)程中都有大量氫可回收。上述各類(lèi)工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計(jì)可達(dá)到15億m3以上。  

    從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，小型、、靈活、分散的PEMFC、PAFC發(fā)電與集中高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)均是有燃料保證的。  

7．燃料電池發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性

    燃料電池是一種正在逐步完善的能源利用方式。其投資正在不斷的降低，目前PEMFC的國(guó)外商業(yè)價(jià)格為$1500/kW，PAFC的價(jià)格為$3000/kW。國(guó)內(nèi)富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價(jià)格為10000元/kW。其他燃料電池國(guó)內(nèi)暫無(wú)商業(yè)產(chǎn)品。  

    燃料電池發(fā)電與常規(guī)的火電投資比較不能單考慮電源投資，還應(yīng)將長(zhǎng)距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉(zhuǎn)換裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來(lái)計(jì)算綜合投資大型的火電廠每千瓦約為1.3~1.5萬(wàn)元。發(fā)電消耗的燃料為燃料電池的兩倍以上，按目前國(guó)內(nèi)天然氣低市價(jià)（產(chǎn)地市價(jià)人民幣1元/m3）計(jì)算，當(dāng)發(fā)電時(shí)間超過(guò)70000h以后，用燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電更經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際發(fā)電工程中還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電占地面積大，環(huán)境污染重的問(wèn)題。隨著燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷完善，造價(jià)將不斷的降低，特別是在規(guī)?；a(chǎn)后，其造價(jià)將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來(lái)這種發(fā)電方式會(huì)對(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。  

    近上一些學(xué)者和組織認(rèn)為：大容量、高參數(shù)機(jī)組發(fā)電，超高壓、大電網(wǎng)遠(yuǎn)距離送電的集中供電是一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家過(guò)去走過(guò)的道路。目前的情況正在發(fā)生變化，較分散的發(fā)電站的出現(xiàn)，再加上對(duì)改善能源投資的選擇，傳統(tǒng)的觀念變得過(guò)時(shí)了。1999年在布魯塞爾成立的熱電聯(lián)產(chǎn)（ICA）組織聲稱："其實(shí)旨是推動(dòng)世界范圍內(nèi)的清潔、、分散的電力生產(chǎn)，它預(yù)言這是下一個(gè)世紀(jì)電力工業(yè)的方向" 。隨著小型分散的熱電廠、燃料電池發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等的出現(xiàn)和增加，當(dāng)今的電力系統(tǒng)將發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變。超大型的電站與分散微型電站的結(jié)合可以減少在輸配電線路上的投資，會(huì)使得電力系統(tǒng)更安全更經(jīng)濟(jì)。一個(gè)目前擁有50個(gè)發(fā)電廠的電力公司在未來(lái)若干年內(nèi)會(huì)有幾千個(gè)甚至幾萬(wàn)個(gè)微型電站與之相連。這種電力網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似于目前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，少數(shù)的幾臺(tái)主機(jī)與眾多的PC機(jī)相連。這種電網(wǎng)會(huì)使得各種能源得到更好利用和配置，這種變化將要求未來(lái)的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式有一個(gè)重大的變革。  

    將來(lái)的電網(wǎng)系統(tǒng)可能是現(xiàn)有的大電網(wǎng)和中小燃料電池共存狀態(tài)。因?yàn)榇箅娋W(wǎng)有其*性的同時(shí)，也存在著缺陷，如高電壓長(zhǎng)距離輸電將有6-8%的損失。而分散的中小型燃料電池電站可以在許多地點(diǎn)建立，可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為3%），同時(shí)也為電網(wǎng)調(diào)峰做出了貢獻(xiàn)。中小型分散式電力系統(tǒng)將靈活地適應(yīng)季節(jié)性和地域性的電力需求變化。根據(jù)專家計(jì)算，一條直徑為0.91米的輸氫管道用于950-1600公里輸氫其所輸能量約相當(dāng)于50萬(wàn)伏高壓輸電線路輸送能量的的10倍以上，而輸氫管道所需的建設(shè)費(fèi)用僅為建設(shè)高壓輸電線路的1/2-1/4，日常運(yùn)行維護(hù)也比輸電線路低得多。在美國(guó)這樣的電力工業(yè)已很發(fā)達(dá)的國(guó)家，將來(lái)對(duì)燃料電池的市場(chǎng)需要約為17000兆瓦以上，即中小型分散配置，有其*的*性。我國(guó)也將是這樣。  

8．對(duì)電力系統(tǒng)的影響展望

    被稱為第四代發(fā)電方式的燃料電池，由于具有燃料利用效率可達(dá)80%、不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）、容量可根據(jù)需要而定，所以受到了各方面的極大關(guān)注。各國(guó)家的政府都在這方面增加研發(fā)資金，推動(dòng)其商業(yè)化的進(jìn)程。在近年它首先受到了交通界的重視，作為交通動(dòng)力裝置已被搬上汽車(chē)、艦船，幾乎同時(shí)它受到了國(guó)外電力系統(tǒng)的重視。PAFC發(fā)電裝置已有數(shù)萬(wàn)套進(jìn)入賓館、家庭運(yùn)行，PAFC已有了4萬(wàn)多小時(shí)的運(yùn)行記錄。  

    我國(guó)稀土資源豐富，發(fā)展MCFC和SOFC技術(shù)具有十分有利的條件。以天然氣和凈化煤氣為燃料的MCFC和SOFC發(fā)電效率高達(dá)55%～65%，而且還可提供余熱用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，是一種優(yōu)良的區(qū)域性供電電站。熱電聯(lián)供時(shí),燃料利用率高達(dá)80%以上。專家們認(rèn)為它與各種大型中心電站的關(guān)系，頗類(lèi)似于個(gè)人電腦與大型中心計(jì)算機(jī)的關(guān)系，二者互為補(bǔ)充。二十一世紀(jì)，這種區(qū)域性、環(huán)境友好的、的發(fā)電技術(shù)有可能發(fā)展成為一種主要的供電方式。  

    近日本提出2010年普及燃料電池的應(yīng)用，并向發(fā)達(dá)歐美國(guó)家建議制定安全基準(zhǔn)和通用規(guī)格。隨著其生產(chǎn)成本的降低，燃料電池也將在我國(guó)獲得快速的發(fā)展，它將對(duì)傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成有利的挑戰(zhàn)。展望其對(duì)電力系統(tǒng)的影響如下：  

8.1 調(diào)峰能力增加

    應(yīng)用氫氣做燃料PEMFC已經(jīng)商業(yè)化，在國(guó)外容量為3kW、5kW、7kW等熱電聯(lián)用的燃料電池正在*地進(jìn)入家庭，數(shù)百kW的燃料電池正在*地進(jìn)入旅館、飯店商廈等場(chǎng)所。這些電力裝置同小型光伏發(fā)電裝置一樣可以獨(dú)立發(fā)電，也可與電力網(wǎng)相連。為了獲得氫燃料，目前在非純氫燃料電池前均加了燃料改質(zhì)器。據(jù)專家介紹，碳納米管儲(chǔ)氫技術(shù)已獲得突破，隨著其商業(yè)化的發(fā)展，實(shí)行家庭發(fā)電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便，購(gòu)一罐氫氣可以發(fā)電數(shù)月（3kg氫氣能量可以使一般轎車(chē)行駛500km）。在有煤氣或天然氣管道的地方，打開(kāi)氣閥就可以發(fā)電和供熱水。  

    可以使用天然氣、煤氣為燃料的MCFC、SOFC發(fā)電能力為數(shù)千kW發(fā)電裝置將座落于較大的公用場(chǎng)所，用管道向燃料電池提供燃?xì)鉃楦浇挠脩籼峁╇娏蜔崮?，使城市的發(fā)電不再污染環(huán)境。成千上萬(wàn)的燃料電池發(fā)電裝置服役，必將使得電網(wǎng)的調(diào)峰能力大大增強(qiáng)，常規(guī)的火電廠，由于存在有較大污染，因此讓其遠(yuǎn)離城區(qū)帶基本負(fù)荷。在缺乏調(diào)峰手段和缺乏調(diào)峰電量的東北電網(wǎng)加大燃料電池的入網(wǎng)量，必將大大地提高未來(lái)電網(wǎng)的調(diào)峰能力。  

8.2 節(jié)約配電網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用

    我國(guó)有許多偏遠(yuǎn)的山村和海島，遠(yuǎn)離電網(wǎng)或處在電網(wǎng)的末端，用電量不大。從商業(yè)角度考慮，架設(shè)高電壓等級(jí)的線路是不合算的，但不架設(shè)又難以實(shí)現(xiàn)村村通電的目標(biāo)。有了燃料電池，用當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)氣體為燃料，再配合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能、太陽(yáng)能等，就可以滿足當(dāng)?shù)氐拈L(zhǎng)期的電能需求。這樣可以使投資更加合理，又提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。  

8.3 提高電網(wǎng)的安全性

    目前電網(wǎng)均采用高壓長(zhǎng)距離輸電的方式使偏僻山區(qū)的水電和坑口、路口以及?？谔幍幕痣娸斔偷截?fù)荷中心地帶。中外近年多次電網(wǎng)事故證明，在地震、水災(zāi)、暴風(fēng)、冰雪、雷電等自然災(zāi)害面前，這種系統(tǒng)往往是十分脆弱的。而星羅棋布的燃料電池加入到電網(wǎng)中供電，將會(huì)大大提高電網(wǎng)的安全性。在某個(gè)遠(yuǎn)距離的基本負(fù)荷電源跳閘時(shí)，燃料電池可以對(duì)電網(wǎng)起到一定的支承作用，保證重要用戶的電能需求。隨著MCFC、SOFC技術(shù)的突破、天然氣管線的鋪通和大型煤氣化技術(shù)的解決，屆時(shí)人們會(huì)看到，對(duì)于大規(guī)模的應(yīng)用化石能源的電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，變長(zhǎng)距離輸電為長(zhǎng)距離輸氣，應(yīng)用大中小相結(jié)合的各種燃料電池靠近負(fù)荷供電供熱會(huì)更經(jīng)濟(jì)、更安全。  

8.4 電網(wǎng)管理

    燃料電池發(fā)電將增加管理的復(fù)雜性。一是燃料電池發(fā)的均是直流電，需變頻后入網(wǎng)，如此將需要對(duì)諧波進(jìn)行控制；二是價(jià)格管理，每一個(gè)小的系統(tǒng)與電網(wǎng)均有電量交換，需要進(jìn)行合理的價(jià)格管理，這與其他新能源入網(wǎng)問(wèn)題一樣（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能發(fā)電），入網(wǎng)電量小，管理量不小。  

9．結(jié)束語(yǔ)

    人類(lèi)自從19世紀(jì)以來(lái)，經(jīng)歷了三次能源結(jié)構(gòu)革命。次能源革命發(fā)生在19世紀(jì)次產(chǎn)業(yè)革命以后，由于蒸汽機(jī)的大量應(yīng)用，傳統(tǒng)的能源--柴薪已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，于是各國(guó)的能源需求開(kāi)始轉(zhuǎn)向以煤炭為主；第二次能源革命是在20世紀(jì)初開(kāi)始的，當(dāng)時(shí)不斷發(fā)展的電力、鋼鐵工業(yè)帶動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的推廣，此時(shí)石油逐漸取代了煤炭的地位；第三次能源革命在20世紀(jì)70年代初開(kāi)始的石油危機(jī)，它推動(dòng)了新能源的發(fā)展和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。專家認(rèn)為能源革命時(shí)間正在縮短，新的能源結(jié)構(gòu)革命正在悄悄地來(lái)臨，其動(dòng)力來(lái)自于目前的能源利用方式與環(huán)境的矛盾日益尖銳、傳統(tǒng)的能源利用方式與能源資源量的矛盾日益尖銳。新的能源資源在當(dāng)前已占有相當(dāng)?shù)姆蓊~（世界范圍內(nèi)石油占總能源消費(fèi)的36%，天然氣已占到23%），、潔凈、便捷的能源利用方式--燃料電池開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化階段。  

    我國(guó)的煤炭資源比較豐富，目前在我們的能源結(jié)構(gòu)中約占72%。為了解決現(xiàn)代化巨大的電能需求與環(huán)境的尖銳矛盾，我國(guó)一方面加快了潔凈化用煤的技術(shù)(煤的整體氣化)發(fā)展，一方面在迅速地增大天然氣應(yīng)用在能源中的比例。氣體能源的發(fā)展為燃料電池在我國(guó)廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了*的條件。建議如下：  

    遼寧地區(qū)能源資源單一，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看只能靠煤電解決本地區(qū)的電能需求。但是傳統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換方式與本地的環(huán)境矛盾日益尖銳，發(fā)展使用氣體能源燃料電池發(fā)電可以很好地解決本地電能需求且不污染環(huán)境，也有利于解決本地十分棘手的電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題。燃料電池發(fā)電不僅是可能的而且是可行的，可以做成小型的電池堆或用其建成大型的電站。應(yīng)從現(xiàn)在起加強(qiáng)燃料電池發(fā)電的研究工作，立足于用高技術(shù)改造東北電網(wǎng)。  

    鑒于我國(guó)對(duì)電站用燃料電池的研究還比較落后，我們應(yīng)走風(fēng)力發(fā)電的路線，采用高起點(diǎn)起步，整機(jī)引進(jìn)國(guó)外的燃料電池發(fā)電設(shè)備，可以先引進(jìn)規(guī)模較小的電池堆。這樣可以使我們更快地掌握高技術(shù)，有利于燃料電池發(fā)電在我省更快的發(fā)展。  

    大連化學(xué)物理研究所走在了我國(guó)在燃料電池研究的前面，而且對(duì)燃料電池的種類(lèi)研究的也比較全面，遼寧省有很好的燃料電池研究生產(chǎn)條件，我國(guó)有大量的燃料電池所用的稀土資源。應(yīng)很好地利用這一資源，在開(kāi)發(fā)燃料電池應(yīng)用市場(chǎng)的同時(shí)，參與燃料電池的生產(chǎn)，如同內(nèi)蒙古和新疆風(fēng)電產(chǎn)業(yè)一樣，既是產(chǎn)品的使用者也是生產(chǎn)者，搶占燃料電池這一高技術(shù)的制高點(diǎn)。