燃料电池技术论文第1篇

【摘要】本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。

1．引言能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。2.燃料电池的特点与原理由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：l不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率；具有很强的过负载能力；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：负极：H2+2OH-2H2O+2e-正极：1/2O2+H2O+2e-2OH-电池反应：H2+1/2O2==H2O另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：燃料极：H2=2H++2e-（1）空气极：2H++1/2O2+2e-=H2O（2）全体：H2+1/2O2=H2O（3）氢氧燃料电池组成和反应循环图在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。单电极组装示意图PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。磷酸型燃料电池基本组成和反应原理磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。MCFC工作原理。空气极的O2（空气）和CO2与电相结合，生成CO23-（碳酸离子），电解质将CO23-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H+相结合，放出e-，同时生成H2O和CO2。化学反应式如下：燃料极：H2+CO23-=H2O+2e-+CO2（4）空气极：CO2+1/2O2+2e-=CO23-（5）全体：H2+1/2O2=H2O（6）在这一反应中，e-同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO23-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH4在电池内部改质，在电池内部直接生成H2的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO和H2O反应生成H2，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2(氧化锆)，它构成了O2-的导电体Y2O3（氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：燃料极：H2+O2-=H2O+2e-（7）空气极：1/2O2+2e-=O2-（8）全体：H2+1/2O2=H2O（9）燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。表1燃料电池的分类类型磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）固体氧化物型燃料电池（SOFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）燃料煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等纯H2、天然气电解质磷酸水溶液KliCO3溶盐ZrO2-Y2O3(YSZ)离子(Na离子)电极阳极多孔质石墨(Pt催化剂)多孔质镍(不要Pt催化剂)Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)阴极含Pt催化剂+多孔质石墨+Tefion多孔NiO（掺锂）LaXSr1-XMn(Co)O3多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)工作温度~200℃~650℃800~1000℃~100℃近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（PAFC）已达到"电站"阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。3．燃料电池发电系统3.1.利用天然气的发电系统MCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600℃，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。另一方面，空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2外，燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2O，将影响发热量，为此通常是先将排出燃料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有O2、CO2的气体）来除去其发生的热。通常是按600℃供给的气体在700℃下排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即，空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。这种系统的效率可达55~60%。在整套出力中MCFC发电量份额占90%。绝大部分的发电量是由MCFC生产的。如果考虑到排气形成的动力回收和若干的附加发电，广义上也可以称为联合发电。在使用PAFC的情况下，若以煤炭为燃料发电时就不容易了，采用天然气时，其构成类似于MCFC机组，基本上是由电池本体发电。原因是PAFC排出气体温度较低，与其进行附加发电不如作为热电联产电源。SOFC能和较高温度的排气体构成附加发电系统，由于SOFC不需要CO2的再循环等，结构简单，其发电效率可以达到50~60%。3.2利用煤炭的发电系统以MCFC为例进行介绍。煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用燃料的CO及H2，并在进入MCFC前除去其中含有的杂质（微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响），这种供给MCFC精制煤气，其压力通常高于MCFC的工作压力，在进入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约700℃）相混合，调整为对电池的适宜温度（约600℃）。该阳极气体的再循环是，将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给O2和CO2是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2及CO变换成H2O和CO2后供给的。实际的燃料电池，内部电阻会发热，将通过在空气极侧流过的大量的氧化剂气体（阴极气体，即含有O2和CO2的气体）而除去。通常通过调整空气极侧的流量，把以600℃供给的气体在700℃排出。为此采用了阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约700℃的高温。因此，在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到600℃，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。空气极侧的出入口温度，取决于再循环和来自压缩机的供给空气流量和再循环回路中的热交换量。排热回收系统（末级循环），是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合，其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生，形成汽水循环。这种机组的发电效率，因煤气化方式和煤气精制方式等的不同而有若干差异。利用煤系统SOFC其构成是复杂的。但若用管道气就简单多了，主要的是采用煤炭气化系统造成的，其效率为45~55%。4．我国燃料电池的发展状况我国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。"八五"期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在PEMFC方面的研究力度。2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，2001年将提供40kW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华一年前在EVS16届大会上宣布，中国将在2000年装出首台燃料电池电动车。我国燃料电池的研究工作已表明：1.中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；2.大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果；3.在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。但是我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。此前参与燃料电池研究的有关概况如下：4.1.PEMFC的研究状况我国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制,已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35W/cm2。清华大学核能技术设计院1993年开展了PEMFC的研究,研制的单体电池在0.7V时输出电流密度为100mA/cm2，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管式PEMFC的设计，该单位已与德国Karlsrube研究中心建立了一定的协作关系。天津大学于1994年在国家自然科学基金会资助下开展了PEMFC的研究，主要研究催化剂和电极的制备工艺。复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门大学近年来与香港大学和美国的CaseWesternReserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究。1994年，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC("八五"攻关项目)，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究，目前单体电池的电流密度为150mA/cm2。中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC，主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。天津电源研究所1997年开始PEMFC的研究,拟从国外引进1.5kW的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。华南理工大学于1997年初在广东省佛山基金资助下开展了PEMFC的研究，与国家科委电动车示范区建设相配合作了一定的研究工作。其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。中科院电工研究所最近开展了电动车用PEMFC系统工程和运行模式研究，拟与有色金属研究院合作研究PEMFC/光伏电池(制氢)互补发电系统和从国外引进PEMFC装置。1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5kW的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。4.2.MCFC的研究简况国内开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC，90年代初停止了这方面的研究工作。1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了MCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。1995年上海交通大学与长庆油田合作开始了MCFC的研究，目标是共同开发5kW～10kW的MCFC。中国科学院电工研究所在"八五"期间，考察了国外MCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了MCFC电站系统工程关键技术的研究与开发。4.3.SOFC的研究简况最早开展SOFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究。80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究,组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V，电流密度400mA/cm2，4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究，从研制材料着手,制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09W/cm2～0.12W/cm2，电流密度为150mA/cm2～180mA/cm2，工作电压为0.60V～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W～30W块状叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。中国科学技术大学于1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992年在国家自然科学基金会和"863"计划的资助下开始了中温SOFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC，工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200mA/cm2的电流密度。此外,他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。清华大学在90年代初开展了SOFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉,并开展了平板型SOFC成型和烧结技术的研究,取得了良好效果。华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究,组装的管状单体电池，用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2，电流密度为17mA/cm2，连续运转140h，电池性能无明显衰减。中国科学院山西煤炭化学研究所在1994年开始SOFC研究，用超细氧化锆粉在1100℃下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质。该所从80年代初开始煤气化热解的研究，以提供燃料电池的气源。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段，正在镇江市建立工业示范装置。该所还开展了使煤气化热解的煤气在高温下脱硫除尘和甲醇脱氢生产合成气的研究，合成气中CO和H2的比例为1∶2，已有成套装置出售。中国科学院大连化学物理所于1994年开展了SOFC的研究工作，在电极和电解质材料的研究上取得了可喜的进展。中国科学院北京物理所于1995年在国家自然科学基金会的资助下，开展了用于SOFC的新型电解质和电极材料的基础性研究。（

燃料电池技术论文第2篇

作者: 辽宁电力科学研究院孔宪文 桂敏言(辽宁省电力有限公司 冯玉全) 【论文摘要】本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。1．引言 能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。 随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。 1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。 大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以

燃料电池技术论文第3篇

PAFC技术开发的现状与动向：

日本自实施月光计划以来，作为部级项目，正在实施5000千瓦级加压型和1000千瓦级常压型电厂实证运行。目前，磷酸型燃料电池的发电效率为30％～40％，如果将热利用考虑进去，综合效率可高达60％～80％。

除日本外，目前世界约有60台PAFC发电设备在运转，总输出功率约为4.1万千瓦。按国别和地区划分日本为2.9万千瓦，美国8000千瓦，欧洲3000千瓦，亚洲900千瓦。运转中的发电设备除3台(日本2台，意大利1台)为加压型外，其他均为常压型。磷酸型燃料电池的制造厂家目前主要为日本和美国，设备主要销往欧、亚。

美国已完成基础研究，200千瓦级电厂用电池近期有望商品化，但大容量电厂用电池处于停滞状态。德国已引进美国200千瓦级电厂用电池进行试验运行。另外，瑞典、意大利、瑞士等国也引进日、美的电池进行试运行。

2.熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)

日本对MCFC发电系统的技术开发始于1981年度的月光计划，该计划围绕开发1千瓦级发电机组这个目标展开了对MCFC燃料、电极等的开发。该开发研究进展顺利，从1984年开始，进而对10千瓦级发电机组进行研究开发。1986年，日立、东芝、富士电机、三菱电机、IHI分别对5台10千瓦级机组进行发电试验，其结果是输出功率为10千瓦，初期性能为电池电压0.75伏，电流密度150毫安/平方厘米。

1987年起，日本在对1000千瓦级实验电场(外部改质型)进行主要开发的同时，对100千瓦级发电机组以及1000千瓦级机组的设备的开发研究也取得了进展。1993年度，日立、IHI的2台100千瓦级外部改质型机组和三菱电机的1台30千瓦级内部改质型机组开始试验发电运行。其试验结果以及1994年度进行的5-25千瓦级机组的试验结果表明，电池电压0.8伏，电流密度达15毫安/平方厘米，单位时间内的劣化率小于1％。

在此基础上，1994年度起开始着手开发1000千瓦级试验工厂。1995年10月在中部电力(株)川越发电所开始建厂，确立了1000千瓦级实用化发电系统试验工厂的基本系统，对现有的事业用燃料电池电厂的运行进行评价，计划1999年开始试验运行，其目标为：燃料利用率为80％，千小时电池的劣化率小于1％，初期性能为：电池电压大于0.8伏，电流密度1500毫安/平方厘米，计划试验运行5000小时。

为使电池实用化，在上述研究开发的基础上，还进行了机组长寿命化研究，计划连续实验运行4万小时，每千小时单位劣化率小于0.25％。除此之外，还在开发200千瓦级内部改质型燃料电池发电系统。

美国能源部和美国电力研究所，正在积极开发MCFC。美国ERC公司开发的2兆瓦级内部改质型机组发电系统于1996年5月在圣克拉拉开始试验运行。MC－power公司开发的250千瓦级外部改质型机组发电系统，1997年2月起在圣迭戈开始试运行。

在欧洲，MCFC作为共同项目正在研究开发，取得了一些进展，其主要项目如下：

①高级DIC－MCFC发展计划(1996-1998年)。荷兰、英、法、瑞典等国参加研究，欧洲在市场分析、系统开发以及内部改质型机组的开发等方面取得进展。

②ARGE项目(1990年起计划10年内完成)。德、丹麦参加，并在内部改质型发电系统的开发上取得进展。

③MOLCARE。由意、西班牙参加，并在外部改质型发电系统开发上取得进展。

韩国从1993年起开始开发MCFC，1997年以开发100千瓦外部改质型发电系统为目标，开始了第二阶段研究开发工作。

3.固体电解质型燃料电池(SOFC)

作为SOFC开发的基础科学离子学，其开发历史很长，日、美、德等国已有30多年的开发史。日本工业技术院电子技术综合研究所从1974年起就开始研究SOFC，1984年进行了500瓦发电试验(最大输出功率为1.2千瓦)。美国西屋公司从1960年起开始开发SOFC，1987年该公司与日本东京煤气、大阪煤气共同开发出3千瓦热自立型电池模块，在国内外掀起了开发SOFC的高潮。

日本新阳光计划中，以产业技术综合开发机构(NEDO)，为首，从1989年起开始开发基础制造技术，对数百千瓦级发电机组进行测试。1992年起，富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究开发数千瓦级平板型模块基础上，还组织了7个研究机构积极开发高性能、长寿命的SOFC材料及其基础技术。

除此之外，三菱重工神户造船所与中部电力合作，共同开发平板型SOFC，1996年创造了5千瓦级模块成功运行的先例。同时，在圆筒横缟型电池领域中，1995年三菱重工长崎造船所在电源开发共同研究中，采用圆筒横缟型电池，开发出10千瓦级模块，成功地进行了500小时试运行，之后又于1996年开发了2.5千瓦模块，并试运行1000小时。TOTO与九州电力共同开发全湿式圆筒纵缟型电池，1996年起，开始开发1千瓦级模块。同时，在日本以大学与国立研究所为首的许多研究机构在积极开发SOFC。

美国西屋公司在能源部的支持下，开始开发圆筒纵缟型电池。东京煤气和大阪煤气对25千瓦级发电及余热供暖系统进行的共同测试表明，截至1997年3月，已成功运行了约1.3万小时，其间已经过11次启动与停机，千小时单位电池的劣化率小于0.1％，可见其技术已非常成熟。西屋公司除计划在1998年与荷兰、丹麦共同进行100千瓦级模块运行外，为降低制造成本，还在研究开发湿式电池制造技术。美国Allied－signal、SOFCo、Z－tek等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正对1千瓦级模块进行试运行。

在欧洲，德国西门子公司在开发采用合金系列分离器的平板型SOFC，1995年开发出10千瓦(利用氧化剂中的氧，若在空气中则为5千瓦)模块，1996年开发出7.2千瓦模块(利用氧化剂中的空气)。

奔驰汽车制造公司在开发陶瓷系列分离器式平板型SOFC上取得进展，1996年对2.2千瓦模块试运行6000小时。瑞士的萨尔泽尔公司在积极开发家庭用SOFC，目前已开发出1千瓦级模块。今后，德国还计划在特蒙德市进行7千瓦级发电及余热供暖系统现场测试。

在此基础研究上，以英、法、荷等国的大学和国立研究所为中心的研究机构，正在积极研究开发低温型(小于800℃)SOFC材料。

4.固体高分子型燃料电池(PEFC)

日本开发固体高分子膜的单位有旭化成、旭哨子、Japangore－tex等，开发改质器以及电极催化媒体的机构有田中贵金属、大阪煤气等。在开发汽车燃料电池方面，丰田制造出甲醇改质型燃料电池汽车(1997年)，同时三菱电机、马自达也在着手开发汽车燃料电池。

在供电及余热供暖系统方面，PEFC排热温度较低，为70℃左右，在热利用上有所限制，与其他类型燃料电池相比，目前只开发小型系统。东芝(30千瓦)、三洋电机(数千瓦)、三菱重工和东京煤气(5千瓦)、富士电机和关西电力(5千瓦)等公司在开发以天然气和甲醇为燃料的电池系统，同时，三洋电机在开发1千瓦级氢燃料便携式商品化电源，三菱重工在开发特殊用途(无人潜水艇用)燃料电池。

PEFC主要作为汽车动力电源在开发。但在汽车上燃料的搭载方式各种各样，有高压氢、液化氢和甲醇等。这些燃料各具长短，目前还未能确定最适方式。

德国奔驰与加拿大BPS在进行共同开发，它们开发的搭载氢燃料、小底盘汽车在试运行。除此之外它们还共同开发甲醇燃料电池汽车。若在降低成本、提高运行性能等方面再取得一些进展，电池汽车就有望走向市场。

美国克莱斯勒、通用、福特三公司协力合作，计划到2000年开发出输出50千瓦、输出密度1千瓦/公斤的燃料电池。另外，BMW、Rover和西门子三家公司也在开展共同开发。

燃料电池技术论文第4篇

燃料电池的类型主要有质子交换膜燃料电池（PEMFC，最有前途）；碱性燃料电池（AFC）；磷酸盐型燃料电池（PAFC）；熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）；固体氧化物燃料电池（SOFC）。

I.碱性燃料电池（AFC）

这种电池用35%~45%KOH为电解液，渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中，工作温度小于100℃。该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度比在酸性液中大，因此有较大的电流密度和输出功率。但氧化剂应为纯氧，电池中贵金属催化剂用量较大，而利用率不高。目前，此类燃料电池技术的发展已非常成熟，并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。发展碱性燃料电池的核心技术是要避免二氧化碳对碱性电解液成分的破坏，不论是空气中百万分之几的二氧化碳成分还是烃类的重整气使用时所含有的二氧化碳，都要进行去除处理，这无疑增加了系统的总体造价。此外，电池进行电化学反应生成的水需及时排出，以维持水平衡。因此，简化排水系统和控制系统也是碱性燃料电池发展中需要解决的核心技术。

II.酸型燃料电池（PAFC）

这种电池采用磷酸为电解质，工作温度200℃左右。其突出优点是贵金属催化剂用量比碱性氢氧化物燃料电池大大减少，还原剂的纯度要求有较大降低，一氧化碳含量可允许达5%。该类电池一般以有机碳氢化合物为燃料，正负电极用聚四氟乙烯制成的多孔电极，电极上涂Pt作催化剂，电解质为85%的H3PO4。在100~200℃范围内性能稳定，导电性强。磷酸电池较其他燃料电池制作成本低，已接近可供民用的程度。目前，国际上功率较大的实用燃料电池电力站均用这种燃料的电池。美国将磷酸型燃料电池列为部级重点科研项目进行研究开发，向全世界出售200kW级的磷酸型燃料电池，日本制造出了世界上最大的（11MW）磷酸型燃料电池。到2002年初，美国已在全世界安装测试了200kWPAFC发电装置235套，累计发电470万小时。在美国和日本，有几套装置已达到连续发电1万小时的设计目标。欧洲现有5套200kWPAFC发电装置在运转。日本福日电器和三菱电器已经开发出500kWPAFC发电系统。我国魏子栋等人进行Pt3（Fe/Co）/C氧还原电催化剂的研究，并提出了Fe/Co对Pt的锚定效应。磷酸型燃料电池发电技术目前已得到高速发展，但是其启动时间较长以及余热利用价值低等发展障碍导致其发展速度减缓。

III.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

这种电池用两种或多种碳酸盐的低融混合物为电解质，如用碱-碳酸盐低温共融体渗透进多孔性基质，电极为镍粉烧制而成，阴极粉末中含多种过渡金属元素作稳定剂，主要是在美国、日本和西欧研究和利用较多。2~5MW外公用管道型熔融碳酸盐燃料电池已经问世，在解决MCFC的性能衰减和电解质迁移方面已取得突破，美国燃料电池能源公司已在实验室测试263kWMCFC发电装置。意大利Ansaldo公司与西班牙Spanishcomp’s合作开发100kWMCFC发电装置和500kWMCFC发电装置。日本日立公司2000年开发出1MW的MCFC发电装置。东芝开发出低成本的10kWMCFC发电装置。MCFC中阴极、阳极、电解质隔膜和双极板是基础研究的四大难点，这四大部件的集成和对电解质的管理是MCFC电池组及电站模块的安装和运转的技术核心。

IV.固体氧化物燃料电池（SOFC）

电池中的电解质是复合氧化物，在高温（1000℃以下）时，有很强的离子导电功能。它是由于钙、镱或钇等混入离子价态低于锆离子的价态，使有些氧负离子晶格位空出来而导电。目前世界各国都在研制这类电池，并已有实质性的进展，但存在缺点：制造成本较高；温度太高；电介质易裂缝；电阻较大。目前已开发了管式、平板式和瓦楞式等多种结构形成的固体氧化物燃料电池，这种燃料电池被称为第三代燃料电池。美国和日本多家公司正在开发10kW平面轮机SOFC发电装置。德国西门子-西屋电器公司正在测试100kWSOFC管状工作堆，美国在测试25kWSOFC工作堆。国内大都处于SOFC的基础研究阶段。SOFC在高温下工作也给其带来一系列材料，密封和结构上的问题，如电极的烧结，电解质与电极之间的界面化学扩散以及热膨胀系数不同的材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等。这些也在一定程度上制约着SOFC的发展，成为其技术突破的关健方面。

V.质子交换膜燃料电池（PEMFC）

它是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池，它是为航天和军用电源而开发的。在美国《时代周刊》的社会调查结果中被列为21世纪十大科技新技术之首。美国多家公司、日本、三洋、三菱等公司也已研究开发出便携式PEMFC发电堆。加拿大电力系统公司与日本的EBARA公司合作研究开发250kWPEMFC发电设备和1kWPEMFC便携式发电系统。德国在柏林建造了一个250kWPEMFC的实验堆。质子交换膜燃料电池的核心技术是电极-膜-电极三合一组件的制备技术。为了向气体扩散，电极内加入质子导体，并改善电极与膜的接触，采用热压的方法将电极、膜、电极压合在一起，形成了电极-膜-电极三合一组件，其中，质子交换膜的技术参数直接影响着三合一组件的性能，因而关系到整个电池及电池组的运行效率。PEMFC的价格也制约着其商业化进程，因此，改进其必要组件性能，降低运行成本，是发展PEMFC的重要方向。

燃料电池技术论文第5篇

【论文摘要】:电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。 

 

“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下, 使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。 

 

1. 分布式电源 

 

当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(ic)、微型燃气轮机（microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（fuel cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。 

1.1 微型燃气轮机 

微型燃气轮机（micro turbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。 

1.2 燃料电池 

燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。 

1.2.1 燃料电池的工作原理 

燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。 

通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（pafc）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 mw的设备及便携式250 kw等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（mcfc），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（sofc）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。 

1.2.2 性能和特点 

燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统 

目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。 

1.2.3 技术关键和研究课题 

燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（mcfc）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使mcfc的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（sofc）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入y2o3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05 mm。比较先进的已达到0.01 mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700 ℃以下，sofc的造价就可以大幅度降低。 

 

2. 大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命 

 

2.1 大功率电力电子器件的重大进展 

电力电子学（power electronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（high power electronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。 

近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（facts）、定质电力技术（custom power）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。 

2.2 灵活交流输电技术(facts) 

灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。 

传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速灵活连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了灵活交流输电这项新技术的发展和应用。 

燃料电池技术论文第6篇

【论文摘要】:电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。

“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下, 使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。

1. 分布式电源

当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(ic)、微型燃气轮机（micro?tur_bines）和各种工程用的燃料电池（fuel cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。

1.1 微型燃气轮机

微型燃气轮机（micro turbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。

1.2 燃料电池

燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。

1.2.1 燃料电池的工作原理

燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。

通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（pafc）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 mw的设备及便携式250 kw等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（mcfc），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（sofc）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。

1.2.2 性能和特点

燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统

目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。

1.2.3 技术关键和研究课题

燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（mcfc）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使mcfc的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（sofc）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入y2o3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05 mm。比较先进的已达到0.01 mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700 ℃以下，sofc的造价就可以大幅度降低。

2. 大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命

2.1 大功率电力电子器件的重大进展

电力电子学（power electronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（high power electronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。

近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（facts）、定质电力技术（custom power）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。

2.2 灵活交流输电技术(facts)

灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。

传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速灵活连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了灵活交流输电这项新技术的发展和应用。

燃料电池技术论文第7篇

摘要:电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。论文关键词：电力技术；电源 “电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下, 使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。 1. 分布式电源 当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（Fuel Cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。 1.1 微型燃气轮机 微型燃气轮机（Micro Turbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。 1.2 燃料电池 燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。 1.2.1 燃料电池的工作原理 燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。 通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 MW的设备及便携式250 kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。 1.2.2 性能和特点 燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统 目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。 1.2.3 技术关键和研究课题 燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。

燃料电池技术论文第8篇

关键词：微生物燃料电池 产电 新能源

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0003-02

微生物燃料电池（Microbial fuel cells， MFCs）是一种新兴的高效的生物质能利用方式，它利用细菌分解生物质产生生物电能，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。

1 微生物燃料电池的工作原理

图1是典型的双室结构MFCs工作原理示意图，系统主要由阳极、阴极和将阴阳极分开的质子交换膜构成。阳极室中的产电菌催化氧化有机物，使其直接生成质子、电子和代谢产物，氧化过程中产生的电子通过载体传送到电极表面。根据微生物的性质，电子传送的载体可以为外源、与呼吸链有关的NADH和色素分子以及微生物代谢的还原性物质。阳极产生的H+透过质子交换膜扩散到阴极，而阳极产生的电子流经外电路循环到达电池的阴极，电子在流过外电阻时输出电能。电子在阴极催化剂作用下，与阴极室中的电子接受体结合，并发生还原反应[1]。

下面以典型的葡萄糖为底物的反应为例说明MFCs的工作原理，反应中氧气为电子受体，反应完成后葡萄糖完全被氧化[2]。

2 微生物燃料电池的分类

目前为止，MFCs的分类方法没有统一标准，通常有以下几种分类方法。

（1）基于产电原理进行分类，包括氢MFCs、光能自养MFCs和化能异养MFCs。氢MFCs的原理是利用微生物制氢，同时利用涂有化学催化剂的电极氧化氢气发电；光能自养MFCs是利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接将光能转化为电能；而化能异养MFCs则是在厌氧或兼性微生物的作用下，从有机底物中提取电子并转移到电极上，实现电力输出[3]。

（2）基于电池构型进行分类，包括单极室微生物燃料电池、双极室微生物燃料电池和多级串联MFCs。图1中的微生物燃料电池即为双极室结构，电池通过质子交换膜分为阳极室和阴极室两个极室。单极室MFCs则以空气阴极MFCs为主，将阴极与质子交换膜合为一体，甚至是去除质子交换膜。为了提高产电量，将多个独立的燃料电池串联，就形成了多级串联MFCs[4]。

（3）基于电子转移方式分类，包括直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池两类。直接微生物燃料电池是指底物直接在电极上被氧化，电子直接由底物分子转移到电极，生物催化剂的作用是催化在电极表面上的反应。间接微生物燃料电池的底物不在电极上氧化，而是在电解液中或其它地方发生氧化后，产生的电子由电子介体运载到电极上去[5]。

（4）基于电子从细菌到电极转移方式进行分类，可分为有介体MFCs和无介体MFCs两类。电子需要借助外加的电子中介体才能从呼吸链及内部代谢物中转移到阳极，这类为有介体MFCs。某些微生物可在无电子传递中间体存在的条件下，吸附并生长在电极的表面，并将电子直接传递给电极，这称为无介体MFCs。

3 电池性能的制约因素[6～7]

迄今为止，MFCs的性能远低于理想状态。制约MFC性能的因素包括动力学因素、内阻因素和传递因素等。

动力学制约的主要表现为活化电势较高，致使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低，难以获得较高的输出功率[8]。内电阻具有提高电池的输出功率的作用，主要取决于电极间电解液的阻力和质子交换膜的阻力。缩短电极间距、增加离子浓度均可降低内阻。不用质子交换膜也可以大大降低MFC的内阻，这时得到的最大功率密度为有质子交换膜的5倍，但必须注意氧气扩散的问题[9]。另一个重要制约因素为电子传递过程中的反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率。最终电子受体采用铁氰酸盐或阴极介体使用铁氰化物均可以获得更大的输出功率和电流。

另外，微生物对底物的亲和力、微生物的最大生长率、生物量负荷、反应器搅拌情况、操作温度和酸碱度均对微生物燃料电池内的物质传递有影响[10]。

4 微生物燃料电池的应用

（1）废水处理与环境污染治理。

微生物燃料电池可以同步废水处理和产电，是一种废水资源化技术。把MFC用于废水处理是其最有前景的一个应用方向，也是当前微生物燃料电池的研究热点之一。同时，在生物脱氮、脱硫、重金属污染的生物治理等方面MFCs也具有不可忽视的作用。

（2）海水淡化。

普通的海水淡化处理技术条件苛刻，需要高压、高效能的转化膜，有的还要消耗大量的电能，故不能大规模的处理，并且成本较高，难以有效地解决海水淡化问题。如果找到一种高效的产电微生物和特殊的PEM交换膜，那么MFC，就可以达到海水淡化的目的，而且具有能耗低，环保和可持续的优点。利用MFC淡化海水也将成为具有发展潜力的研究方向[11]。

（3）便携式电源。

微生物燃料电池能够利用环境中自然产生的燃料和氧化剂变为电能，用于替代常规能源。可以为水下无人驾驶运输工具、环境监测设备的长期自主操作提供电源。

（4）植物MFCs。

通过光合作用，植根在阳极室的绿色植物将二氧化碳转换为碳水化合物，在根部形成根瘤沉积物；植物根系中的根瘤沉积物被具有电化学活性的微生物转化为二氧化碳，同时产生电子。这种植物MFCs能够原位将太阳能直接转换为电能[12]。

（5）人造器官的动力源[13]。

微生物燃料电池可以利用人体内的葡萄糖和氧气产生能量。作为人造器官的动力源，需要长期稳定的能量供给，而人体内源源不断的葡萄糖摄入恰好可以满足MFC作为这种动力源的燃料需要。

5 微生物燃料电池技术研究展望

MFCs技术正在不断成长并且已经在许多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，该技术还没有实现真正的大规模实际应用。基于其产电性能的制约因素，今后的研究方向主要可归纳为以下几点。

（1）深入研究并完善MFCs的产电理论。MFCs产电理论研究处于起步阶段，电池输出功率较低，严重制约了MFCs的实际应用。MFCs中产电微生物的生长代谢过程，产电呼吸代谢过程以及利用阳极作为电子受体的本质是今后的研究重点[14]。

（2）筛选与培育高活性微生物。目前大多数微生物燃料电池所用微生物品种单一。要达到实际应用的目的，需要寻找自身可产生氧化还原介体的高活性微生物和具有膜结合电子传递化合物质的微生物。今后的研究应致力于发现和选择这种高活性微生。

（3）优化反应器的结构。研究与开发单室结构和多级串联微生物燃料电池。利用微生物固定化技术、贵金属修饰技术等改善电极的结构和性能。选择吸附性能好、导电性好的材料作为阳极，选择吸氧电位高且易于扑捉质子的材料作为阴极[15]。

（4）改进或替代质子交换膜。质子交换膜的质量与性质直接关系到微生物燃料电池的工作效率及产电能力。另外，目前所用的质子交换膜成本过高，不利于实现工业化。今后应设法提高质子交换膜的穿透性以及建立非间隔化的生物电池[16]。

6 结语

MFCs作为一种可再生的清洁能源技术正在迅速兴起，并已逐步显现出它独有的社会价值和市场潜力。随着研究的不断深入以及生物电化学的不断进步，MFCs必将得到不断地推广和应用[17]。

参考文献

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[15] 谢晴，杨嘉伟，王彬，等.用于污水处理的微生物燃料电池研究最新进展[J].水处理技术，2010，36（3）：10-16.

燃料电池技术论文第9篇

1、科索沃战争及近年来美国西部大停电、马来西亚全国性大停电、台湾发生的三次大停电事故给我们的启示

科索沃战争实际上以南联盟的失败而结束了，战前人们预料的北约必须出动地面部队才能结束战斗、有可能又是一场越南战争的情况没有出现，北约仅靠78天的空袭就迫使南联盟屈服了。在这里我们必须充分注意到美国用石墨炸弹破坏南联盟电力系统，从而破坏南联盟国民经济，造成南联盟人民生活陷入极大困境在结束战争中所起的巨大作用。

电力工业属技术资金密集型行业，电能生产、输送、使用是在同一时间内完成的。现代电力系统的主要特征是"大机组、大电网、高电压"，运行技术复杂、管理水平要求高。电网上任何一点的故障所产生的扰动都会以光的速度波及开来，严重的故障可能会引起大面积停电甚至全网崩溃，造成灾难性的后果。今年7月29日23时30分，由于台南县关庙乡附近山崩，压倒台电第326号高压输电线铁塔，使得嘉义及台南的两条输电线路跳闸所引发的台湾全岛大停电，至少造成上百亿元新台币的损失，并导致岛内民众一片惊慌。1996年7月2日、8月10日在美国西部连续发生的大停电事故和1996年8月3日马来西亚发生的全国性大停电事故，以及台湾1995年5月24日、8月5日、1999年7月29日发生的三次大停电事故，损失惨重，教训沉痛，给以大电网集中供电的现代社会敲响了警钟。科索沃战争和上述大停电事故告诉我们：以"大机组、大电网、高电压"为模式的现代电力系统是非常脆弱的，在战争状态下更是不堪一击！大电网大面积停电所造成的后果是灾难性的！从现在开始，"大机组、大电网、高电压"的模式再也不能继续发展下去了！

如何保证大电网的安全稳定运行，如何保证电力的连续生产、稳定供应成为下世纪电力工业面临的重大课题。在这里我们要指出：分散电源供电系统-燃料电池发电厂由于其巨大的优越性将成为21世纪电力行业的主力军，掌握和发展燃料电池发电技术是事关国家安全和中华民族振兴的重大问题；是事关我国国民经济可持续发展和占领21世纪电力工业技术制高点的重大战略课题。

2、燃料电池发电技术发展简况

2.1 燃料电池的工作原理及特点

燃料电池（Fuel cell）是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。其工作原理与一般的电池相似，基本上由电子导电的阴极和阳极及离子导电的电解质构成。在电极与电解质的界面上电荷载体由电子变为离子，在阳极（燃料电池的负极又称燃料极）进行氧化反应，在阴极（燃料电池的正极又称空气极）进行还原反应，燃料扩散通过阳极时失去电子而产生电流。当外部不断地输送燃料和氧化剂时，燃料氧化所释放的能量也就源源不断地转化为电能和热能。

燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，有着传统的火力发电难以比拟的诸多技术上的优点。

首先，燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。各种燃料发电的平均理论效率在90%以上，应用中因电解质的电阻以及阴阳极的化学反应阻力，实际效率也均在50%以上。如果进一步将化学反应中产生的热能加以利用，燃料电池的总效率可达到80%以上。

其次，燃料电池的环境兼容性好。由于整个能量转换过程中没有燃烧，CO2的排放量比常规火电减少40-60%，SOX和NOX的排放量更低，比火电减少90%以上。同时，能量转换的主要装置无运动部件，因此噪音极小。据测试，在已建燃料电池电厂外9米处的噪音仅为60dB。

第三，设备可靠性高，对负荷的适应能力强，可以无人操作。燃料电池过载运行或欠载运行都能承受而效率基本不变，负荷变化时响应速度很快。可以直接建在终端用户附近，没有庞大的输配电网络，供电可靠性高。同时节约大量的输配电设备费用并减少损耗。

第四，燃料来源广、建设工期短、使用方便。由于是组件化设计，建厂时间很短（平均仅需2个月左右）。电厂不需大量冷水，占地面积极小（几十平方米即可），加上无污染无噪音，选址几乎没有任何限制。可用来发电的燃料种类众多，甲醇、煤气、沼气、天然气、含氢废气、轻油、柴油等均可。

从以上这些突出的特点可以看出，燃料电池是一种高效洁净方便的发电装置，非常适合作移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，尤其适宜应用于重要的政府与军事等部门。随着燃料电池的商业化推广，其成本价格会迅速降低，民用市场的前景也将十分广阔。

2.2 燃料电池的主要类型

燃料电池的种类不少，按使用的电解质不同分类，主要有磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体氧气物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。

PAFC型燃料电池

磷酸燃料电池（PAFC）电解质采用磷酸H3PO4。磷酸化学稳定性好且容易得到，利用磷酸的燃料电池工作温度适中（200℃左右），容易实现大型化应用。

磷酸燃料电池（PAFC）是目前技术最成熟、应用最广泛和商业化程度最高的燃料电池。

MCFC型燃料电池

熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）的电解质为碳酸盐Li2CO3-K2CO3，以氢气为燃料，氧气为氧化剂，负荷电流密度150mA/cm2，单个电池电压达到0.75-0.85V。工作温度高至650℃左右，不需要低温电池必须的铂系催化剂，而且对燃料的纯度要求相对较低，可以在电池内重整燃料。高工作温度加速了化学反应速度，减少了极化损失，效率提高到55-58%，高温度的排放气体可用来进行热电联产或与汽轮机联合循环，总效率更可达70%及更高。所以设备比PAFC型相对简单，价格也有优势。

MCFC型燃料电池的商业化比PAFC型晚近10年，要解决的关键是寿命问题，即在高温下液态电解质的腐蚀与渗漏问题。

SOFC型燃料电池

固体氧化物燃料电池（SOFC）使用高温下成为氧离子导体的陶瓷（氧化锆系等）为电解质，因此不会出现电解质的蒸发和析出，也没有电解液引起的材料腐蚀和电极析出等问题。工作温度900-1000℃，具有效率高（50-65%）、出力密度大、结构简单、寿命长等优点，可用于替代大型火电。缺点是必须有能适应高温的材料和较高的制造技术。

PEMFC型燃料电池

质子交换膜燃料电池（PEMFC）也称为固体聚合物（有机膜）电解质燃料电池，相对于其它几种燃料电池发展较迟。工作温度50-100℃，启动快，固体有机膜的电解质不怕震动。实际应用效率可达80%以上，具有高比能量和比功率及低温快速启动等特点。

2.3 燃料电池技术的发展概况

1839年英国的W.Grove在实验室里验证了燃料电池的工作原理。但直到1939年苏格兰的F.T.Bacon才第一次用KOH水溶液制造出了燃料电池，工作温度100℃，电池电压0.89V，电流密度13mA/cm2。以后美国联合技术公司（UTC）购买Bacon的专利，率先开发燃料电池技术，并于1984年成立国际燃料电池公司（IFC）。

燃料电池技术最初的应用开始于本世纪60年代的航天技术上。采用碱性电池AFC，但由于其应用条件较苛刻，必须使用纯氢和纯氧且微量的CO2即令电解质变质，随后开发了磷酸型燃料电池PAFC。PAFC是目前技术最成熟商业化应用最广泛的燃料电池，价格已降低至1500美圆/kW，美日欧等国投入运行的PAFC型电站已超过百座，最大容量者为东京电力公司的五井电厂（11MW）。

PAFC的缺点是它需要贵重金属铂做催化剂，还需要外部的燃料处理器来重整燃料以提高含氢量，降低了电池的效率并增加了费用和占地。因此，七十年代末开始开发被称为第二代燃料电池的熔融碳酸盐电池（MCFC）。MCFC工作于高温600-700℃下，燃料的重整在内部进行从而提高了效率降低了成本，可用于大规模发电。目前有2MW级验证电站于1996年开始在美国Santa Clara运行，其建设周期仅2月，占地400m2，距厂房9米处噪音低于60分贝，发电效率53.7%，燃料使用天然气和液化气，单位造价1700美圆/kW。

固体电解质型燃料电池SOFC被列为第三代燃料电池。具有高效率寿命长的优点，目前正进行kW级的试验工作。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是近几年研究最广泛、技术发展最为迅速的燃料电池。由于电解质采用高分子膜，具有构造简单、启动快、常温工作的优势，最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力。加拿大Ballard公司在1994年研制出可载75人的PEMFC型电动客车，连续行驶里程超过400公里。

目前，世界上几乎所有的经济发达国家都在投巨资研究开发燃料电池发电技术。美国政府及众多企业每年投资达数亿美圆，以UTC及其派生出的IFC技术最为先进，IFC和日本东芝公司于1990年成立的ONSI公司生产的PC-25型设备应用最广，产品遍布美日欧。日本的富士电机、东芝公司、三菱电机等公司在政府支持下，自六十年代开始，继美国之后大力研发燃料电池技术，运行中的电站仅PAFC型即超过100座，装机30MW以上。欧洲各国，加拿大，韩国等国家由政府和企业界合作，也在燃料电池研究与应用上取得诸多进展。

我国在60年代就开始了多种燃料电池的实验室研究，70年代曾投入大量人力物力研究燃料电池用于空间技术，此后研究工作有很长时期的停顿。最近几年，科学界和企业界的一些有识之士开始重新将目光投向燃料电池技术，尤其在PEMFC技术方面已取得了较大的进展。但由于刚刚起步，国家和企业投入资金极为有限（仅为千万元人民币级），且研究力量分散各处，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的成果进行实际应用试验。

2.4 燃料电池发电方式与火力发电方式的技术经济比较

燃料电池发电的高效率、无污染、低噪音性能符合未来工业的发展趋势，其简单的运行方式和优越的运行稳定性是火力发电难以比拟的，多种燃料种类和方便来源使燃料电池不存在应用上的障碍。

燃料电池是分散电源，可以直接建在终端用户。没有庞大的输配电网络，不存在网络故障引起的供电中断，供电可靠性大大提高了。燃料电池故障只影响局部用户，没有现代电力系统大面积停电的危险。

从目前看，国外已运行的燃料电池电站的价格大约为1500美圆/kW，考虑燃料电池的环保效益，已具备与火电竞争的资格。燃料电池建设周期短，占地极小，就近负荷安装，节约建设费用、运行费用和维护费用的同时，节约了输配电网络建设费用并减少线损。而在传统火力发电时，由于电站基本上都远离负荷中心，往往需要投入相当于发电设备造价1-2倍的网络建设费用来配套。网络的安全与稳定运行更是时刻困扰大电网的问题之一。

3、从国家安全及战略高度出发认识发展我国燃料电池发电技术的重大意义

3.1 台湾问题给我国电网安全运行提出新的挑战

自李登辉提出"两国论"以来，两岸关系骤然紧张。李登辉提出"两国论"是对大陆反应的一种试探，其目的是为台湾走向独立制造舆论。从李登辉上台以来的种种表现看，其否定一个中国的原则蓄谋已久，其最终目标是分裂祖国实现台湾独立。这种局面的出现毫无疑问会导致海峡两岸发生一场战争，而这一战争将引发更大范围的战争。也就是说，由于美国长期介入台湾问题，和台湾有着广泛而密切的联系，并且美国明确表示反对中国政府用武力解决台湾问题。所以一旦两岸发生战争，可以肯定美国将站在李登辉一边，陈兵海峡直接和中国政府进行军事对抗。最近，竞选美国下届总统的小乔治.布什就声称将用武力保护台湾的安全。在此情况下，我国不仅仅是面对台湾李登辉的军队，更大程度上是面对美国的强权势力，美国在科索沃战争中使用的石墨炸弹完全可能会投向中国大陆的电力系统。由于大陆电网覆盖区域广、人口多，战争破坏造成的大停电所带来的灾难性后果将更为严重，对此我们必须有高度清醒的认识，万万不可掉以轻心。作为国民经济基础的电力工业，如何保证电能的连续生产稳定供应？如何避免电网崩溃所带来的灾难性后果？已现实地摆在我们国家面前。我们必须制定相应的措施，未雨绸缪，防患于未然。很明显，燃料电池作为分散电源供电系统，在战争状态下的可靠性是任何其他系统所无法比拟的。因此加快发展我国的燃料电池发电技术，对保障国家安全，抵御外敌入侵，促进国民经济健康发展将起到不可估量的作用。

3.2 加快发展我国的燃料电池发电技术，占领21世纪电力工业技术制高点，是我国国民经济可持续发展的战略需要

由于燃料电池具有能量转换效率高，污染极小，用水少、占地小等突出优点，在发达国家已受到政府和企业的高度重视，并成为十分活跃的重要研究领域。美国政府1995年就把燃料电池列为影响美国国家安全和经济繁荣的27个关键技术领域之一，美国时代周刊1995年将燃料电池电动车列为21世纪十大高新技术之首。美、加、日、欧都在投入巨资开发燃料电池，已在国防工业和民用工业等方面取得较大进展。美、加、欧已将燃料电池应用于第三代潜艇，美国有数万台燃料电池发电站应用于宾馆、医院及居民小区，日本已建成11MW燃料电池发电厂。

21世纪将是氢能的世纪，燃料电池作为把氢能直接转化为电能的洁净发电装置即将大规模全面进入社会，从军用到民用，从潜艇汽车动力、卫星飞船电源到城市区域供电，其开发应用前景十分广阔，市场潜力巨大。美国预计：到2017年30%的电能将由燃料电池提供。我国是一个发展中国家，能源作为基础工业在国民经济中的地位十分重要，加强燃料电池的研究开发并形成新的经济增长点，意义重大，尤其是关系到我国加入WTO后未来整个能源行业的发展。

我国政府已认识到燃料电池的重要性，但是，组织开发的力度还远远不够。与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，总的来说仍处于科研阶段，离实用化商业化应用还有较大距离。迄今为止，还没有燃料电池发电站的应用实例，这和我国这样一个大国的地位很不相称。其主要原因在于：研究力量分散，经费投入少，没有产业界的参与。尽管国家科技部也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，但经费较少，年度经费仅为百万元级，与发达国家数亿美元的投入相比微不足道。承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，没有企业的介入，很难形成产业化的趋势。而美、加、欧、日则有数十家专门研究开发、生产制造燃料电池的公司，如加拿大的Ballard公司，其资产已达10亿美元。

从国家安全和国民经济可持续发展的战略需要出发，我国必须大力发展军民两用燃料电池发电技术。为了促进燃料电池发电技术的实用化商业化研究开发，建议由国家科技部、国家发展委、国家经贸委牵头，根据国家长远发展需要出发，制订规划，组织有关高等院校、科研院所和国家电力公司、石油集团、石化集团及机械制造等工业部门参与研究开发。集中研究力量，加大经费投入。除国家加大研究经费投入力度外，各大电力、电气、汽车、石油、石化等企业也应投入大量人力、物力、财力从事燃料电池发电技术的研究开发和应用工作。比如国家电力公司系统，1998-2000年城乡电网改造总费用达3000亿元，可否从中拿出10亿元用于燃料电池发电技术的研究开发和应用工作？

下世纪头十年，将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本都将取得重大突破。分散电源供电系统-燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以"大机组、大电网、高电压"为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。对能源领域的这场革命，政府、企业、科研院所、高等院校都必须给予足够的认识和重视，准确把握它所带给我们的机遇和未来。针对电力工业，我们不应过分强调发展更高的电压等级、更大的单机容量以及大区电网互联等。适当控制单机容量、电压等级、电网规模的发展，而应将有限的人力、物力、财力投入到燃料电池发电技术的研究开发和应用上来，使之早日实用化产业化，为国家安全和国民经济可持续发展服务。

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