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新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
燃料电池发电技术
摘要：概述了燃料电池的原理和分类，以及他们的反应原理及技术和燃料电池发电技术做了初步介绍。
关键词：燃料电池，发电
引言：随着社会经济的高速发展，人们对能源的依赖越来越严重，而生存环境的持续恶化又催促人们不断寻求清洁能源。燃料电池由于其环保性和高效性被誉为继火力发电、水力发电、核电之后的第四代发电技术，越来越多的国家和地区投入更多的资金对其进行研究并使其产业化。
一：燃料电池简介
燃料电池（Fuel cell），是一种使用燃料进行化学反应产生电力的装置，最早于1839年由英国的Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格便宜，加上对人体无化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热，20世纪60年代应用在美国军方，后于1965年应用于美国双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供电上。
燃料电池其原理：它是一种电化学装置，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
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
图1 燃料电池工作原理示意图 燃料电池的类型：
碱性燃料电池（AFC）——采用氢氧化钾溶液作为电解液。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）——采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。
磷酸燃料电池（PAFC）——采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。
熔融碳酸燃料电池（MCFC）
固态氧燃料电池（SOFC）——采用固态电解质
二：燃料电池发电系统
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。
燃料电池发电是在一定条件下使H2、天然气和煤气（主要是H2）与氧化剂（空气中的O2）发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同之处在于：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，能量转换效率高。燃料电池除可发电外，还可作为电动汽车的电源。在对众多的蓄电池以及一次电源的研究以及应 新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
用中发现：质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置，具有能量转换效率高（一般都在40-50％，而内燃机仅为18％-24％）、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点。
1.磷酸燃料电池(PAFC)发电技术
磷酸型燃料电池由多节单电池按压滤机方式组装以构成电池组。
碱性燃料电池在载人航天飞行中的成功应用，证明了按电化学方式直接将化学能转化为电能的燃料电池的高效与可靠性，为提高能源的利用效率，人们希望将这种高效发电方式用于地面发电。
以磷酸为电解质的磷酸型氢氧燃料电池首先取得突破。至今，其技术获得了高度发展，已进行了规模为11000kW~4500kW的电站试验，定型产品PC25(200kW)已投放市场，有数百台这种电站在世界各地运行，运行试验证明，这种燃料电池分散电站的运行高度可靠，可作为不间断电源应用，其热电效率达40%，热电联产时其燃料的利用率达60% ~70%。
图2 PAFC的反应原理
目前氢的贮存与运输均有不少技术问题需待解决，各国正在积极进行攻关研究一旦这一系列的技术问题得到解决，燃料电池就可利用由太阳能，核能等发出的电来电解水所制备出的氢作为燃料。
在以矿物燃料为原始燃料时，则需经化学转化的过程，例如煤的气化，天然气或汽油的蒸气转化等，通过这些方法将矿物燃料先转化为富氢气体，才可以送入电池作为燃料电池的燃料。
磷酸燃料电池的输出为直流电，而大部分用户的电器均使用交流电，因此，需要把燃料电池输出的直流电经逆变器转换成交流电后再提供给用户使用。磷酸燃料电池的内阻较常规化学电源如铅酸蓄电池大，所以，当输出电流变化时它的工作电压变化幅度大，为解决这一问题，常在燃料电池的输出和逆变器之间加一个振荡变流器(chopper)，它的功能是升压或降，以确保供给用户电力的工作电压维持恒定。
燃料电池应是一个能够自动运行的发电厂，因此，对于磷酸燃料电池来说，其氧化剂的供应，电池废热的排出，反应生成水的回收等均需进行控制与管理，再加上还需对电力输出逆变进行控制与管理等，所有这些必须齐备才能构成一个完整的燃料电池系统。
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图3 磷酸燃料电池系统方框图 2.质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)由若干单电池串联而成，单电池由表面涂有催化剂的多孔阳极
多孔阴极和置于二者之间的固体聚合物电解质构成。其工作原理如图4所示，当分别向阳极和阴极供给氢气与氧气时，进入多孔阳极的氢原子在催化剂作用下被离化为氢离子和电子，氢离子经由电解质转移到阴极，电子经外电路负载流向阴极，氢离子与阴极的氧原子及电子结合成水分子，因此 PEMFC的电化学反应为：
图4 PEMFC的反应原理
(1)原料来源广泛，通过对石油，天燃气，煤炭还有沼气，甲醇，水植物等加工取得，来之不尽，取之不竭。
(2)无污染，因没有燃烧过程，不排放有害气体，它的排出物是氢氧结合的纯水。(3)无燥音，其发电过程是电化学反应过程，没有机械运动，所以没有噪音。(4)能源转换效率高，因其工作温度低，能耗少，能源转换效率理论上可高达。
欲使PEMFC依负荷的变化，长时间稳定的向负载提供电能，必须给电池组配置以下4个功能单元，即燃料及氧化剂贮存与供给单元，电池湿度，温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等，这样，方能构成一个实用化的，完整的PEMFC发电系统。如图5
图5 质子交换膜燃料电池发电系统示意图
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3.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电技术
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以碱金属（Li﹑Na﹑K）的熔融碳酸盐为电解质，富氢燃料天然气甲烷煤气等转化而成为燃料，氧气空气加CO2为氧化剂，工作温度约为650℃，余热利用价值高，点催化剂以镍为主，无需使用贵金属，发电效率高。MCFC的反应原理如图
图6 MCFC的反应原理
MCFC单电池是由阴极、电解质、电解质隔膜和阳极组成，若组成电池堆，则还需要双极板、集流器、气泡屏等组件，其中，隔膜是MCFC的核心部件，必须强度高、耐高温熔盐腐蚀、浸入熔盐电解质后能够阻挡气体通过，并且有良好的离子导电性能（MCFC的导电离子是CO32-).通过对多种材料的筛选和多年的研究，目前已普遍采用偏铝酸锂来制备MCFC隔膜。
美国从1976年开始开发MCFC，主要的开商有能源研究所(Energy Research Corporation，ERC)和MC Power公司，ERC在1991至1994年间先后完成了25 kW、70 kW、125 kW电池组的试验，并于1996年建成了世界上功率最大的2MW MCFC电站，直接燃用脱硫后的天然气。2000年，ERC设计的单电池堆出力达到250 kW并进入商业化。2005年，兆瓦级的MCFC进入商业化。日本从1981年开始研究MCFC，并于1987年研究成功10 kW MCFC发电设备，1997年1MW MCFC电站在日本川越火电厂投运。日立公司2000年开发出1 MW MCFC发电装置。东芝公司开发出低成本的10 kW MCFC发电装置。此外，荷兰、德国、意大利、韩国等国家也于20世纪90年代建成相关的试验电站。我国于1991年由原电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所研制出由7个MCFC单电池组成的电池组，上海交通大学和大连化学物理研究所都于2001年完成了1 kwMCFC电站的试验。
MCFC试验电站的建成和运行为MCFC商业化提供了丰富的经验，各国的科学家正在研究改进MCFC的关键材料和技术应用。
MCFC工作温度高，余热利用价值高，可以与煤气化联合循环结合组成高效的洁净煤发电技术。
4.固体氧化物燃料电池
同体氧化物燃料电池(SOFC)以固态氧化钇、氧化锆为电解质，天然气、气化煤气、碳氢化合物为燃料，氧气为氧化剂。固态氧化钇、氧化锆电解质在高温下有很强的离子传导功能，能够传导02～，电解质将电池分隔为燃料极(阳极)和空气极(阴极)。氧分子在空气极得到电子，被还原成02～，然后通过电解质传输到阳极，在阳极与氢气(或一氧化碳)发生反应。生成水(或二氧化碳)和电子。在迄今为止人类所发明的能源转化方式中，SOFC的转换效率是最高的，其反应原理如图
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图7 SOFC的反应原理
从原理与结构上讲，固体氧化物燃料电池是一种理想的燃料电池，它不但具有其他燃料电池高效，环境友好的优点，而且还具有以下突出优点
固体氧化物燃料电池是全固体结构，无使用液体电解质带来的腐蚀和电解液流失问题，可望实现长寿命运行，固体氧化物燃料电池在800~1000 下工作，不但电催化剂无需采用贵金属，而且还可直接采用天然气，煤气和碳氢化合物作燃料，简化了电池系统，固体氧化物燃料电池排出的高质量余热可与燃气，蒸汽轮机等构成联合循环发电系统，会大大提高总发电效率。
图8 100kw SOFC系统示意图
固体氧化物燃料电池技术的难点也源于它的高工作温度，电池的关键部件阳极隔膜，阴极和联结材料等在电池的工作条件下必须具备化学与热的相容性，即在电池工作条件下，电 新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
池构成材料间不但不能发生化学反应，而且其热膨胀系数也应相互匹配。
固体氧化物燃料电池最适宜的用途是与煤气化和燃气，蒸汽轮机构成联合循环发电系统，建造中心电站或分散式电站，这样既能提高能源利用率，又可消除对环境的污染。
三：燃料电池发电的应用前景
目前，美国、加拿大、日本、韩国以及欧洲的很多国家都把燃料电池发电技术提高到事关“国家能源安全”的战略高度，投入大量资金予以资助和研发。我国是能源消耗大国，以煤和石油为主，能源利用率低，污染严重；同时，近年来我国由于自然灾害或人为因素导致的大面积停电事故，给社会和经济造成巨大损失。如果在电网中有许多分布式电源在供电，则供电的可靠性和供电质量将会大大改善。分布式电源作为我国大电网的有效补充，如果能够得到较快的发展，电网抵御各种灾害的能力将会有很大提高。随着国民经济的发展，备用电源需求日益增大，如移动通信机站、军用移动指挥系统、野外医疗中心、固定或移动办公设施等的备用电源，需要配备技术性和经济性好的备用电源，而燃料电池中的PEMFC刚好能实现这个功能。从燃料电池发展的研究现状来看，我国在燃料电池发电方面的技术与发达国家如美国、加拿大、日本等相距甚远。我国要发展燃料电池技术，需要引进、消化及吸收国外先进技术，加快完成技术革新。
四：结束语
燃料电池作为高效、清洁、友好的新能源技术，已经得到越来越多国家的重视，掌握清洁高效的发电技术对国家能源和安全具有重要的战略意义，而燃料电池正是高效环保的发电技术之一。随着我国西气东送、天然气管网的不断完善，对电网可靠性和稳定性要求的不断提高，以及对环保要求的不断提高，燃料电池会起到越来越重要的作用。
参考文献：
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