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1、新能源发电技术燃料电池一、前言燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转 化为电能的能量转换装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电 解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极 构成电回路，产生电能而驱动负载工作。燃料电池与常规电池不同在于，它工作 时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂通过电化学反应生成水，并释放出 电能；只要保持燃料供应，电池就会不断工作提供电能。二、原理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
2、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。氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电解水的逆过程。电极应为： 负极：H2 - 2e-+2OH-=2H2O正极： O2+H2O+4e-=4OH- 电池反应： 2H2+O2=2H2O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
3、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）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02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
4、 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02生成的H20， 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。PAF
5、C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C02。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
6、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600700C 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和CO2与电相结合， 生成碳酸离子，电解质将C
7、O23-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C02。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
8、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。三、燃料电池的特点(1) 能量转化效率高。效率高达 50%60%，通过对余热的二次利用，总效率可高 达 80%85%。(2) 无污染，可实现零排放。工作过程的唯一产物是水。(3) 效率随输出变化的特性好。部分功率下运行效率可达 60%，短时过载能力可 达到 200%的额定功率。(4) 运行噪声低，可靠性高。无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。(5) 构造简单，便于维护保养。模块化结构，组装和维护方便 ;没有运
9、动部件，磨 损之类故障少。(6) 燃料(氢气)来源广泛。制备方法多样，可通过石油、甲醇等重整制氢，也可通 过电解水、生物制氢等方法获取氢气。(7) 燃料补充方便。可以采用甲醇等液体为燃料，利用现有的加油站系统，采用 与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充。(8) 环境适应性强。它的功率密度高、过载能力大、可不依赖空气，因此可两栖 使用，适应多种环境及气候条件。四、发展前景中国稀土资源丰富，发展 MCFC 和 SOFC 技术具有十分有利的条件。以天 然气和净化煤气为燃料的MCFC和SOFC发电效率高达55%65%，而且还可 提供优质余热用于联合循环发电，是一种优良的区域性供电电站。热电联供时 , 燃料利用率高达80%以上。随着MCFC、SOFC技术的突破、天然气管线的铺通 和大型煤气化技术的解决，燃料电池靠近负荷供电供热会更经济、更安全。燃料 电池发电与常规的火电投资比较不能单考虑电源投资，还应将长距离输电、配电 投资与厂用电、输电能耗和两种能源转换装置的效率考虑在内。如此来计算综合 投资大型的火电厂每千瓦约为1.31.5万元。发电消耗的燃料为燃料电池的两倍 以上，按目前在中国天然气最低市价（产地市价人民币1元/m3）计算，当发电 时间超过 70000h 以后，用燃料电池发电将比用传统的热机发电更经济。有理由 相信，不久的将来这种发电方式会对传统热机发电构成挑战。
