【正文】 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H天然氣電解質(zhì) 磷酸水溶液 KliCO3溶鹽ZrO2Y2O3(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) NiZrO2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） LaXSr1XMn(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(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(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) . 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(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，故通過在空氣極側(cè)中流過的大量氧化氣體（陰極氣體，即含有OCO2 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(lái)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(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%。 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(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(guó)燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。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、1kW2kW、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 年裝出首臺(tái)燃料電池電動(dòng)車。我國(guó)燃料電池的研究工作已表明：；；，而且在市場(chǎng)份額方面，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： . PEMFC的研究狀況 我國(guó)最早開展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(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， /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,，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(lái)與香港大學(xué)和美國(guó)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(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所于1994年開始研究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年開始PEMFC的研究,，在解析吸收國(guó)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(guó)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(qǐng)國(guó)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(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的研制與開發(fā)，5kW的PEMFC樣機(jī)現(xiàn)已研制成功并開始接受訂貨。 . MCFC的研究簡(jiǎn)況 國(guó)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(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(guó)際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)慶油田合作開始了