【正文】 中國(guó)最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 1 頁(yè) 共 30 頁(yè) 電子電池技術(shù)設(shè)備物理研究 摘要：本文概述了燃料電池的工作特點(diǎn)和原理，介紹了發(fā)電系統(tǒng)的組成、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)應(yīng)用燃料電池發(fā)電的資源條件進(jìn)行了評(píng)估，展望了這一技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景、將對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的重要影響，它將使傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)產(chǎn)生重大的變革，它會(huì)使電力系統(tǒng)更加安全、經(jīng)濟(jì)。最后提出了發(fā)展燃料電池發(fā)電的具體建議。 1．引言 能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒有能源工業(yè)的發(fā)展就沒有現(xiàn)代文明。人類為了更有效地利用能源一直在進(jìn)行著不懈的努力。歷史上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)，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機(jī)組 ，開發(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 中國(guó)最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 2 頁(yè) 共 30 頁(yè) 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)源源不斷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。國(guó)際能源界預(yù)測(cè)，燃料電池是 21世紀(jì)最有吸引力的發(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。 中國(guó)最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 3 頁(yè) 共 30 頁(yè) 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)： l 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)合開發(fā)的燃料電池。另一種分類是按其開發(fā)早晚順序進(jìn)行的，把 PAFC 稱為 中國(guó)最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 4 頁(yè) 共 30 頁(yè) 第一代燃料電池，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 中國(guó)最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 5 頁(yè) 共 30 頁(yè) 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。 中國(guó)最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 6 頁(yè) 共 30 頁(yè) 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 H 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 中國(guó)最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 7 頁(yè) 共 30 頁(yè) 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 Li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 + C