【正文】 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 2 頁 共 30 頁 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。人類為了更有效地利用能源一直在進(jìn)行著不懈的努力。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無污染、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。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。 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 6 頁 共 30 頁 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。另外，MCFC 的最大特點(diǎn)是，必須要有有助于反應(yīng)的 CO23離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。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。在整套出力中 MCFC發(fā)電量份額占 90%?？諝鈽O側(cè)的出入口溫度，取決于再循環(huán)和來自壓縮機(jī)的供給空氣流量和再循環(huán)回路中的熱交換量。 我國科學(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)。 廈門大學(xué)近年來與香港大學(xué)和美國的 CaseWesternReserve 大學(xué)合作開展了直接甲醇PEMFC的研究。 中國科學(xué)院電工研究所在 八五 期間，考察了國外 MCFC 示范電站的系統(tǒng)工程，調(diào)查了電站的運(yùn)行情況，現(xiàn)已開展了 MCFC電站系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)。煤的灰熔聚氣化過程已進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)階段，正在鎮(zhèn)江市建 立工業(yè)示范裝置。下表所示為富士電機(jī)公司已交貨的發(fā)電裝置運(yùn)行情況，到 1998年止有的已超過了目標(biāo)壽命 4萬小時(shí)。 PAFC電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)點(diǎn)：即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時(shí)，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝簡單，省時(shí)，并且電廠擴(kuò)容容易。他們預(yù)計(jì) 5年后，大量生產(chǎn)的燃料電池售價(jià)將降至 $500/kW。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)在 LANL 試驗(yàn)的一些單電池中，膜電極上鉑載量已降到 。與此同時(shí)，美國 MC Power 公司已在加州圣迭戈的海軍航空站進(jìn)行了 250kW 裝置的試 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 21 頁 共 30 頁 驗(yàn)，現(xiàn)在計(jì)劃在同 一地點(diǎn)試驗(yàn)改進(jìn) 75kW 裝置。德國 MBB公司于 1992 年完成 10kW 級外部轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究開發(fā)，在 ERC協(xié)助下，于 1992 年 1994 年進(jìn)行了 100kW 級與 250kW級電池堆的制造與運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。 SOFC 很少需要對燃料處理，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡單，而且， SOFC 與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)行高效熱電聯(lián)產(chǎn)。目前， Siemens Westinghouse 宣布有兩座 250kW SOFC示范電廠很快將在挪威和加拿大的多倫多附近建成。 在歐洲早在 70 年代，聯(lián)邦德國海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的SOFC發(fā)電裝置，單電池運(yùn)行性能良好。 我國的煤層氣也十分豐富，陸上深埋 20xx 米以內(nèi)淺的煤層氣資源量為 32~35 萬億 m3 ，多于陸上天然氣資源量（ 30 萬億 m3），位于世界前列。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒及丁醇溶劑廠等生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收。其中的兩縱是南北的輸氣干線，即薩哈林島 大慶 沈陽干線和伊爾庫茨克 北京 日照 上海輸氣干線。關(guān)西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機(jī)構(gòu)則從美國西屋電氣公司引進(jìn) 3kW及 SOFC電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，取得了滿意的結(jié)果。進(jìn)入 90年代 DOE機(jī)構(gòu)繼續(xù)投資給西屋電氣公司 6400余萬美元，旨在開發(fā)出高轉(zhuǎn)化率、 2MW級的 SOFC 發(fā)電機(jī)組。另外，燃料極空氣極也沒有腐蝕。 歐洲早在 1989 年就制定了 1個(gè) Joule 計(jì)劃，目標(biāo)是建立環(huán)境污染小、可分散安裝、功率為 200MW 的 第二代 電廠，包括 MCFC、 SOFC 和 PEMFC 三種類型，它將任務(wù)分配到各國。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果， ERC對電池進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將電池改成 250kW 單電池堆，而非原來的 125kW 堆，這樣可將 3MW 的 MCFC 安裝在 英畝的場地上，從而降低投資費(fèi)用。 80年代中后期，美國 Los Alamos 國家實(shí)驗(yàn)室（ LANL）提出了一種新方法，采用 Nafion 質(zhì)子交換聚合物溶液浸漬 Pt/C 多孔氣體擴(kuò)散電極，再熱壓到質(zhì)子交換膜上形成膜電極。商業(yè)產(chǎn)品在 20xx 年初推出。 PAFC作為一種中低溫型（工作溫度 180210℃ ）燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、無噪音等特點(diǎn)，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。 1986年又開展了 200kW現(xiàn)場性發(fā)電裝置的開發(fā)，以適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用的 PAFC發(fā)電裝置。 清華大學(xué)在 90 年代初開展了 SOFC的研究，他們利用緩沖溶液法及低溫合成環(huán)境調(diào)和性新工藝成功地合成了固體電解質(zhì)、空氣電極、燃料電極和中間聯(lián)結(jié)電極材料的超細(xì)粉 ,并開展了平板型 SOFC成型和燒結(jié)技術(shù)的研究 ,取得了良好效果。 90 年代初，中國科學(xué)院長春應(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的陽極材料等方面取得了很大進(jìn)展。 中國科學(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，其輸出功率達(dá) /cm2。 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)等國內(nèi)十幾個(gè)單位進(jìn)行了與 SOFC 的有關(guān)研究。 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。 來自空氣極側(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。在 SOFC 中，因其屬于高溫工作型，因此，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4 改質(zhì)成 H2 加以利用，并且煤氣的主要成份 CO可以直接作為燃料利用。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。 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)。 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。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。 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 1 頁 共 30 頁 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、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對我國應(yīng)用燃料電池發(fā)電的資源條件進(jìn)行了評估，展望了這一技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景、將對電力系統(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)。 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。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 共 30 頁 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。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。 MCFC 工作原理。 中國最大的管 理 資料下載中心 (收集 \整理 . 大量免費(fèi)資源共享 ) 第 9 頁 共 30 頁 燃料電池工作原理 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，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。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。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。到 90 年代中期，由于國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)，中國進(jìn)入了燃料電池研究的第二個(gè)高潮。 清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)院 1993年開展 了 PEMFC的研究 ,研制的單體電池在 流密度為 100mA/cm2，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 Karlsrube研究中心建立了一定的協(xié)作關(guān)系。 北京科技大學(xué)于 90 年代初在國家自然科學(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。 華南理工 大學(xué)于 1992年在國家自然科學(xué)基金會(huì)、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)李嘉誠科研基金、廣東佛山基金共一百多萬元的資助下開始了 SOFC 的研究 ,組裝的管狀單體電池，用甲烷直接作燃料 ,最大輸出功率為 4mW/cm2，電流密度為 17mA/cm2，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 140h，電池性能無明顯衰減。 富士電機(jī)公司是目前日本最大的 PAFC電池堆供應(yīng)商。下表給出先進(jìn)的 ONSI 公司 PC25C 型200kW PAFC的主要技術(shù)指標(biāo)。家用燃料電池的推出將使核電站、燃?xì)獍l(fā)電站面臨挑戰(zhàn)，為了 推廣這種產(chǎn)品， 1999 年 2月， Plug Power 公司和 GE MicroGen 成立了合資公司，產(chǎn)品改稱 GE HomeGen 7000，由 GE MicroGen 公司負(fù)責(zé)全球推廣。此法大大提高了 Pt的利用率，將膜電極的載鉑量降到了 。 ERC 預(yù)計(jì)將以$1200/kW 的設(shè)備費(fèi)用提供 3MW的裝置。進(jìn)行 MCFC 研究的主要有荷蘭、意大利、德國、丹麥和西班牙。 l 動(dòng)作溫度高，可以進(jìn)行甲烷等內(nèi)部改質(zhì)。 1992 年兩臺(tái) 25kW 管型 SOFC 分別在日本大阪、美國南加州進(jìn)行了幾千小時(shí)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。從 1989年起，東京煤氣公司還著手開發(fā)大面積平板式 SOFC裝置， 1992年 6月完成了 100W平板式 SOFC裝置，該電池的有效面積達(dá) 400cm2。目前我國的生產(chǎn)能力約為 300 億m3/a， 20xx 年為 700 億 m3， 2020 年為 1000～ 1100 億 m3。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的。 我國還可利用的液化天然氣（ LNG）資源也是十分可觀的，可向中國立即提供 LNG 的國家有印度尼西亞、馬來西亞、卡塔爾等國。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從 1990年起對疊層波紋板式 SOFC 系統(tǒng)進(jìn)行研究和綜合評價(jià)，研制