第十章 天然气燃料电池

第十章天然气燃料电池10—1 概论10—1—1 燃料电池概论当今能以工业规模生产的电力有火电、水电、核电等三种。

而被誉为第四种电力的燃料电池发电，也正在美、日等发达国家崛起，以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。

燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释放出的能量，直接将其变换为电能。

如图10—1所示。

从这一点看，它和其他化学电池如锰干电池、铅蓄电池等是类似的。

但是，它工作时需要连续地向其供给活物质（起反应的物质）燃料和氧化剂，这又和其他普通化学电池不大一样。

由于它是把燃料通过化学反应释出的能量直接变为电能输出，所以被称为燃料电池。

具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”。

它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。

最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，现在正发展为直接使用固体的电解质。

工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。

氢在负极分解成正离子H+和电子e－。

氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。

用电的负载就接在外部电路中。

在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。

这正是水的电解反应的逆过程。

利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种“发电机”。

与一般电池一样，燃料电池是由阴极、阳极和电解质构成。

图10—2给出了典型的（单个）燃料电池的构造。

图10—1 燃料电池直接发电与图10—2 燃料电池的构造示意传统间接发电的比较燃料电池的历史可以追溯到19世纪，确切地说是始于1839年英国人格罗夫（W．Grove）181的研究。

格罗夫使用两个铂电极电解硫酸时注意到，析出的气体（氢和氧）具有电化学活性，并在两极产生约1V的电势差。

1894年，奥斯特瓦尔德（W．Ostwald）从热力学理论上证实，燃料的低温电化学氧化优于高温燃烧，电化学电池的能量转换效率高于热机。

热机效率受卡诺（Carnot）循环限制，而燃料电池的效率不受卡诺循环限制。

20世纪初，人们就期望将化石燃料的化学能直接转变为电能。

一些杰出的物理化学家，如能斯特（Nernst）、哈伯（Harber）等，对直接碳—氧燃料电池做了许多努力，但他们的研究受到当时材料技术水平的限制。

1920年以后，由于在低温材料性能研究方面的成功，对气体扩散电极的研究重新开始。

1933年，鲍尔（Baur）设想一种电化学系统：在室温下，用碱性电解质，以氢为燃料。

英国人培根（F·Bacon）对包括多孔电极在内的碱式电极系统进行了研究。

20世纪50年代，培根成功地开发了多孔镍电极，并制造了第一个千瓦级碱性燃料电池系统。

培根的研究成果是后来美国宇航局（NASA）阿波罗（Apollo）计划中燃料电池的基础。

1958年，布劳尔斯（Broers）改进了熔融碳酸盐燃料电池系统，并取得了较长的预期寿命。

由于空间竞赛，燃料电池在50、60年代得到了广泛关注。

1968年美国宇航局完成了阿波罗登月计划。

此后对燃料电池的研究热了起来。

低催化剂载量的多孔碳基材料降低了陆地上使用的氢—空气燃料电池的成本，使人们开始热衷于电动机动车的研制。

1970年，考尔迪什（K．Kordesch）装配了以氢—空气碱性燃料电池为动力的4座位轿车，并实际运行了3年。

因为宇航项目数量上的减少，燃料电池的研究开发经历了短时期的低潮。

由于70年代初的石油危机，燃料电池的研究开发出现了新的浪潮，研究项目逐年增多，并且注重能源利用率及环境影响。

到了70年代中期，燃料电池技术的发展有了新动向。

已在空间应用方面达到最高水平的碱性燃料电池，逐步被磷酸燃料电池的广泛研究开发所取代，因为磷酸燃料电池更适用于燃料电池发电站。

与此同时，由于碳氢化合物是首选燃料，还必须开发重整技术。

磷酸燃料电池的功率已达到兆瓦级，寿命也已达到实用要求。

由于在电能和热能方面的高效率，80年代熔融碳酸盐和90年代固体氧化物燃料电池都得到了快速发展。

但寿命仍然是高温燃料电池必须解决的难题。

燃料电池在90年代最大的突破是质子交换膜燃料电池的发展。

质子交换膜燃料电池虽然早在60年代就已出现，却未被用到空间技术上，对其重视程度也不及碱性燃料电池。

随着对新型膜和催化剂的不断研究，已研制出了具有高功率密度的膜。

从历史上看，燃料电池技术的发展未能竞争过快速发展的燃烧发电技术，是因为燃料电池发展过程中相应的结构材料的发展是分阶段、时断时续进行的，未能使人们清楚地认识到对燃料电池的需求，而只醉心于使用廉价的化石燃料，大力开发火力发电技术，而中止了燃料电池的研究开发。

目前，燃料电池必须解决的问题是提高电池寿命、降低昂贵的膜及排热、排水等辅助系统的价格。

10—1—2 燃料电池的特性18210—1—2—1 燃料电池的优点燃料电池之所以受世人瞩目，是因为它具有其它能量发生装置不可比拟的优越性，主要表现在效率、安全性、可靠性、清洁度、良好的操作性能、灵活性及未来发展潜力等方面。

1．高效率从理论上讲，燃料电池可将燃料能量的90％转化为可利用的电和热。

磷酸燃料电池设计发电效率（HHV）42％，目前接近46％。

据估计，熔融碳酸盐燃料电池的发电效率可超过60％，固体氧化物燃料电池的效率更高。

这样的高效率是史无前例的。

而且，燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效率时，燃料电池可在其半额定功率下运行。

燃料电池发电厂可设在用户附近，这样也可大大减少传输费用及传输损失。

燃料电池的另一特点是在其发电的同时可产生热水及蒸汽。

其电热输出比约为1.0，而汽轮机为0.5。

这表明在相同电负荷下，燃料电池的热载为燃烧发电机的2倍。

2．可靠性与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池的转动部件很少，因而系统更加安全可靠。

燃料电池从未发生过像燃烧涡轮机或内燃机因转动部件失灵而发生恶性事故。

燃料电池系统发生的惟一事故就是效率降低。

3．良好的环境效益当今世界的环境问题已到了威胁人类生存和发展的程度，这并非危言耸听。

据统计，本世纪经历了两次世界大战，但因环境污染造成的死亡人数却超过了战争的死亡人数。

而环境污染的发生，多数是由于燃料的使用，尤其大气污染物绝大多数来自于各种燃料的燃烧过程。

因此，解决环境问题的关键是要从根本上解决能源结构问题，研究开发清洁能源技术。

而燃料电池正是符合这一环境需求的高效洁净能源。

普通火力发电厂排放的废弃物有颗粒物（粉尘）、硫氧化物（SO2）、氮氧化物（NO x）、碳氢化合物（HC）以及废水、废渣等。

燃料电池发电厂排放的气体污染物仅为最严格的环境标准的十分之一，温室气体CO2的排放量也远小于火力发电厂。

燃料电池中燃料的电化学反应副产物是水，其量极少，与大型蒸汽机发电厂所用大量的冷却水相比，明显少得多。

燃料电池排放的废水不仅量少，而且比一般火力发电厂排放的废水清洁得多。

因而，燃料电池不仅消除或减少了水污染问题，也无需设置废气控制系统。

由于没有像火力发电厂那样的噪声源，燃料电池发电厂的工作环境非常安静。

又由于不产生大量废弃物（如废水、废气、废渣），燃料电池发电厂的占地面积也少。

燃料电池是各种能量转换装置中危险性最小的。

这是因为它的规模小，无燃烧循环系统，污染物排放量极少。

燃料电池的环境友好性是使其具有极强生命力和长远发展潜力的主要原因。

4．良好的操作性能燃料电池具有其它技术无可比拟的优良的操作性能，这也节省了运行费用。

动态操作性能包括对负荷的响应性、发电参数的可调性、突发性停电时的快速响应能力、线电压分布及质量控制。

燃料电池发电厂的电力控制系统可以分别独立地控制有效电力和无效电力。

控制了发电参数，就可以使线电压及频率的输送损失最小化，并减少储备电量及电容、变压器等辅助设备的数量。

通常，电厂增加发电容量时，变电所的设备必须升级，否则会使整个电力系统的安全稳定性降低。

而燃料电池发电厂则不必将变电所设备升级，必要时可将燃料电池组拆分使用。

1835．灵活性灵活性是指发电厂计划与容量调节的灵活性。

这对电力公司及用户来说是最关键的因素及经济利益所在。

燃料电池发电厂可在2年内建成投产，其效率与其规模无关，可根据用户需求而增减发电容量。

6．发展潜力燃料电池在效率上的突破，使其可与所有的传统发电技术竞争。

作为正在发展中的技术，磷酸燃料电池已有了令人鼓舞的进展。

熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，将在未来15~20年内产生飞跃性进步。

相比之下，其它传统的发电技术，如汽轮机、内燃机等，由于价格、污染等问题，其发展似乎走到了尽头。

10—1—2—2 燃料电池存在的问题燃料电池有许多优点，人们对其将成为未来主要能源持肯定态度。

但就目前来看，燃料电池仍有很多不足之处，使其尚不能进入大规模的商业化应用。

主要归纳为以下几个方面：(1)市场价格昂贵；(2) 高温时寿命及稳定性不理想；(3) 燃料电池技术不够普及；(4) 没有完善的燃料供应体系。

10—1—3 燃料电池的分类燃料电池按照不同的分类标准，有不同的名称。

如以工作温度来划分，有低温、中温、高温和超高温燃料电池。

但目前最常用的方法还是以燃料电池中最重要的组成部分即电解质来划分。

电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。

按电解质划分，燃料电池大致可分为五类：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell、缩写AFC）、磷酸型燃料电池（Phosphorous Acid Fuel Cell、缩写PAFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell 、缩写SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell 、缩写MCFC）和质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell 、缩写PEMFC）。

下表列出了上述五种燃料电池的主要特点。

表10—1 主要燃料电池及其特性18418510—2 各类燃料电池10—2—1 碱性燃料电池碱性燃料电池（AFC ）是以KOH 水溶液为电解质的燃料电池。

KOH 水溶液的质量分数一般为30% ~ 45%，最高可达85%。

在碱性电解质中，氧化还原比在酸性电解质中容易。

由于电解质是循环使用，AFC 电池堆多为单极结构（PAFC 和MCFC 的电解质是固定的，电池堆为双结构）。

在无CO 、CO 2时，阳极氧化反应为：2H 2 ＋ 4OH － ——→ 4 H 2O ＋ 4e阴极上氧的还原反应为：O 2 ＋ 2H 2O ＋ 4e ——→ 4 OH －电池反应为：2H 2 ＋ O 2 ——→ 4 H 2O ＋ 电能 ＋ 热10—2—2 磷酸燃料电池磷酸燃料电池（PAFC ）是以磷酸为电解质的燃料电池。

阳极通以富氢并含有CO 2的重整气体，阴极通以空气，对CO 2的承受力是PAFC 的特征之一。