第8章燃料电池发电

新能源发电系统控制
参考文献
[1] 王长贵 ,崔荣强,周篁 .新能源发电技术.中国电力出版社. [2] 李传统 .新能源与可再生能源技术 .东南大学出版社,2003 [3] 洪明子 ,崔明灿.燃料电池发电技术 . 吉林化工学院学报, 第 22卷第 3期,2005年6月. [4] 龙会国 , 燃料电池发电技术. 湖南电力 ,第26卷／2006年 第 4期 .
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我国在60年代进行过多种燃料电池的实验室研究工作。 研究过空间用的燃料电池(离子交换膜、培根氢氧、 石棉膜等)和地面用燃料电池。80年代，中国科学院 一些研究所开始进行MCFC的探索研究．并建立了部分 小型试验装置。在MCFC和SOFC技术方面，国外已分别 示范成功了2MW和100kW的燃料电池发电机组，而 我国在这方面才刚刚起步，2000年研制出了2kw左 右的试验装置。在PAFC和PEFC技术方面，国内与国 外的差距更大，目前处于研制阶段。
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a 调峰能力增加 应用氢气做燃料PEMFC已经商业化，在国外容量为3kW、 5kW、7kW等热电联用的燃料电池正在源源不断地进入 家庭，数百kW的燃料电池正在源源不断地进入旅馆、 饭店商厦等场所。这些电力装置同小型光伏发电装置 一样可以独立发电，也可与电力网相连。为了获得氢 燃料，目前在非纯氢燃料电池前均加了燃料改质器。 可以使用天然气、煤气为燃料的MCFC、SOFC发电能力 为数千kW发电装置将座落于较大的公用场所，用管道 向燃料电池提供燃气为附近的用户提供电力和热能， 使城市的发电不再污染环境。成千上万的燃料电池发 电装置服役，必将使得电网的调峰能力大大增强。
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发电用燃料电池的种类、特征及其开发现状
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8.1.4 发展概况
燃料电池的研究首先在 美国、德国、日本、加拿大 等发达国家 开展起来。1977年美国首先建成兆瓦级电池发电站，为工业和 民用提供电力。日本电力公司于1989年在东京湾也兴建了1 座 1Mw 的大型燃料电池发电站。早在 1972年，电子综合技术研究所 就开始研究SOFC 技术，后来加入“月光计划”研究与开发行列， 1986 年研究出500W圆管式SOFC电池堆，并组成1.2kW发电装置。 东京电力公司与三菱重工从1986 年12月开始研制圆管式SOFC装 置，获得了输出功率为 35w的单电池，当电流密度为200mA／cm 时，电池电压为0.78V，燃料利用率达到58 日%。日本国家电化 学技术实验室、日本电力发展公司和三菱重工也从事管式SOFC 的研制工作，目前这几家公司的SOFC功率也分别达到千瓦级规 模。 Fuji与Sanyo公司开发的平板式SOFC功率已达到千瓦级。另 外，中部电力公司与三菱重工合作，从1990年起对叠层波纹板 式 SOFC系统进行研究和综合评价，研制出了40kw试验装置。
c 提高电网的安全性
目前电网均采用高压长距离输电的方式使偏僻山区的水电 和坑口、路口以及海口处的火电输送到负荷中心地带。中 外近年多次电网事故证明，在地震、水灾、暴风、冰雪、 雷电等自然灾害面前，这种系统往往是十分脆弱的。而星 罗棋布的燃料电池加入到电网中供电，将会大大提高电 网的安全性。
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以重整气体(H2和CO混合物)为燃料时为例，电池反应： 阳极：H2+O2-→H2O
CO+O2-→CO2
阳极总反应: aH2+bCO+(a+b)O2-→aH2+bCO2 +2(a+b)e 阴极：1/2（ a+b） O2+(a+b)e→(a+b) O2-
电池总反应：1/2(a+b) O2+ aH2+ bCO→aH2O+bCO
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8.3燃料电池发电展望
被称为第四代发电方式的燃料电池，由于具有燃料 利用效率可达80%、不排放有害气体（PAFC不排 放任何气体）、容量可根据需要而定，所以受到了 各方面的极大关注。各国家的政府都在这方面增加 研发资金，推动其商业化的进程。在近年它首先受 到了交通界的重视，作为交通动力装置已被搬上汽 车、舰船，几乎同时它受到了国外电力系统的重视。 PAFC发电装置已有数万套进入宾馆、家庭运行， PAFC已有了4万多小时的运行记录。
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b．环境污染程度低。燃料电池发电时没有高温的燃烧 过程，几乎没有硫化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和二氧化 碳(CO2)的排放，也没大型旋转机械的噪声，因此环境污 染程度低。 c．建设快，应用广。燃料电池可实行模块化组合，自 由成堆，容量可大可小，布置可集中，可分散。占地很 少，且安装简单，维修方便。 d．负荷响应特性好。燃料电池具有良好的负荷跟随性 、部分负荷特性和过负荷特性。在数秒以内，就可以从 最低功率变换到额定功率，启动时间短，在低达额定功 率25%的情况下也可高效发电。 e. 其发电装置及发电成本目前尚较高。
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8.1燃料电池的原理、特点、种 类及发展概况 8.2燃料电池发电系统工艺流程 和主要设备 8.3燃料电池发电展望
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8.1燃料电池原理、特点、种类及发展概况 8.1.1 燃料电池原理
燃料电池工作原理简图
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8.2燃料电池发电系统工艺流程和主要设备
燃料电池发电系统
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燃料电池发电系统
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如图2所示，燃料电池发电系统一般可分为3部分：燃 料处理器、发生器(燃料电池堆)和电能调节装置（DC ／AC）转换器。在燃料处理部分，燃料诸如煤、天然 气等通过一系列燃料重整、分离和洁净的过程，产生 富氢气体。富氢气体和氧气(一般采用空气)通过发生 器产生直流电和热。能量发生器包括燃料电池堆和控 制单元，燃料电池可由多台单个电池按串联、并联的 组合方式，满足所需要的发电容量。燃料电池发出的 直流电根据负载需要经过调节装置输出所需要的电压 和电流。
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8.1.2 燃料电池的特点
燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产 生电力的第4种发电方式。燃料电池与一般化学电池 的区别为：其反应活性物质由外部输入，具有大功率 连续供电的特点。 燃料电池与一般火力发电装置的主要区别为： a．发电效率高。燃料电池发电原理和传统的火力发 电不同，是在等温、静态下连续地将化学能转换成电 能，因此既没中间转换过程中的大量能量损耗，也不 受卡诺循环限制，理论能源利用效率可达80%以上， 大规模联合循环效率也可达60％～80。
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•SOFC固体氧化燃料电池
它以固体氧化物烧结体作电解质，工作温度为600～1000℃ ，发电效率可达50％～60％，放出的余热也可以进行二次 发电，可用于建造热电联产系统。
•AFC
与其它燃料电池相比， AFC功率密度和比功率较高，性能 可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt 、 Au、 Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀 严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事 应用，不适合于民用。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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b 节约配电网的建设费用
我国有许多偏远的山村和海岛，远离电网或处在电网的 末端，用电量不大。从商业角度考虑，架设高电压等级的 线路是不合算的，但不架设又难以实现村村通电的目标。 有了燃料电池，用当地生物质气体为燃料，再配合当地 的风能、太阳能等，就可以满足当地的长期的电能需求。 这样可以使投资更加合理，又提高电网的经济效益。
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8.1.3 燃料电池的种类
• PAFC磷酸型燃料电池。 它以磷酸作为电解质，工作温度为150～200℃，发电 效率达35％-50％，余热可以供暖，现在已经达到实用化 水平。 • PEMFC质子交换膜燃料电池 它以固体高分子膜作电解质，这种燃料电池启动时间 短，结构紧凑，功率密度高，工作温度为40～80℃。 • MCFC熔融碳酸盐燃料电池 它以高温下熔融的碳酸锂、碳酸钾作电解质，工作温 度为600～1000℃，电效率达45％～60％，不仅可以直接 利用余热进行供热，而且排出的高温气体可以带动汽轮 机进行二次发电，可以组成大型复合式发电系统。
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我国 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。专家们认为它与各种大型中心电 站的关系，颇类似于个人电脑与大型中心计算机的关系， 二者互为补充。二十一世纪，这种区域性、环境友好的、 高效的发电技术有可能发展成为一种主要的供电方式。 最近日本提出2010年普及燃料电池的应用，并向发达欧 美国家建议制定安全基准和通用规格。随着其生产成本 的降低，燃料电池也将在我国获得快速的发展，它将对 传统的热机发电构成有利的挑战。展望其对电力系统的 影响如下：