钟文琪1，钟史明1，任渊源2
1.东南大学热能工程研究所，南京210096；2.东南大学动力工程系，南 京210096
1 前言
随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33～35%；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染 环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。燃料电池是具有能源革命意义的新一代能源动力系统，被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第 三代动力系统。燃料电池对解决“能源短缺”和“环境污染”这两大世界难题有重要的意义 ，国际能源界普遍认为是一种可持续发展的能源。
2 燃料电池的特点及原理
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大 特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，回此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其 能量转换率高达60％～80％，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。另外，它还具有燃 料多样化、排气干净、噪音低、环境污染小、可靠性强及维修性好等优点。
燃料电池中最重要的组成部分即电解质。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四类：再生氢氧燃料电池（CRFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。
2.1 质子交换膜燃料电池
PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能 的技术，其工作原理如图1所示。氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下， 氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。氢离子穿过电解质（质子交换膜）到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能，在电池另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质，无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。
2.2 熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构 成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。反应原理如图2所示。
熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700℃)，具有效率高(高于40%)、噪音低、无污 染、燃料多样化(氢气、煤气、天然气和生物燃料等)、余热利用价值高和电池构造材料价 廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。
2.3 固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效、环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50％提高到70％以上；它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO 、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散 和集中发电，其工作原理如图3所示。
2.4 再生氢氧燃料电池
再生氢氧燃料电池将水电解技术（电能＋2H2O2H2＋O2）与氢氧燃料电池技术（2H2＋O2H2O＋电能）相结合，氢氧燃料电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过 程得以“再生”，起到蓄能作用。工作原理如图4。再生氢氧燃料电池可以用作空间站电源 。
燃料电池其原理是一种电化学装置，其单体电池是由正负两个电极（负极即燃料电极和正极即氧化剂电极）以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物 质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质， 只是个催化转换元件，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电 池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不 断排除，燃料电池就能连续地发电。
另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统，电性能控制系统及安全装置等。
3 燃料电池发电系统
下面将以熔融碳酸盐燃料电池为例简要地进行介绍燃料电池的发电系统。
3.1 利用天然气的发电系统
MCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4，改质生成，其反应在改质器中 进 行。改质器出口的温度为600℃，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。 空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给，另一个反应因素CO2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2外，燃料极排出气体还含有未反应 的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。 这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2O，将影响发热量，为此通常是先将排出燃 料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压 缩机的空气相混合后供给空气极侧。
实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有O2、CO2的气体）来除去其发生的热。通常是按600℃供给的气体在700℃下 排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即 空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池 入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。
来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。
这种系统的效率可达55～60％。在整套出力中MCFC发电量份额占90%。 考虑到排气形成的动力回收和若干的附加发电，也称为联合发电。
3.2 利用煤炭的发电系统
煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用燃料的CO及H2，并在进入MCFC前除去其中含有的杂 质（微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响），这种供给MCFC精制煤气，其压力通常高于MC FC的工作压力，在进入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部 分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约700℃）相混合，调整为对电池的适宜温度（约6 00℃）。该阳极气体的再循环是，将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加 以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给O2和CO2是通过空气压缩机输 出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2及CO变换成H2O和CO2后供给的。
实际的燃料电池，内部电阻会发热，将通过在空气极侧流过的大量的氧化剂气体（阴极 气体，即含有O2和CO2的气体）而除去。通常通过调整空气极侧的流量，把以600℃供给的气体在700℃排出。为此采用了阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约700℃的高温。 因此，在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到600℃，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。空气极侧的出入口温度，取决于再循环和来自压缩机的供给空气流量和再循环回路中的热交换量。
排热回收系统（末级循环），是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发 电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合，其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下 流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生，形成汽水循环。
这种机组的发电效率，因煤气化方式和煤气精制方式等不同而有差异。利用煤系统比较复杂，主要是采用煤炭气化系统造成的，但若用管道气就简单多了。该系统效率为45～55％ 。
4 国内外发展状况及最新动态
最早的燃料电池出现在60年代初，应用于阿波罗宇航计划。80年代中后期，随着环境保 护、节约能源，保护有限自然资源的意识的加强，开始了燃料电池的民用研究。经过二十多年的发展，燃料电池应用技术己趋成熟。随着燃料电池构成材料部件的发展及成本的 降低、制造工艺技术的改进以及生产规模的扩大，燃料电池将从能够承受较高成本的应用领域 向能够承受较低成本的应用领域逐步扩散。
发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。除美国、加拿大外，日本、德国、英国、意大利、 俄罗斯等国以及一些著名跨国企业也加入了燃料电池的行列。燃料电池经历了 碱式、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国己相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。自2000年下半年石油价格问题引起各国严重关注以来，发达国家（特别是美国）都大大加强了对 燃料电池技术商业化的投入，而且研究重点具有明显的产业化导向。
我国的燃料电池研究始于1958年，七十年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾 呈现出第一次高潮。其间研制成功 的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟 试验。1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部于19 91年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化学物理 研究所等国内十几个单位进行了与SO FC有关的研究。九十年代中期，燃料电池技术列入“九五”科技攻关计划，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点，全面开展了质子 交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、lkW～2kW、5kW和25 kW电池组与电池系统。不久前，“氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的 基础研究”也已入选2000年“国家重点基础研究项目”。PEMFC电动车还被列为面向产 业化的国家“十五”“863”重大科技攻关专项和上海市“十五”重大科技攻关项目。 但总体来说，我国燃料电池 研究与国外水平和实际应用均有相当大的距离，必须加快追赶的步伐。
5 燃料电池电厂前景展望
燃料电池电厂具有今后可以作为大规模民用发电装置的广阔前景，与传统的火力发电、水力发电或核能发电相比，具有无可比拟的特点和优势。
a.能量转换效率高。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为40～50％，当用热机带动发电机时，其效率仅为35～40％，而燃料电池的有效能效可达60～70％，其理论能量转换效率可达90％。
b.污染小、噪声低。 对于氢燃料电池而言，发电后的产物只有水，可实现零污染。另外，由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部分，故操作环境无噪声污染。
c.高度可靠性。燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成。由于这种电池组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变动时，它会很快响应 ，故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。这 种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为调节的储能电池使用。
d.比能量或比功率高。
e.适用能力强。燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油；也可使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾。
另外，我国丰富的资源有利于燃料电池的发展。我国可利用的液化天然气（LNG）资源也是 十分可观的；煤层气也十分丰富，陆上深埋2000米以内的煤层气资源量为32～35万亿m3， 多于陆上天然气资源量（30万亿m3），位于世界前列；作为后续资源，我国己发现在 南海、东海深处有大量的天然气水合物，其资源量为700亿吨石油当量。 由于环保的需要和IGCC技术的推动，煤的大型气化装置技术已经过关。煤炭部门的有关专家介绍，目前的技术完全可以把煤转换为氢气，转换效率可达80%，供给燃料电池作燃料，其效率要比常规热动力装置效率高得多。我国有大量的生物资源（薪材3000万吨、秸杆45000万吨、稻壳1500万吨、垃圾1．6亿吨等），这种密度低分散度高资源可以转换成沼气或人工煤气或甲醇供分散的、小型高效的燃料电池使用。如广东番禺正在建设使用养猪场沼气的燃料电池电站。
6 结束语
燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力引发工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引 爆21世纪新能源与环保的绿色革命。燃料电池电厂将是21世纪的绿色电站。
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