【2017年整理】洁净煤技术11燃料电池.doc

第十一章 燃料电池 第一节 导 论 一、蠕料电池原理与特点 燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它的发电方式与常规化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢等)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧等)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电的回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在FC内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，FC的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内，而是贮存在电池外的贮罐内，当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也需排出一定废热，以维持电池工作温度的恒定。FC本身只决定输出功率的大小，而贮存的能量则由燃料和氧化剂的贮罐决定。 FC等温地直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，因此能量转换效率高。氢氧FC效率已达60%～70%，以油、天然气造气的间接型氢空FC效率已达42%，中高温FC可望达到50%～70%，明显优于火电站的效率。 FC的输出功率由电池性能、电极面积和电池个数决定。多个电池组间可进行串联和并联以增加发电功率。所以FC电厂具有“积木”特性，能依据需要建造各种不同功率的电厂。 FC的能量转换效率与装置规模无关。在运行过程中，负荷变，其能量转换效率并无大幅度的变化，采用FC供电，无需调峰，在低负荷工作时，其效率反而略有升高。因此FC电厂特别适于分散建立，在热电联供时，燃料的总利用率可高达80%以上。 FC电厂是一种清洁型发电装置，即使是高温FC，在运行时NOx的排放量也仅十几个ppm，几乎不排放SOx，CO2排放量也明显减少。FC电厂运行时噪声低，距FC l0米处，噪声一般低于55分贝。 由于FC具有上述明显优点，国外在50～60年代曾呈现第一个研制高潮，那时侧重发展碱性氢氧FC(AFC)。到70年代末，由于材料、电催化等科学进展和世界性能源紧缺，以及环境污染的加剧推动，FC研究又出现第二个高潮。这次侧重发展磷酸型燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)和固体氧化物型燃料电池(SOFC)。1983年东京4500kWPAFC电厂的成功运行，又大大促进了国外对FC研究的投入。 为适应军工、电动汽车、潜艇和水下机器人等对高比功率，可移动动力源的需求，80年代初国外又大力开发离子交换膜型燃料电池(PEMFC)。 二、FC(燃料电池)的分类 FC通常按工作电解质的类型进行分类，五种主要类型FC的简况见表11-1。 表11-1 第二节 国内外发展现状 一、国外燃料电池发展状况 60年代，美国首先成功地将燃料电池用于航天飞行，作为航天飞机和飞船上主电源，以后美国与西方各国将燃料电池研究重点转向民用发电和作为汽车与潜艇的动力源。目前，国际上公认的燃料电池大体上可分为五类；技术现状简述如下： (一)碱性燃料电池(AFC) 10kW级的高性能碱性燃料电池(AFC)是美国航天飞机的主要电源，迄今已应用近20年，被证明为安全可靠的电源。燃料电池用于宇航载人飞行时，电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用；其供氧分系统亦可与生保供氧分系统互为备份，美国宇航局(NASA)在1962～1978年间投资L 7亿美元发展航天用碱性燃料电池，电池组至少可连续工作2500小时不需维护。欧洲Hermer空间渡船计划也决定采用AFC为电源，由德国SiemensAG负责研制，预计在90年代后期用于空间渡船首航。然而，由于这种系统造价昂贵并不适于用含CO2空气作氧化剂，故不适用于地面。早期将AFC用于汽车及潜艇动力的尝试已不再继续。但用作卫星空间站高效储能电池的再生式碱性燃料电池(RFC)仍在研制中，以期代替现用的Ni-Cd、Ni-H2电池。 (二)磷酸型燃料电池(PAFC) PAFC以天然气、石油或甲醇重整气为燃料，空气为氧化剂。美国是PAFC技术开发的主要国家，现已建造了1MW，4.5MW和7.5MW的电站。进入80年代，由于日本的财力和需要，现场实验工作主要在日本进行。目前日本东芝公司与美国联合技术公司已组成国际燃料电池公司(IFC)，1991年建成llMW的电站，并于1992年再建20个同等功率的半商品性电站出售。这表明PAFC技术已成熟，达到半商品化的程度。PAFC商品化的主要技术问题，一是需要进一步简化系统，提高可靠性：二是提高生产的自动化水平，降低PAFC的建造费用。目前，由于销售数量有限，售价高达$3500／kW。此价不仅高于国际大型火电站建造费用$800～1300／kW，也高于MCFC电站的预计价格$1500／kW。而且由于它的运行温度仅有200℃左右，余热利用价值低，电催化剂需要贵金属，不耐受一氧化碳，运行中又可能发