作者: 辽宁电力科学研究院孔宪文 桂敏言(辽宁省电力有限公司 冯玉全)
【摘要】本文概述了燃料电池的工作特点和事理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的成本前提进行了评估，瞻望了这一手艺在电力系统的应用前景、将对电力系统发生的主要影响，它将使传统的电力系统发生复杂的厘革，它会使电力系统加倍安好、经济。末尾提出了成长燃料电池发电的具体倡议。
1．引言
能源是经济成长的根柢根底，没有能源产业的成长就没有现代文明。人类为了更有用地行使能源一贯在进行着不懈的起劲。历史上行使能源的体式格局有过多次革命性的厘革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源行使体式格局的厘革都极年夜地推进了现代文明的成长。
跟着现代文明的成长，人们慢慢熟悉到传统的能源行使体式格局有两年夜弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先改酿成热能后才气被改酿成机械能或电能，受卡诺轮回及现代材料的限制，在机端所获得的遵守只有33~35%，一半以上的能量白白地损失落失落了；二是传统的能源行使体式格局给今日人类的生涯情况造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然接纳的手艺在络续地进级，如拓荒出了超高压、超临界、超超临界机组，拓荒出了流化床燃烧和集体气化团结轮回发电手艺，但这种起劲的效果是：机组规模伟年夜、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源遵守模仿照旧只有35%摆布，年夜规模的污染模仿照旧没有获得基本治理。多年来人们一贯在起劲根究既有较高的能源行使遵守又不污染情况的能源行使体式格局。这就是燃料电池发电手艺。
1839年英国的Grove发清楚明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦申报厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先接纳了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。因为发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年月才有了本色性的但愿，英国剑桥年夜学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年月，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年月最先，氢氧燃料电池普遍应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年月最先，各类小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中获得应用。
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装配。当源源络续地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以一连发电。依据电解质的分歧，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交流膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺轮回限制，能量转换遵守高，清洁、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以齐集供电，也适合涣散供电。
年夜型电站，火力发电因为机组的规模充沛年夜才气获得令人写意的遵守，但装有巨型机组的发电厂又受各类前提的限制不能贴进用户，是以只好齐集发电由电网输送给用户。然则机组年夜了其发电的天真性又不能顺应户户的需要，电网随用户的用电负荷转变有时呈现为高峰，偶可是呈现为低谷。为了顺应用电负荷的转变只好备用一部门机组或建筑抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为价值的。传统的火力发电站的燃烧能量年夜约有近70%要耗损在汽锅和汽轮发电机这些重年夜的培植上，燃烧时还会排放年夜量的有害物质。而行使燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有迁移改变部件，理论上能量转换率为100%，装配无论巨细现实发电遵守可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭铺、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失落，综合能源遵守可达80%，装配为集木式结构，容量可小到只为手机供电、年夜到和此刻的火力发电厂对比，异常天真。
燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装配和替代内燃机的动力装配。国际能源界展望，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方式之一。我国人均能源成本穷困，在此刻电网由首要穷困电量改变为首要穷困系统备用容量、调峰手法、电网培植滞后和传统的发电体式格局污染严正的情形下，研究和拓荒微型化燃料电池发电具有主要意义，这种发电体式格局与传统的年夜型机组、年夜电网相连系将给我国带来伟年夜的经济效益。
2. 燃料电池的特点与事理
因为燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，是以，它没有像凡是的火力发电机那样经过过程汽锅、汽轮机、发电机的能量形态转变，可以避免中央的转换的损失落，达到很高的发电遵守。同时还有以下一些特点：
l 不管是满负荷照样部门负荷均能连结高发电遵守；
不管装配规模巨细均能连结高发电遵守；
具有很强的过负载手法；
经过过程与燃料供给装配组合的可以合用的燃料普遍；
发电出力由电池堆的出力和组数决意，机组的容量的自由度年夜；
电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电体式格局；
用自然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等架空量少，情况相容性优。
如斯由燃料电池组成的发电系统对电力产业具有极年夜的吸引力。
燃料电池按其工作温度是分歧，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，而且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行团结拓荒的燃料电池。另一种分类是按其拓荒迟早挨次进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。
燃料电池其事理是一种电化学装配，其组成与日常电池不异。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。分歧的此日常电池的活性物质贮存在电池内部，是以，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极自己不包含活性物质，只是个催化转换元件。是以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械。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行回响反映。原则上只要回响反映物络续输入，回响反映产物络续断根，燃料电池就能一连地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来声名燃料电池的根底工作事理。
氢-氧燃料电池回响反映事理
这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：
负极： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-
正极： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-
电池回响反映：H2 + 1/2O2==H2O
其余，只有燃料电池本体还不能工作，必需有一套响应的扶持匡助系统，包含回响反映剂供给系统、排热系统、排水系统、电机能节制系统及安好装配等。
燃料电池凡是由形成离子导电体的电解质板和其两侧培植的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路组成，气体流路的浸染是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中经过过程。
在适用的燃料电池中因工作的电解质分歧，经由电解质与回响反映相关的离子种类也分歧。PAFC和PEMFC回响反映中与氢离子（H+）相关，发生的回响反映为：
燃料极：H2 =2H+ + 2e- （1）
空气极：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2）
全体：H2+1/2O2 = H2O （3）
氢氧燃料电池组成和回响反映轮回图
在燃料极中，供给的燃料气体中的H2 分化成H+ 和e- ，H+ 移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生回响反映。e- 经过外部的负荷回路，再反回到空气极侧，列入空气极侧的回响反映。一系例的回响反映促成了e- 不间断地经过外部回路，因而就组成了发电。而且从上式中
