燃料电池及其发展前景

I摘 要随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高，人类对能源的需求量大幅度增加。而随着化石能源( 煤炭、石油、天然气)的日 渐枯竭，开 发利用可再生资源的能源体系、调整能源结构成 为人类社会迫切需要解决的问题。燃料电池是举世公认的高效、便捷及有益于 环境的绿色能源装置。燃料电池具有高效、 环保、安全、可靠性高等特点，可同时解决“能源” 和“环保”两大世界难题，是未来氢经济时代新兴产业链的核心，将降低对石油进口依赖，保障国家能源安全，减少温室效应，改善 环境质量。本文对燃料电池的基本概念，基本工作原理作了具体叙述，对其工作效率和提高工作效率的方法作了定量讨论，燃料电池具有非同寻常的性能： 电效率可达 60以上，而且可以在 带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的 5 种主要燃料电池( AFC、PAFC、MCFC、PEMFC、SOFC)的性能，重点介绍高温固体氧化物燃料电池( SOFC)的应用及其 发展前景。关键词:燃料电池；绿色能源；高温固体氧化物燃料电池IIAbstractWith the development of science and technology, as well as improvement of living standards, human demand for energy increased. And as fossil fuels (coal, petroleum, natural gas) the increasing depletion of resources, development and utilization of renewable energy systems, adjustment of energy structure of human society has become an urgent need to be addressed. Fuel cell is widely recognized as efficient, convenient and environmentally sound green energy devices. Fuel cells with high efficiency, environmental friendly, safety, high reliability and so on, can also solve the energy and green the worlds two major problems in the future hydrogen economy era, the core of the emerging industry chain, it will reduce dependence on oil imports to protect the national energy safety and reduce the greenhouse effect, to improve the quality of the environment.In this paper, the basic concept and basic working principle of fuel cells are specifically described, The efficiency and the methods to increase efficiency of the fuel cells are discussed through quantitative. Fuel cells had the unusual characteristic: Its power efficiency is more than 60%, you can repair and maintain it without unloading, but in addition to the low ratio of carbon oxide emissions outside, virtually no other harmful emissions. This article describes the four kinds of main fuel cells divided in accordance with the temperature (PEMFC, PAFC, MCFC and SOFC) performance, focusing on high-temperature solid oxide fuel cell (SOFC) application and its development prospects.Keywords: fuel cell; green energy; SOFCIII目 录1 绪论 .12 燃料电池的发展 .22.1 燃料电池的发展阶段 .22.1.1 实验室研究阶段 .22.1.2 实用性开发阶段 .22.2 燃料电池在国外的发展 .22.2.1 燃料电池在美国的发展 .32.2.2 燃料电池在加拿大的发展 .32.2.3 燃料电池在德国的发展 .32.2.4 燃料电池在日本的发展 .42.3 燃料电池在国内的发展 .43 燃料电池的工作原理、分类及优点 .53.1 燃料电池的工作原理 .53.2 燃料电池的分类 .73.2.1 碱性燃料电池（AFC） .73.2.2 磷酸型燃料电池(PAFC) .73.2.3 熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC) .83.2.4 质子交换膜燃料电池(PEMFC) .83.2.5 固体氧化物燃料电池(SOFC) .83.3 燃料电池的优点 .94 固体氧化物燃料电池（SOFC） .104.1 固体氧化物燃料电池的概述 .104.2 SOFC 的工作原理 .104.3 SOFC 的优 点 .104.4 SOFC 在配 电市场方面的潜力 .114.5 SOFC 技术应 用的扩展 .115 燃料电池的发展前景 .136 结语 .13致谢 .14参考文献 .15IV11 绪论燃料电池被认为是一种清洁的能源，不会排放导致全球变暖的有害气体。它利用物质化学反应时释放的能量直接将其变换为电能，燃料电池工作时需要连续不断地向其供给活物质燃料与氧化剂。因为燃料是通过化学反应释放出能量变为电能输出，所以被称 为“燃料电池 2。国际能源界预测，本世纪氢能将得到广泛应用，而燃料电池将成为利用氢能的重要途径。燃料电池将是 继水力、火力、核能之后的第 4 代发电装置及替代内燃机的动力装置。燃料电池作 为能源利用的新技术，具备高效、 洁净等优点，已成为当今世界能源领域的开发热点。20 世纪末国际上已形成了一个燃料电池的开发热潮。燃料电池电动车 的样车实验已经证明，以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为动 力的电动车 性能完全可与内燃机汽车 相媲美。当以 纯氢为燃料时，它能达到真正的“ 零” 排放。除各国政府投巨资支持这一研究外，世界各大汽车集团和石油公司也投入巨资进行各种形式的合作来发展这一技术，投入大量人力、物力,进行氢燃料电池的研究，其竞争的焦点是在 21 世纪初将以燃料电池为动力的电动汽车推向市场。世界主要国家都已经认识到燃料电池技术对于国家经济发展和国际竞争力提高的重要作用。各国政府和许多大型跨国公司竞相把燃料电池研发当作投资的重点，国际竞争日趋激烈，燃料电池领域的成果也是捷报频传。近年来，中国在燃料电池关键材料、关键 技术的创新方面取得了许多突破，已经跨入世界先进国家行列。并陆续开发出百瓦 级30kW 级氢氧燃料 电池、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，开发出60kW、75kW 等多种规格的质子交换膜燃料电池组，开发出电动轿车用净输出40kW、城市客 车用净输出 100kW 燃料电池发动机，使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。将来燃料电池可用于交通工具、移动电话、个人 电脑、住宅等等。燃料 电池是利用从甲醇和天然气中提取的氢来产生电能的，还有不少其它种类的燃料也可作为氢的来源。在日本爱 知县举办的 2005 年世界博览会中，进行了一项试验，它是世界上第一个把燃料电池和家庭厨房垃圾、太阳光所产生的能量相结合的能源系统试验。一个日本相关部门的官员说：“这是一个能同 时实现垃圾处理、资源再利用和环境保护措施的有效方法。在世博会期间，爱知县丰田汽车公司使用燃料电池混合驱动车接载参观者来往于博览会的两个地点，路程超过 4.4 公里。日立公司在自己的展厅首次向大众展示一个移动电话信息终端设备，该设备装配了含 5 立方厘米甲醇的卡匣式燃料电池。当燃料耗尽，只要更换卡匣式电池就可以了。日立公司的官员说 ：“如果这一技术以后被 应用于商品中，人们就能花费210 日元在火车站的商铺和便利店买到这种“卡匣” 。东京瓦斯公司已经把燃料电池商品化，并在 2 月 8 日开始出售世界上第一个利用氢能发电的家用燃料电池系统。除了电能，发电所产生的热能也能够利用。燃料电池发电的高效率，使我们能以更便宜的价格向家庭提供电、空调和热水了。丰田和本田汽车公司已经开始向政府部门和机关出租这些使用燃料电池的客车，以达到向消费者宣传的目的。2009 年 1 月在东京举行的第一个国际燃料电池展览会上，来自包括日本、美国、韩国和中国等国家和地区的约 230 家公司展出了它们的商品。在专题演讲中，三星电子公司附属研究所的主管允锡烈说：“我有信心，燃料电池将成为新一代能源”。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、灵活性等方面。燃料电池不仅可以满 足不同功率要求，而且安装、 维修方便。燃料电池种类很多，目前该市场具有广 阔的发展前景是固体氧化化物燃料电池（SOFC）2 燃料电池的发展2.1 燃料电池的发展阶段2.1.1 实验室研究阶段这个阶段从 1840 年格洛夫(Grove )发明氢氧气体电 池开始，至 1952 年Bacon 研究成功具有实用性的培根电池并获得专利止，约 100 余年。2.1.2 实用性开发阶段这个阶段大致从 20 世纪 60 年代开始一直延续至今。可分以下几个主要应用领域。(1)航天用燃料电池的开发；(2)燃料电池电 站的开发；(3)电动汽车用燃料 电池的开发；(4)燃料电池小型移 动电源的开发。2.2 燃料电池在国外的发展20 世纪末国际上已形成了一个燃料电池开发热潮，燃料电池电动车的样车实验已经证明，以质子交换 膜燃料电池（PEMFC）为动 力的电动车性能完全可与内燃机汽车相媲美。当以纯氢为燃料时，它能达到真正的“ 零”排放。除各国政府投巨资支持这一研究外，世界各大汽车集团和石油公司也投入巨资进行各种形式的合作来发展这一技术，投入大量人力、物力,进行氢燃料电池3的研究。其竞争的焦点是在 21 世纪初将以燃料电池为动力的电动车推向市场。世界主要国家都已经认识到燃料电池技术对于国家经济发展和国际竞争力提高的重要作用。各国政府和许多大型跨国公司竞相把燃料电池研发当作投资的重点，国际竞争日趋激烈，燃料电池领域的成果也是捷报频传。2.2.1 燃料电池在美国的发展在美国，以能源部为首，大力研制和推广使用燃料 电池，从 1992 年到 2001年，仅从美国能源部就拨款七 亿美元的基金，用于燃料电池的研制和开发，最近美国能源部又宣布，拨款 1380 万美元协助美国通用汽车公司，用来研究和发展高分子燃料电池及其在汽车上的应用。美国的通用公司、福特公司和克莱斯勒公司等在美国能源部的大力支持下，全力研究质子交换膜燃料电池汽车，并且相继推出了各自的实验车。在 2000 年的悉尼奥运会上，通用汽车公司就推出了用液氢作燃料的“ 氢动一号” 燃料 电池汽车作为运动场工作 车。由美国环保局与戴姆勒克莱斯勒公司、美国联合 邮政服务公司联手研制的首批氢燃料电池汽车已投入实地使用检验阶段，这是燃料电池提供动力的机动车首次在美国全国的道路上实地驾驶运行。2.2.2 燃料电池在加拿大的发展在研究和发展 PEMFC 技 术方面，目前 处于领先地位的巴拉德公司，完全是靠着加拿大政府的资助而发展起来的，在这一领域仍居于世界最高水平。1993 年巴拉德公司就已经制造出了世界上第一辆以 PEMFC 为动力的城市公共汽车，其功率为 125 马力，载客 20 人。 该车卖给了美国洛杉 矶机场，目前仍在运行之中。1995 年 2 月，由加拿大政府同美国加州南海岸空气质量管理公署等单位共同投资 440 万美元开发的巴拉德公司第二辆 PEMFC 汽 车交付使用，其功率 为 275 马力，载客 75 人。2.2.3 燃料电池在德国的发展1993 年 3 月，奔驰公司投资 3400 万美元研制 PEMFC 汽车。1995 年 3 月，欧洲的第一辆 50kW PEMFC 的奔驰面包车已在进 行道路运行测试。该车时速可达 110 公里，补充一次燃料可行驶 250 公里， 车里可乘坐 6 人而不显拥挤。 1999年 3 月奔驰公司展示了 Necar-4 型 PEMFC 电动车 ，它用液氢作燃料，一次充氢行驶里程可达 450 公里。目前，奔驰公司已开发 Necar-4 型小轿车和 NEBUS 大公共汽车。采用甲醇重整制 氢的 NECAR5 已经面世。2000 年 4 月 7 日奔驰公司网点新闻报道，该公司已在两三年内生产了 30 辆 PEMFC 城市公共汽车。宝马汽4车公司最近推出了以天然气为基础燃料的燃料电池汽车，驾驶这辆车可以顺利的超车，其最高时速可达 177 公里。2.2.4 燃料电池在日本的发展1981 至 1990 年期间，日本政府就设立了一个“月光工程 ”。目前，一个新的燃料电池工程“ 新阳光工程”正在进行中。 1996 年 10 月，丰田汽车公司宣布，他们已经开发成功能新型的 PEMFC 汽车。该车功率为 20kW，最高时速大于 100 公里/小时，充 氢一次行驶 250 公里。目前，该公司已生产 出 PEMFC 的吉普车和小轿车。从 1980 年起，日本就开始推广使用燃料 电池机 组发电。目前，世界上最大的一台燃料电池发电机就是由日本的东芝公司于 1991 年 11 月制造的。其装机容量已达到 11MW。并打算在 2010 年利用燃料电池生产 220 万 kWh 的电能。在日本政府通商产业省的资助和各大汽车公司的努力下，日本制定雄心勃勃的研发、展示和推广燃料电 池汽车的计划- 日本氢能和燃料电池展示计划。参加这个计划的主要单位有丰田汽车公司、本田汽车公司等 14 家，从 2001-2002年开始已有 5 个汽车公司开发燃料电池汽车进行路上实车试运行，并已建立了几个加氢站。日本经济产业 省提出的发展目标是，在 2010 年要把汽车用燃料电池的价格降低到普通汽油发动机的水平，并且要首先从政府机关开始普及燃料电池车。 2.3 燃料电池在国内的发展近年来，中国在燃料电池关键材料、关 键技术的创新方面取得了许多突破，已经跨入世界先进国家行列。并陆续开发出百瓦级30kW 级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电 池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，开 发出 60kW、75kW 等多种规格的质子交换膜燃料电池组，开发出电动轿车用净输出 40kW、城市客车用净输出 100kW 燃料电池发动机，使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。2006 年 2 月，国内第一艘燃料电池船由上海海事大学研制成功，该型船可广泛用于旅游、运输、科学考察等领域。燃料 电池船是空气与 储存在钢瓶中的氢气在“黑匣子 ”里反应，产生电流直接驱动船舶前行的无污染、低噪声的新型船。这艘无污染排放物的燃料电池船，在上海青浦河中进行航行实测，用 14 立方米的氢气，可以 14 公里的时 速连续航行 5 小时，航程达 70 公里。 这艘燃料电池船吸入的是氢气，排出氢氧，经过化学反应产生“纯净水” ，因而无污染物排放。 该船长 4.7 米， 宽 1.7 米，吃水 0.25 米，燃料 电池功率为 2000W，推进器功率为 2 马力，可坐两至 4 人。适合在自然 风景区、 严格控制污染物排放的江河湖泊作旅游船。5经过改进后燃料电池船还可成为运输船、科学考察船。尤其是科学考察使用无污染、低噪声的燃料电池船，能方便地使用先进科考仪器开展科研活动。2006 年 3 月，上海神力和苏州金龙汽车公司联合研制的首辆氢燃料电池客车开始在上海市奉贤和市区之间示范运行。这辆氢燃料电池客车是上海神力和苏州金龙汽车公司联合研制的。它在金龙新型高档城市客车的基础上，改变了原有的燃油系统，而在车顶上装配了 9 个储氢罐，通 过 燃料电池的化学反应， 产生电流驱动汽车，并排出纯净 水，其 额定功率达到 100kW，最高速度可以达到 80公里/ 小时，最大的续驶里程达到 300 公里以上，可以承载 35 名乘客。目前中国科技大学无机膜研究所已经研制成功的新型中温陶瓷膜燃料电池，是一种以陶瓷膜作为电解质的燃料电池。电池部件薄膜化以后，降低了电池的内阻，提高了有用功率的输出，从而不需要高温的条件实现了中温化，操作温度降到 700500 。这种新型燃料电池继承了高温 SOFC 的优点，同 时降低了成本。这种新型陶瓷膜燃料电池具有广阔的应用前景。这种燃料电池将是政府机关、银行、医院等重要单位的高可靠性备用电源，同 时也可以在我国广大的山区、海 岛、高原、边 防哨所等电网难以到达的地方使用。中国台湾胜光科技公司(Antig Technology)和奇宏科技公司(AVC Corporation)声称它们已经 开发出一款完全功能的燃料电池，可以用在标准笔记本电脑中。新开发的燃料电 池采用可随意使用的甲醇胶囊，它利用化学反应产生电能，一个甲醇胶囊能够提供 45W 电能，足 够笔记本电脑在正常状态下使用 8小时。新开 发的燃料电池的重量大约为 1.7 千克，是笔记本电脑重量的一倍。2009 年 3 月 26 日，由中国企业投资协会和中国能源网共同主办的以“应对金融危机，加速结构调整，开拓能源产业新的经济 增长之路”为主题的“2009第五届中国能源投资论坛”在北京国谊宾馆召开。随着氢生产、加氢等能源供应链日益完善，燃料电池船的成本将大幅下降。据了解，燃料电池船在科学、工业领域有很大作用，在专运液化天然气的 LNG 船上应 用该技术，则更加安全、环保。3 燃料电池的工作原理、分类及优点3.1 燃料电池的工作原理燃料电池是利用物质发生化学反应时释放的能量直接将其变换为电能，工作时需要连续不断地向其供给活物质燃料与氧化剂。因为是将燃料通过化学反应释放出能量变为电能输出，所以被称为“燃料电 池”。也可以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6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，而电子则沿外部移向正极。用电的负载就接在外部电路上中。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.发生的化学反应为:阳极（燃料极）：H 2=2H +2e （1）阴极（空气极）：2H +0.5O2+2e=H2O （2）总反应： H2+0.5O2=H2O （3）在燃料极中,供给的燃料气体中的 H2变为 H 和自由电子,H 移动到电解质中与空气极一侧供给的 O2发生反应。自由电子经由外部的负荷回路再返回到空气极一侧参与空气极一侧的反应,从反应式(3)可以看出 H2 和 O2 生成 H2O。除此以外没有其它反应,H 2 所具有的化学能转变成了电 能。如下 图 1 是氢-氧燃料电池的结构和工作原理图 6。图 1 质子交换膜氢-氧燃料电池工作原理图燃料电池因为氧化剂是从外部输入的，只要它们得到了不断的供给，燃料电池就可以源源不断地向外供电。高温固体氧化物燃料电池直接把化学能转化为电能，不 经过中间环节，减少能量的损失，发电效率达 45以上，总发电率可达7到 85以上。燃料使用面广，余热利用率高。同 时这 种电池由于电解质电导率不高，必须在高温下操作，连接密封材料必须使用铂等稀贵金属， 电池成本随之大大增加。3.2 燃料电池的分类根据所使用的电解质类型、燃料来源等不同,燃料电池主要可分为 5 种类型: 如下表 1 中所示，碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池( MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC) 表 1 燃料电池分类及技术状况电池类型 AFC PAFC MCFC SOFC PEMFC工作温度 50200 100200 650700 8001000 25100导电离子 OH H+ CO32 O2 H+所用燃料 纯氢气 重整汽净化煤气、天然气、重整汽净 化煤气、天然气氢 气、重整氢功率（KW）20100 20010000 1005000 255000 0.1200燃料效率 65% 4045% 5055% 5060% 4050%寿命（h） 300010000300040000100004000080004000010000100000成本估算（/KW）1000 2003000 1250 1500 502000应用领域航天、空间站等现场集成能量系统电站区域性供电电站、 联合循环发电电动车、潜艇、 电源3.2.1 碱性燃料电池（AFC）AFC 用 KOH 溶液作电解 质,以双层孔径的烧结镍作阳极 ,掺锂的氧化镍作阴极,可在 70100或 220左右工作。AFC 的主要特征是:（1）耐低温 CO2（2）耗用大量的铂 8。3.2.2 磷酸型燃料电池(PAFC) 磷酸型燃料电池(PAFC)它是最先进技术的燃料电池。80 年代， IFC(国际燃料电池公司)决定 对其前期商业化生产线进行投资，制造和销售 200kW 的 PAFC装置，并将其投入市场。东芝公司在 80 年代末就已 经努力使 PAFC 技术进入商用市场。从此， PAFC 技术 就一直在静止燃料电池的市场中占据着显赫的位置。迄今为止，全球已经安装了 150 多套 PAFC 燃料电池装置。PAFC 以磷酸作为电8解液,电极有憎水剂(如 PTFE)处理过的多孔碳基底为支撑层和 PTFE 粘合的铂催化剂组成。工作温度为 180210 PAFC 的主要特征是: （1）耐 CO2 和少量CO。（2）可以有效利用电池堆的余热,具有比 AFC 和 PEMFC 更高的能量效率（3）腐蚀性较低。 （4）对基体材料要求较高,不能在室温下工作。3.2.3 熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)MCFC 是在一只陶瓷容器中放入液态的金属碳酸盐(62%LiCO 338%K 2CO3)作电解质,以多孔镍作阳极,掺锂的氧化镍作阴极,燃料是 H2 和 CO 的混合物,氧化剂是 O2 和 CO2 的混合物,工作温度为 650左右。如果没有采取防止电极老化的措施，燃料电池的使用寿命会受到影响。 MCFC 采用的是 颊型电池，和 SOFC 型的管形设计方案相比，这种颊 型电池的功率密度要稍高一些，这在成本上要比SOFC 型装置 优越。但在另一方面，由于 SOFC 所用的陶瓷材料非常稳定，可以用在 950-1000范围内，所以 SOFC 装置在抗化性能上更具 优越性。MCFC 的主要特征是:（1）只能选用碳酸盐作为唯一的电解质,腐 蚀性很强的熔融盐会使阴极有轻微的溶解,降低电池寿命。 （2）其能量转化效率高于 PAFC。3.2.4 质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池(PEFC)、固体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池(SPEFC )。它是一种以固体聚合物作为电解质膜、空气或纯氧作为氧化剂,氢或者净化重整气作为燃料,带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板的一种发电装置。其具有工作温度低(50100), 低温下起动快,工作可靠性高,能量密度高,无排放污染; 结构简单,制造方便等优点。可应用于手机、移动通讯、笔记本电脑、摄像机、电动自行车、电动汽车等。因此它的系统研究也引起广泛的关注。PEMFC 的主要特征是:（1）室温下启动十分迅速。 （2）效率高,其能量 转化率高达 60%80%,实际使用效率是普通内燃机的 23 倍。 （3）无污染,由于反应产物主要是水,可以实现零排放。 （4）寿命长。 （5）比功率大。 （6）燃料多样性,氢气、甲醇、乙醇、甲烷、天然气、轻油等均可 14。3.2.5 固体氧化物燃料电池(SOFC)SOFC 一般以固体氧离子导体作为电解质，金属陶瓷作阳极,以铂作阴极。工作温度为 6001000。SOFC 的主要特征是：（1）全固体装置不存在电解质的腐蚀问题。 （2）可用多种燃料工作。 （3）对阴极材料要求很高，目前还没有找到一种合适廉价的材料来代替铂。 （4）工作温度太高， 对电池的各个部件的热稳定性和化学稳定性都要求很高。93.3 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、灵活性等方面。（1）高效性：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。磷酸型燃料电池设计发电效率 42%，目前已接近 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。而且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。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， 这样也可以减少传输费用和传输损失。燃料电池的另一特点是在其发电的同时可以产生热水和蒸汽。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。燃料电池很少发生过像燃烧涡轮机或内燃机因转动部件失灵而发生的恶性事故。燃料电池系统唯一可能发生的事故就是效率低下。（3）良好的环境效益：普通火力发电厂排放的废弃物有颗粒物(粉尘)、硫氧化物、氮氧化物、碳氢化合物以及废水、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 化学反应的副产物是水，其量极少，与大型蒸汽 轮机发电厂所用的冷却水量相比，明显少得多。（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。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。燃料电池还可以轻易地校正由频率引起的各种偏差。这一特点提高了系统的稳定性。燃料电池系统具有良好的部分载荷性能，可对输出负荷快速响应。（5）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效益所在。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，可根据用户需求量而增加 发电容量。104 固体氧化物燃料电池（SOFC）4.1 固体氧化物燃料电池的概述固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 (Solid Oxide Fuel Cell，简 称 SOFC)属 于 第 三 代 燃 料电 池 ，是 一 种 在 中 高 温 下 直 接 将 储 存 在 燃 料 和 氧 化 剂 中 的 化 学 能 高 效 、环 境友 好 地 转 化 成 电 能 的 全 固 态 化 学 发 电 装 置 。被 普 遍 认 为 是 在 未 来 会 与 质 子 交换 膜 燃 料 电 池 (PEMFC)一 样 得 到 广 泛 普 及 应 用 的 一 种 燃 料 电 池 。它 始 于 20 世纪 40 年 代 ，但 是 在 80 年 代 以 后 其 研 究 才 得 到 蓬 勃 发 展 。4.2 SOFC 的工作原理固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 单 体 主 要 组 成 部 分 由 电 解 质 (electrolyte)、阳 极 或燃 料 极 (anode，fuel electrode)、阴 极 或 空 气 极 (cathode，air electrode)和 连 接体 (interconnect)或 双 极 板 (bipolar separator)组 成 。固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 的 工 作 原 理 与 其 它 燃 料 电 池 相 同 ，在 原 理 上 相 当于 水 电 解 的 “逆 ”装 置 。其 单 电 池 由 阳 极 、阴 极 和 固 体 氧 化 物 电 解 质 组 成 ，阳极 为 燃 料 发 生 氧 化 的 场 所 ，阴 极 为 氧 化 剂 还 原 的 场 所 ，两 极 都 含 有 加 速 电 极电 化 学 反 应 的 催 化 剂 。工 作 时 相 当 于 一 台 直 流 电 源 ，其 阳 极 即 电 源 负 极 ，阴极 为 电 源 正 极 。4.3 SOFC 的优点SOFC 与 第 一 代 燃 料 电 池 (磷 酸 型 燃 料 电 池 ，简 称 PAFC)、第 二 代 燃 料 电池 (熔 融 碳 酸 盐 燃 料 电 池 ，简 称 MCFC)相 比 它 有 如 下 优 点 ：(1)较 高 的 电 流 密 度 和 功 率 密 度 ；(2)阳 、阴 极 极 化 可 忽 略 ，彼 此 损 失 集 中 在 电 解 质 内 阻 降 ；(3)可 直 接 使 用 氢 气 、烃 类 (甲 烷 )、甲 醇 等 作 燃 料 ，而 不 必 使 用 贵 金 属 作催 化 剂 ；(4)避 免 了 中 、低 温 燃 料 电 池 的 酸 碱 电 解 质 或 熔 盐 电 解 质 的 腐 蚀 及 封 接问 题 ；(5)能 提 供 高 质 余 热 ，实 现 热 电 联 产 ，燃 料 利 用 率 高 ，能 量 利 用 率 高 达 80 左 右 ，是 一 种 清 洁 高 效 的 能 源 系 统 ；(6)广 泛 采 用 陶 瓷 材 料 作 电 解 质 、阴 极11和 阳 极 ，具 有 全 固 态 结 构 ；(7)陶 瓷 电 解 质 要 求 中 、高 温 运 行 (600 1000)，加 快 了 电 池 的 反 应 进 行 ，还 可 以 实 现 多 种 碳 氢 燃 料 气 体 的 内 部 还 原 ，简 化 了设 备 。固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 是 一 种 新 型 发 电 装 置 ，其 高 效 率 、无 污 染 、全 固态 结 构 和 对 多 种 燃 料 气 体 的 广 泛 适 应 性 等 ，是 其 广 泛 应 用 的 基 础 。4.4 SOFC 在配电市场方面的潜力Siemens Westinghouse 公司根据对市场的分析，决定采取必要的措施加快SOFC 技术进 入市场的步伐。在 2003-2004 年提供第一批产品，进入商业性生产前的试验阶段，装置容量从目前的 2MW 扩大到 15MW。北美和欧洲被认为是 SOFC 燃料电池技术最有希望的市场。Hagler Bailly 公司和西门子公司对功率范围为 250 kWl MW 的市 场进行了调查，结果表明 2005年 SOFC 燃料 电池的市场 容量为每年 10000MW。北美和欧洲几乎各占 50。考虑到北美洲用户的结构和他们的需求，在北美洲各类小型发电机组的总容量在2010 年可能达到每年约 1000MW，其中 600MW 可能是燃料电池发电装置。在各种类型的燃料电池中，SOFC 的市场份额约占 40，到 2010 年在北美洲 SOFC的全年销售额将达到 2.4 亿美元。在竞争日益激烈的配电市场中的另一个获胜者是微型燃气轮机，主要是作为备用电源或辅助电源。由于 SOFC 和微型燃气轮机的特性适于不同的应用场所，SOFC 效率高但投资成本也高，而微型燃气轮机成本低但效率也低，因而这2 种技术不会产生市场上竞争。而往复式发动机会逐渐失去其在市场中的份额。欧洲电网要比北美洲电网强大得多，欧洲电网强化了集中的大型发电厂的作用。因此在北美洲经常出 现的分散式电热设备和动力装置的供电质量和供电可靠性问题在欧洲是不突出的。但另一方面，在欧洲 对能量储存更为敏感。此外，一些国家政府将颁布新的规程和法律及新的能源价格，预计欧洲各国之间市场份额会有重大差异。在有些情况下这个过程会给 SOFC 用于配电装置起到一定的促进作用。此外，欧洲的自由化近程落后于北美洲。因此，市场预测结果会有很大程度的不确定性。4.5 SOFC 技术应用的扩展使用天然气作为燃料的 SOFC 是车载式装置，其扩展应用可有以下几种形式：(1)家庭应用：新一代燃料 电池将是扁平管型的，其功率密度是目前所用圆柱型燃料电池技术的 2 倍，因而将制造出 5kW 的燃料 电池装置。这种设计方案是12可行的，在配电市场中可以替代圆柱型燃料电池。(2)l0MW 以上的系统装置：很 显然，只要 SOFC 技术 占有了功率范围在25010MW 的市场，那么下一步必然是要争取占有 l0MW 以上更大规模发电设备的市场。通过把更多 SOFC 链接起来便能实现这个目标，也满足了高效率低成本的要求。20MW 级规模燃料电池的电效率已经接近甚至超过 70。(3)用液态燃料运行：使用天然气作为燃料将 SOFC 的应用局限在靠近天然气供气网的区域内，从而使这项新技术的应用受到限制。因此存在着让 SOFC 使用液态燃料的迫切要求。因此，应与大型石油公司合作 进行该课题的研究开发，选择一种适宜的液体燃料并设计出最适于使用这种新燃料的 SOFC 发电装置，以便为边远的用户服务。 (4)CO2 的分离：Shell 公司和 Siemens Westinghouse 公司正在共同研制一种能将 CO2 从完全反应后的燃料中分离的 SOFC 设计 方案。例如，当把其装在用于回收油的平台上时，可以把 CO2 用泵压到地下储层中，这不但可省去 CO2 的排放税，还可提高原油的产出量。(5)综合性应用： CO2 分离装置可能是点火的火花装置，它使得 SOFC 在一种封闭且可再生的能量循环中成为关键性部件。经过一段时间，SOFC 能产生出热量和电力，例如用于大型暖房的设施中， SOFC 装置产生的 C02 可用来加快植物的生长。而任何一种农作物收 获后的剩余有机物都可以转化为气体供给 SOFC作燃料。 输出电能之前需要 较长的加热过程，因而这种技术不能应用于要求在短时间内频繁起动的各种实用装置。此外，高温型燃料电池还具有以下特点：(1)不需要使用贵金属来催化电化学反应。一般情况下使用陶瓷材料；(2)对 CO 完全没有限制，CO 参加到电化学反应过程并像 H2 一样被氧化；(3)对燃料表现出高度灵活性。可以给这类燃料电池发电设备供应天然气，天然气在 设备部被转换成 H2 和 CO。这意味着无需任何外部燃料，从而大大简化了发电设备的平衡问题；(4)高温可以将燃气轮机连接到该系统上，在 这种情况下，燃料电池发电设备是在 300kPa 压力下运行，并在不考 虑燃气轮机输出的情况下将燃料电池的功率密度提高约 20，因此使总的电效率提高 10，可成倍地降低使用期限成本；(5)较高的运行温度也为排热提供了更多的灵活性。在电效率达 60或更高水平的联合循环系统中可限制废热排放，而在单循环下则会排放出更多的热量。MCFC 和 SOFC 是这类高温型燃料电池的 2 种技术。它们使用的材料不同。MCFC 是在一只陶瓷容器中放入液态的金属碳酸盐 作为电解液，如果没有采取防止电极老化的措施，燃料 电池的使用寿命会受到影响。 到目前为止，所有的 长期电池试验和正在运行的试验性机组都表明 SOFC 型装置的使用寿命可以达到70000-80000 小时，是 MCFC 型的 2 倍。MCFC 和 SOFC 2 种技术在进行13100250kW 功率范围的单循环现场试验中，成本都有大幅度的下降。目前在MCFC 开发上占有主 导地位的是美国的 Fuel Cell Energy 公司及其在德国的授权单位 MTU，日本的 Ishikawajima-Harima 重工(IHI)和三菱公司等。而 Siemens Westinghouse 在 SOFC 开发上处于领先水平。5 燃料电池的发展前景目前影响燃料电池商业化的关键问题是制作成本太高。PAFC 和 PEAFC 是近期最有希望商业化的两种电池。如影响 PEAFC 制作成本的