關於燃料電池發電技術調研報告

1．引言 能(neng)源(yuan)是(shi)經(jing)濟(ji)發(fa)展(zhan)的(de)基(ji)礎(chu)，沒(mei)有(you)能(neng)源(yuan)工(gong)業(ye)的(de)發(fa)展(zhan)就(jiu)沒(mei)有(you)現(xian)代(dai)文(wen)明(ming)。人(ren)類(lei)為(wei)了(le)更(geng)有(you)效(xiao)地(di)利(li)用(yong)能(neng)源(yuan)一(yi)直(zhi)在(zai)進(jin)行(xing)著(zhe)不(bu)懈(xie)的(de)努(nu)力(li)。曆(li)史(shi)上(shang)利(li)用(yong)能(neng)源(yuan)的(de)方(fang)式(shi)有(you)過(guo)多(duo)次(ci)革(ge)命(ming)性(xing)的(de)變(bian)革(ge)
，從(cong)原(yuan)始(shi)的(de)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)到(dao)汽(qi)輪(lun)機(ji)
、高壓汽輪機、內燃機、燃氣輪機，每一次能源利用方式的變革都極大地推進了現代文明的發展。 隨(sui)著(zhe)現(xian)代(dai)文(wen)明(ming)的(de)發(fa)展(zhan)

，人(ren)們(men)逐(zhu)漸(jian)認(ren)識(shi)到(dao)傳(chuan)統(tong)的(de)能(neng)源(yuan)利(li)用(yong)方(fang)式(shi)有(you)兩(liang)大(da)弊(bi)病(bing)。一(yi)是(shi)儲(chu)存(cun)於(yu)燃(ran)料(liao)中(zhong)的(de)化(hua)學(xue)能(neng)必(bi)需(xu)首(shou)先(xian)轉(zhuan)變(bian)成(cheng)熱(re)能(neng)後(hou)才(cai)能(neng)被(bei)轉(zhuan)變(bian)成(cheng)機(ji)械(xie)能(neng)或(huo)電(dian)能(neng)
，受(shou)卡(ka)諾(nuo)循(xun)環(huan)及(ji)現(xian)代(dai)材(cai)料(liao)的(de)限(xian)製(zhi)

，在(zai)機(ji)端(duan)所(suo)獲(huo)得(de)的(de)效(xiao)率(lv)隻(zhi)有(you)33~35%
，一半以上的能量白白地損失掉了；二是傳統的能源利用方式給今天人類的生活環境造成了巨量的廢水、廢氣
、廢渣、廢熱和噪聲的汙染。對於發電行業來說
，雖然采用的技術在不斷地升級，如開發出了超高壓
、超臨界、超超臨界機組，開發出了流化床燃燒和整體氣化聯合循環發電技術，但這種努力的結果是：機組規模巨大、超高壓遠距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率仍然隻有35%左(zuo)右(you)，大(da)規(gui)模(mo)的(de)汙(wu)染(ran)仍(reng)然(ran)沒(mei)有(you)得(de)到(dao)根(gen)本(ben)解(jie)決(jue)。多(duo)年(nian)來(lai)人(ren)們(men)一(yi)直(zhi)在(zai)努(nu)力(li)尋(xun)找(zhao)既(ji)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)能(neng)源(yuan)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)又(you)不(bu)汙(wu)染(ran)環(huan)境(jing)的(de)能(neng)源(yuan)利(li)用(yong)方(fang)式(shi)。這(zhe)就(jiu)是(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)發(fa)電(dian)技(ji)術(shu)。 1839年英國的Grove發明了燃料電池
，並用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，並獲得200mA/m2電流密度。由於發電機和電極過程動力學的研究未能跟上
，燃料電池的研究直到20世紀50年代才有了實質性的進展，英國劍橋大學的Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應用於宇航領域
，同時，兆瓦級的磷酸燃料電池也研製成功。從80年代開始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領域中得到應用。 ranliaodianchishiyizhongjiangchucunzairanliaoheyanghuajizhongdehuaxueneng，zhijiezhuanhuaweidiannengdezhuangzhi。dangyuanyuanbuduandicongwaibuxiangranliaodianchigonggeiranliaoheyanghuajishi
，takeyilianxufadian。yijudianjiezhidebutong，ranliaodianchifenweijianxingranliaodianchi（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）
、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。燃料電池不受卡諾循環限製
，能量轉換效率高
，潔淨、無汙染、噪聲低，模塊結構
、積木性強

、比功率高
，既可以集中供電，也適合分散供電。 大(da)型(xing)電(dian)站(zhan)
，火(huo)力(li)發(fa)電(dian)由(you)於(yu)機(ji)組(zu)的(de)規(gui)模(mo)足(zu)夠(gou)大(da)才(cai)能(neng)獲(huo)得(de)令(ling)人(ren)滿(man)意(yi)的(de)效(xiao)率(lv)，但(dan)裝(zhuang)有(you)巨(ju)型(xing)機(ji)組(zu)的(de)發(fa)電(dian)廠(chang)又(you)受(shou)各(ge)種(zhong)條(tiao)件(jian)的(de)限(xian)製(zhi)不(bu)能(neng)貼(tie)進(jin)用(yong)戶(hu)，因(yin)此(ci)隻(zhi)好(hao)集(ji)中(zhong)發(fa)電(dian)由(you)電(dian)網(wang)輸(shu)送(song)給(gei)用(yong)戶(hu)。但(dan)是(shi)機(ji)組(zu)大(da)了(le)其(qi)發(fa)電(dian)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)又(you)不(bu)能(neng)適(shi)應(ying)戶(hu)戶(hu)的(de)需(xu)要(yao)，電(dian)網(wang)隨(sui)用(yong)戶(hu)的(de)用(yong)電(dian)負(fu)荷(he)變(bian)化(hua)有(you)時(shi)呈(cheng)現(xian)為(wei)高(gao)峰(feng)，有(you)時(shi)則(ze)呈(cheng)現(xian)為(wei)低(di)穀(gu)。為(wei)了(le)適(shi)應(ying)用(yong)電(dian)負(fu)荷(he)的(de)變(bian)化(hua)隻(zhi)好(hao)備(bei)用(yong)一(yi)部(bu)分(fen)機(ji)組(zu)或(huo)修(xiu)建(jian)抽(chou)水(shui)蓄(xu)能(neng)電(dian)站(zhan)來(lai)應(ying)急(ji)，這(zhe)在(zai)總(zong)體(ti)上(shang)都(dou)是(shi)以(yi)犧(xi)牲(sheng)電(dian)網(wang)的(de)效(xiao)益(yi)為(wei)代(dai)價(jia)的(de)。傳(chuan)統(tong)的(de)火(huo)力(li)發(fa)電(dian)站(zhan)的(de)燃(ran)燒(shao)能(neng)量(liang)大(da)約(yue)有(you)近(jin)70%要yao消xiao耗hao在zai鍋guo爐lu和he汽qi輪lun發fa電dian機ji這zhe些xie龐pang大da的de設she備bei上shang，燃ran燒shao時shi還hai會hui排pai放fang大da量liang的de有you害hai物wu質zhi。而er使shi用yong燃ran料liao電dian池chi發fa電dian
，是shi將jiang燃ran料liao的de化hua學xue能neng直zhi接jie轉zhuan換huan為wei電dian能neng，不bu需xu要yao進jin行xing燃ran燒shao
，沒mei有you轉zhuan動dong部bu件jian，理li論lun上shang能neng量liang轉zhuan換huan率lv為wei100%，裝置無論大小實際發電效率可達40%～60%
，可以實現直接進入企業、飯店、賓館、家庭實現熱電聯產聯用
，沒有輸電輸熱損失
，綜合能源效率可達80%，裝置為集木式結構

，容量可小到隻為手機供電、大到和目前的火力發電廠相比
，非常靈活。 燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之後第四代發電裝置和替代內燃機的動力裝置。國際能源界預測
，燃料電池是21世紀最有吸引力的發電方法之一。我國人均能源資源貧乏，在目前電網由主要缺少電量轉變為主要缺少係統備用容量
、調峰能力、電網建設滯後和傳統的發電方式汙染嚴重的情況下，研究和開發微型化燃料電池發電具有重要意義，這種發電方式與傳統的大型機組、大電網相結合將給我國帶來巨大的經濟效益。 2. 燃料電池的特點與原理 由於燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能
，因此，它沒有像通常的火力發電機那樣通過鍋爐、汽輪機
、發電機的能量形態變化，可以避免中間的轉換的損失，達到很高的發電效率。同時還有以下一些特點： 不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發電效率； 不管裝置規模大小均能保持高發電效率； 具有很強的過負載能力； 通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛
； 發電出力由電池堆的出力和組數決定，機組的容量的自由度大； 電池本體的負荷響應性好，用於電網調峰優於其他發電方式


； 用天然氣和煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少
，環境相容性優。 如此由燃料電池構成的發電係統對電力工業具有極大的吸引力。 燃料電池按其工作溫度是不同，把堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型質子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質子膜燃料電池
，工作溫度為100℃以內）和磷酸型燃料電池（PAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC
，工作溫度為650℃）和固體氧化型燃料電池（SOFC，工作溫度為1000℃）稱(cheng)為(wei)高(gao)溫(wen)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)，並(bing)且(qie)高(gao)溫(wen)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)又(you)被(bei)稱(cheng)為(wei)麵(mian)向(xiang)高(gao)質(zhi)量(liang)排(pai)氣(qi)而(er)進(jin)行(xing)聯(lian)合(he)開(kai)發(fa)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)。另(ling)一(yi)種(zhong)分(fen)類(lei)是(shi)按(an)其(qi)開(kai)發(fa)早(zao)晚(wan)順(shun)序(xu)進(jin)行(xing)的(de)，把(ba)PAFC稱為第一代燃料電池，把MCFC稱為第二代燃料電池，把SOFC稱為第三代燃料電池。這些電池均需用可燃氣體作為其發電用的燃料。 燃料電池其原理是一種電化學裝置
，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此

，限製了電池容量。而燃料電池的正、負fu極ji本ben身shen不bu包bao含han活huo性xing物wu質zhi，隻zhi是shi個ge催cui化hua轉zhuan換huan元yuan件jian。因yin此ci燃ran料liao電dian池chi是shi名ming符fu其qi實shi的de把ba化hua學xue能neng轉zhuan化hua為wei電dian能neng的de能neng量liang轉zhuan換huan機ji器qi。電dian池chi工gong作zuo時shi
，燃ran料liao和he氧yang化hua劑ji由you外wai部bu供gong給gei，進jin行xing反fan應ying。原yuan則ze上shang隻zhi要yao反fan應ying物wu不bu斷duan輸shu入ru，反fan應ying產chan物wu不bu斷duan排pai除chu
，燃ran料liao電dian池chi就jiu能neng連lian續xu地di發fa電dian。這zhe裏li以yi氫qing-氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理。

氫-氧燃料電池反應原理 這個反映是電觧水的逆過程。電極應為： 負極： H2 + 2OH- →2H2O + 2e- 正極： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH- 電池反應：H2 + 1/2O2==H2O

另外，隻有燃料電池本體還不能工作

，必須有一套相應的輔助係統，包括反應劑供給係統、排熱係統、排水係統、電性能控製係統及安全裝置等。 燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側氣體流路構成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。 在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H+）相關，發生的反應為： 燃料極：H2 =2H+ + 2e- （1） 空氣極：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2） 全體：H2+1/2O2 = H2O （3）

氫氧燃料電池組成和反應循環圖

在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移動到電解質中與空氣極側供給的O2發生反應。e- 經由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一係例的反應促成了e- 不間斷地經由外部回路，因而就構成了發電。並且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外沒有其他的反應
，H2 suojuyoudehuaxuenengzhuanbianchengledianneng。danshijishang
，bansuizhedianjidefanyingcunzaiyidingdedianzu
，huiyinqilebufenrenengchansheng，youcijianshaolezhuanhuanchengdiannengdebili。 yinqizhexiefanyingdeyizudianchichengweizujian，chanshengdedianyatongchangdiyuyifu。yinci，weilehuodedadechulixucaiyongzujianduocengdiejiadebanfahuodegaodianyadui。zujianjiandedianqilianjieyijiranliaoqitihekongqizhijiandefenli，caiyonglechengzhiweigebande、上下兩麵中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應麵積成比。

單電極組裝示意圖

PAFC的電解質為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質為質子導電性聚合物係的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進反應，以Pt作為觸媒

，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應用中必須限製燃料氣體中含有的CO 量

，特別是對於低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限製。

磷酸型燃料電池基本組成和反應原理

磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣後送到改質器
，把燃料轉化成H2
、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2。經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應，借助觸媒劑的作用迅速產生電能和熱能。 相對PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒
，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用，而且還具有易於利用其高質量排氣構成聯合循環發電等特點。 MCFC主構成部件。含有電極反應相關的電解質（通常是為Li與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質在MCFC約600~700℃ 的工作溫度下呈現熔融狀態的液體，形成了離子導電體。電極為鎳係的多孔質體，氣室的形成采用抗蝕金屬。 MCFC工作原理。空氣極的O2（空氣）和CO2 與電相結合，生成CO23- （碳酸離子），電解質將CO23-移到燃料極側，與作為燃料供給的H+ 相結合，放出e-，同時生成H2O和CO2 。化學反應式如下： 燃料極：H2 + CO23- = H2O+2e- + CO2 （4） 空氣極：CO2 + 1/2O2 +2e-=CO23- （5） 全 體：H2 + 1/2O2 =H2O （6） 在這一反應中，e- 同在PAFC中的情況一樣

，它從燃料極被放出

，通過外部的回路反回到空氣極，由e- 在外部回路中不間斷的流動實現了燃料電池發電。另外
，MCFC的最大特點是，必須要有有助於反應的CO23-離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。並且，在電池內部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4 在電池內部改質
，在電池內部直接生成H2 的方法也已開發出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO 和H2O反應生成H2
，因此，可以等價地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力

，隔板通常采用Ni和不鏽鋼來製作。 SOFC是以陶瓷材料為主構成的，電解質通常采用ZrO2 (氧化鋯)，它構成了O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）作為穩定化的YSZ（穩定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ複合多孔體構成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3 (氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3 (氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同
，電解質之間熱膨脹差造成裂紋產生等，開發了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開發出了為避免應力集中的圓筒型。SOFC的反應式如下： 燃料極：H2 + O2- = H2O + 2e- （7） 空氣極：1/2O2 + 2e- =O2- （8） 全 體：H2 + 1/2O2 =H2O （9） 燃料極，H2 經電解質而移動，與O2- 反應生成H2O和e-。空氣極由O2和e- 生成O2-。全體同其他燃料電池一樣由H2 和O2 生成H2O。在SOFC中
，因其屬於高溫工作型
，因此，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內部將天然氣主成份CH4 改質成H2 加以利用，並且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。

表1 燃料電池的分類

類型 磷酸型燃料電池（PAFC） 熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC） 體氧化物型燃料電池（SOFC） 質子交換膜燃料電池（PEMFC） 燃料 煤氣、天然氣
、甲醇等 煤氣、天然氣、甲醇等 煤氣
、天然氣
、甲醇等 純H2、天然氣 電解質 磷酸水溶液 KliCO3溶鹽 ZrO2-Y2O3(YSZ) 離子(Na離子) 電極 陽極 多孔質石墨(Pt催化劑) 多孔質鎳(不要Pt催化劑) Ni-ZrO2金屬陶瓷(不要Pt催化劑) 多孔質石墨或Ni(Pt催化劑) 陰極 含Pt催化劑+多孔質石墨+Tefion 多孔NiO（摻鋰） LaXSr1-XMn(Co)O3 多孔質石墨或Ni(Pt催化劑) 工作溫度 ~200℃ ~650℃ 800~1000℃ ~100℃ 近20多年來，燃料電池經曆了堿性
、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發展階段，燃料電池的研究和應用正以極快的速度在發展。AFC已在宇航領域廣泛應用，PEMFC已廣泛作為交通動力和小型電源裝置來應用
，PAFC作為中型電源應用進入了商業化階段，MCFC也已完成工業試驗階段
，起步較晚的作為發電最有應用前景的SOFC已有幾十千瓦的裝置完成了數千小時的工作考核，相信隨著研究的深入還會有新的燃料電池出現。 美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料電池電廠、熔融碳酸鹽燃料電池電廠、質子交換膜燃料電池電廠作為示範。日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力部門使用，其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到"電站"階段。已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗，已就其效率

、可運行性和壽命進行了評估
，期望應用於城市能源中心或熱電聯供係統。日本同時建造的小型燃料電池發電裝置，已廣泛應用於醫院、飯店、賓館等。 3． 燃料電池發電係統 3.1. 利用天然氣的發電係統 MCFC需要供給的燃料氣體是H2
，它可由天然氣中的CH4 改質生成
，其反應在改質器中進行。改質器出口的溫度為600℃，符合MCFC的工作溫度

，可以原樣直接輸送到燃料極側。 另一方麵，空氣極側需要的O2通過空氣壓縮機供給。另一個反應因素CO2，空氣極側反應等量地再利用發電時燃料極產生的CO2。除了有CO2 外(wai)
，燃(ran)料(liao)極(ji)排(pai)出(chu)氣(qi)體(ti)還(hai)含(han)有(you)未(wei)反(fan)應(ying)的(de)可(ke)燃(ran)成(cheng)份(fen)，一(yi)起(qi)輸(shu)送(song)到(dao)改(gai)質(zhi)器(qi)的(de)燃(ran)燒(shao)器(qi)側(ce)，天(tian)然(ran)氣(qi)改(gai)質(zhi)所(suo)必(bi)需(xu)的(de)熱(re)量(liang)就(jiu)由(you)該(gai)燃(ran)燒(shao)熱(re)供(gong)給(gei)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，排(pai)出(chu)的(de)燃(ran)料(liao)氣(qi)體(ti)會(hui)含(han)有(you)過(guo)多(duo)的(de)H2O，將jiang影ying響xiang發fa熱re量liang，為wei此ci通tong常chang是shi先xian將jiang排pai出chu燃ran料liao氣qi體ti冷leng卻que

，將jiang水shui份fen濾lv去qu後hou再zai輸shu送song到dao改gai質zhi器qi的de燃ran燒shao側ce。從cong改gai質zhi器qi燃ran燒shao側ce出chu來lai的de氣qi體ti與yu來lai自zi壓ya縮suo機ji的de空kong氣qi相xiang混hun合he後hou供gong給gei空kong氣qi極ji側ce。 實際的電池因內部存在電阻會發熱
，故通過在空氣極側中流過的大量氧化氣體（陰極氣體，即含有O2
、CO2 的氣體）來除去其發生的熱。通常是按600℃供給的氣體在700℃下xia排pai出chu，這zhe一yi指zhi標biao可ke通tong過guo在zai空kong氣qi極ji側ce進jin行xing流liu量liang調tiao整zheng來lai控kong製zhi，為wei此ci采cai用yong陰yin極ji氣qi體ti的de再zai循xun環huan，即ji，空kong氣qi極ji側ce供gong給gei的de氣qi體ti為wei以yi改gai質zhi器qi燃ran燒shao排pai氣qi與yu部bu分fen空kong氣qi極ji側ce排pai出chu氣qi體ti的de混hun合he體ti
，為wei了le保bao持chi電dian池chi入ru口kou和he出chu口kou的de溫wen度du為wei最zui佳jia溫wen度du

，可ke將jiang再zai循xun環huan流liu量liang與yu外wai部bu供gong給gei的de空kong氣qi流liu量liang一yi起qi調tiao整zheng。 來lai自zi空kong氣qi極ji側ce的de排pai氣qi為wei高gao溫wen，送song入ru最zui終zhong的de膨peng脹zhang式shi透tou平ping
，進jin行xing動dong力li回hui收shou，作zuo為wei空kong氣qi壓ya縮suo動dong力li而er應ying用yong。剩sheng餘yu的de動dong力li
，由you發fa電dian機ji發fa電dian回hui收shou
，從cong而er可ke以yi提ti高gao整zheng套tao係xi統tong的de效xiao率lv。另ling外wai
，天tian然ran氣qi改gai質zhi所suo必bi需xu的deH2O（水蒸汽）可從排出的燃料氣體中回收的H2O來供給。 這種係統的效率可達55~60%。在整套出力中MCFC發電量份額占90%。絕大部分的發電量是由MCFC生產的。如果考慮到排氣形成的動力回收和若幹的附加發電，廣義上也可以稱為聯合發電。 在使用PAFC的情況下

，若以煤炭為燃料發電時就不容易了，采用天然氣時，其構成類似於MCFC機組，基本上是由電池本體發電。原因是PAFC排出氣體溫度較低，與其進行附加發電不如作為熱電聯產電源。 SOFC能和較高溫度的排氣體構成附加發電係統
，由於SOFC不需要CO2 的再循環等，結構簡單
，其發電效率可以達到50~60%。 3.2 利用煤炭的發電係統 以MCFC為例進行介紹。煤炭需經煤氣化裝置生成作為MCFC可用燃料的CO及H2，並在進入 MCFC前除去其中含有的雜質（微量的雜質就會構成對MCFC的惡劣影響），這種供給MCFC精製煤氣，其壓力通常高於MCFC的工作壓力

，在進入MCFC供氣前先經膨脹式渦輪機回收其動力。渦輪機出口氣體，經與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約700℃）相混合
，調整為對電池的適宜溫度（約600℃）。該(gai)陽(yang)極(ji)氣(qi)體(ti)的(de)再(zai)循(xun)環(huan)是(shi)，將(jiang)排(pai)出(chu)的(de)燃(ran)料(liao)氣(qi)體(ti)中(zhong)所(suo)含(han)的(de)未(wei)反(fan)應(ying)的(de)燃(ran)料(liao)成(cheng)分(fen)返(fan)回(hui)入(ru)口(kou)加(jia)以(yi)再(zai)利(li)用(yong)
，借(jie)以(yi)達(da)到(dao)提(ti)高(gao)燃(ran)料(liao)的(de)利(li)用(yong)率(lv)。向(xiang)空(kong)氣(qi)極(ji)側(ce)供(gong)給(gei)O2和CO2是通過空氣壓縮機輸出的空氣和排出燃料氣體相混合來完成的。但是，碳酸氣是采用觸媒燃燒器將未燃的H2 及CO變換成H2O和CO2後供給的。 實際的燃料電池，內部電阻會發熱，將通過在空氣極側流過的大量的氧化劑氣體（陰極氣體，即含有O2和CO2的氣體）而除去。通常通過調整空氣極側的流量，把以600℃供給的氣體在700℃排出。為此采用了陰極氣體再循環，使空氣極側的排氣形成約700℃的高溫。因此
，在這個循環回路中設置了熱交換器，將氣體溫度冷卻到600℃，形(xing)成(cheng)電(dian)池(chi)入(ru)口(kou)適(shi)宜(yi)的(de)溫(wen)度(du)，與(yu)來(lai)自(zi)觸(chu)媒(mei)燃(ran)燒(shao)器(qi)的(de)供(gong)給(gei)氣(qi)體(ti)相(xiang)混(hun)合(he)。空(kong)氣(qi)極(ji)側(ce)的(de)出(chu)入(ru)口(kou)溫(wen)度(du)，取(qu)決(jue)於(yu)再(zai)循(xun)環(huan)和(he)來(lai)自(zi)壓(ya)縮(suo)機(ji)的(de)供(gong)給(gei)空(kong)氣(qi)流(liu)量(liang)和(he)再(zai)循(xun)環(huan)回(hui)路(lu)中(zhong)的(de)熱(re)交(jiao)換(huan)量(liang)。 排熱回收係統（末級循環），shiyouliyongkongqijicepaiqidepengzhangshiwolunjiheliyongzhengqideqilunjifadianlaigoucheng。pengzhangshiwolunjiyuyasuojidexiangzuhe
，qishengyudongliyongyufadian。zhengqishiyoulaiziqixialiuderehuishouhemeiqihuazhuangzhiyijiyinjiqitizaixunhuanhuiluzhongdezhengqifashengqizhijiandezuhechansheng，xingchengqishuixunhuan。 這種機組的發電效率
，因煤氣化方式和煤氣精製方式等的不同而有若幹差異。利用煤係統SOFC其構成是複雜的。但若用管道氣就簡單多了，主要的是采用煤炭氣化係統造成的，其效率為45~55%。 4．我國燃料電池的發展狀況 我國的燃料電池研究始於1958年，原電子工業部天津電源研究所最早開展了MCFC的研究。70niandaizaihangtianshiyedetuidongxia，zhongguoranliaodianchideyanjiuzengchengxianchudiyicigaochao。qijianzhongguokexueyuandalianhuaxuewuliyanjiusuoyanzhichenggongdeliangzhongleixingdejianxingshimianmoxingqingyangranliaodianchixitong（千瓦級AFC）均通過了例行的航天環境模擬試驗。1990年中國科學院長春應用化學研究所承擔了中科院PEMFC的研究任務，1993年開始進行直接甲醇質子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業部哈爾濱電站成套設備研究所於1991年研製出由7個單電池組成的MCFC原理性電池。"八五"期間
，中科院大連化學物理研究所
、上海矽酸鹽研究所、化工冶金研究所 、清華大學等國內十幾個單位進行了與SOFC的有關研究。到90年代中期，由於國家科技部與中科院將燃料電池技術列入"九五"kejigongguanjihuadetuidong

，zhongguojinruleranliaodianchiyanjiudediergegaochao。zhizijiaohuanmoranliaodianchibeilieweizhongdian，yidalianhuaxuewuliyanjiusuoweiqiantoudanwei，zaizhongguoquanmiankaizhanlezhizijiaohuanmoranliaodianchidedianchicailiaoyudianchixitongdeyanjiu，bingzuzhuangleduotaibaiwa、1kW-2kW、5kW和25kW電池組與電池係統。5kW電池組包括內增濕部分其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。 我wo國guo科ke學xue工gong作zuo者zhe在zai燃ran料liao電dian池chi基ji礎chu研yan究jiu和he單dan項xiang技ji術shu方fang麵mian取qu得de了le不bu少shao進jin展zhan，積ji累lei了le一yi定ding經jing驗yan。但dan是shi
，由you於yu多duo年nian來lai在zai燃ran料liao電dian池chi研yan究jiu方fang麵mian投tou入ru資zi金jin數shu量liang很hen少shao
，就jiu燃ran料liao電dian池chi技ji術shu的de總zong體ti水shui平ping來lai看kan，與yu發fa達da國guo家jia尚shang有you較jiao大da差cha距ju。我wo國guo有you關guan部bu門men和he專zhuan家jia對dui燃ran料liao電dian池chi十shi分fen重zhong視shi，1996年和1998年nian兩liang次ci在zai香xiang山shan科ke學xue會hui議yi上shang對dui我wo國guo燃ran料liao電dian池chi技ji術shu的de發fa展zhan進jin行xing了le專zhuan題ti討tao論lun，強qiang調tiao了le自zi主zhu研yan究jiu與yu開kai發fa燃ran料liao電dian池chi係xi統tong的de重zhong要yao性xing和he必bi要yao性xing。近jin幾ji年nian我wo國guo加jia強qiang了le在zaiPEMFC方麵的研究力度。 2000年大連化學物理研究所與中科院電工研究所已完成30kW車用用燃料電池的全部試驗工作。北京富原公司也宣布
，2001年將提供40kW的中巴燃料電池，並接受訂貨。科技部副部長徐冠華一年前在EVS16 屆大會上宣布，中國將在 2000 年裝出首台燃料電池電動車。我國燃料電池的研究工作已表明：1.中國的質子交換膜燃料電池已經達到可以裝車的技術水平；2.大連化學物理研究所的質子交換膜燃料電池是具有我國自主知識產權的高技術成果
；3.在燃料電池研究方麵我國可以與世界發達國家進行競爭，而且在市場份額方麵，我國可以並且有能力占有一定比例。 但是我國在PAFC、MCFC、SOFC的研究方麵還有較大的差距
，目前仍處於研製階段。 此前參與燃料電池研究的有關概況如下： 4.1. PEMFC的研究狀況 我國最早開展PEMFC研製工作的是長春應用化學研究所，該所於1990年在中科院扶持下開始研究PEMFC
，工作主要集中在催化劑、電極的製備工藝和甲醇外重整器的研製,已製造出100W PEMFC樣機。1994年又率先開展直接甲醇質子交換膜燃料電池的研究工作。該所與美國CaseWesternReserve大學和俄羅斯氫能與等離子體研究所等建立了長期協作關係。 中國科學院大連化學物理所於1993年開展了PEMFC的研究,在電極工藝和電池結構方麵做了許多工作
，現已研製成工作麵積為140cm2的單體電池
，其輸出功率達0.35W /cm2。 清華大學核能技術設計院1993年開展了PEMFC的研究,研製的單體電池在0.7V時輸出電流密度為100mA/cm2，改進石棉集流板的加工工藝，並提出列管式PEMFC的設計
，該單位已與德國Karlsrube研究中心建立了一定的協作關係。 天津大學於1994年在國家自然科學基金會資助下開展了PEMFC的研究，主要研究催化劑和電極的製備工藝。 複旦大學在90年代初開始研製直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯並咪唑膜的製備和電極製備工藝。 廈門大學近年來與香港大學和美國的CaseWesternReserve大學合作開展了直接甲醇PEMFC的研究。 1994年，上海大學與北京石油大學合作研究PEMFC("八五"攻關項目)
，主要研究催化劑、電極、電極膜集合體的製備工藝。 北京理工大學於1995年在兵器工業部資助下開始了PEMFC的研究
，目前單體電池的電流密度為150mA/cm2。 中國科學院工程熱物理研究所於1994年開始研究PEMFC
，主營使用計算傳熱和計算流體力學方法對各種供氣
、增濕
、排熱和排水方案進行比較，提出改進的傳熱和傳質方案。 天津電源研究所1997年開始PEMFC的研究,擬從國外引進1.5kW的電池
，在解析吸收國外先進技術的基礎上開展研究。 華南理工大學於1997年初在廣東省佛山基金資助下開展了PEMFC的de研yan究jiu，與yu國guo家jia科ke委wei電dian動dong車che示shi範fan區qu建jian設she相xiang配pei合he作zuo了le一yi定ding的de研yan究jiu工gong作zuo。其qi天tian然ran氣qi催cui化hua轉zhuan化hua製zhi一yi氧yang化hua碳tan和he氫qing氣qi的de技ji術shu現xian已yi申shen請qing國guo家jia發fa明ming專zhuan利li。 中科院電工研究所最近開展了電動車用PEMFC係統工程和運行模式研究，擬與有色金屬研究院合作研究PEMFC/光伏電池(製氫)互補發電係統和從國外引進PEMFC裝置。 1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進行PEMFC的研製與開發，5kW的PEMFC樣機現已研製成功並開始接受訂貨。 4.2. MCFC的研究簡況 國內開展MCFC研究的單位不太多。哈爾濱電源成套設備研究所在80年代後期曾研究過MCFC
，90年代初停止了這方麵的研究工作。 1993年中國科學院大連化學物理研究所在中國科學院的資助下開始了MCFC的研究，自製LiAlO2微粉，用冷滾壓法和帶鑄法製備出MCFC用的隔膜，組裝了單體電池
，其性能已達到國際80年代初的水平。 90年代初，中國科學院長春應用化學研究所也開始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的製備方法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽極材料等方麵取得了很大進展。 北京科技大學於90年代初在國家自然科學基金會的資助下開展了MCFC的研究，主要研究電極材料與電解質的相互作用，提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。 中國科學院上海冶金研究所近年來也開始了MCFC的研究，主要著重於研究氧化鎳陰極與熔融鹽的相互作用。 1995年上海交通大學與長慶油田合作開始了MCFC的研究
，目標是共同開發5kW～10kW的MCFC。 中國科學院電工研究所在"八五"期間，考察了國外MCFC示範電站的係統工程
，調查了電站的運行情況，現已開展了MCFC電站係統工程關鍵技術的研究與開發。 4.3. SOFC的研究簡況 最早開展SOFC研究的是中國科學院上海矽酸鹽研究所他們在1971年就開展了SOFC的研究，主要側重於SOFC電極材料和電解質材料的研究。80年代在國家自然科學基金會的資助下又開始了SOFC的研究，係統研究了流延法製備氧化鋯膜材料

、陰極和陽極材料、單體SOFC結構等，已初步掌握了濕化學法製備穩定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術。 吉林大學於1989年在吉林省青年科學基金資助下開始對SOFC的電解質
、陽極和陰極材料等進行研究,組裝成單體電池
，通過了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計委和國家計委450萬元人民幣的資助
，先後研究了電極
、電解質、密封和聯結材料等,單體電池開路電壓達1.18V
，電流密度400mA/cm2，4個單體電池串聯的電池組能使收音機和錄音機正常工作。 1991年中國科學院化工冶金研究所在中國科學院資助下開展了SOFC的研究

，從研製材料著手,製成了管式和平板式的單體電池，功率密度達0.09W/cm2～0.12W/cm2

，電流密度為150mA/cm2～180mA/cm2
，工作電壓為0.60V～0.65V。1994年該所從俄羅斯科學院烏拉爾分院電化學研究所引進了20W～30W塊狀疊層式SOFC電池組,電池壽命達1200h。他們在分析俄羅斯疊層式結構、美國Westinghouse的管式結構和德國Siemens板ban式shi結jie構gou的de基ji礎chu上shang
，設she計ji了le六liu麵mian體ti式shi新xin型xing結jie構gou
，該gai結jie構gou吸xi收shou了le管guan式shi不bu密mi封feng的de優you點dian，電dian池chi間jian組zu合he采cai用yong金jin屬shu氈zhan柔rou性xing聯lian結jie，並bing可ke用yong常chang規gui陶tao瓷ci製zhi備bei工gong藝yi製zhi作zuo。 中國科學技術大學於1982年開始從事固體電解質和混合導體的研究
，於1992年在國家自然科學基金會和"863"計劃的資助下開始了中溫SOFC的研究。一種是用納米氧化鋯作電解質的SOFC，工作溫度約為450℃。另一種是用新型的質子導體作電解質的SOFC
，已獲得接近理論電動勢的開路電壓和200mA/cm2的電流密度。此外,他們正在研究基於多孔陶瓷支撐體的新一代SOFC。 清華大學在90年代初開展了SOFC的研究

，他們利用緩衝溶液法及低溫合成環境調和性新工藝成功地合成了固體電解質
、空氣電極、燃料電極和中間聯結電極材料的超細粉,並開展了平板型SOFC成型和燒結技術的研究,取得了良好效果。 華南理工大學於1992年在國家自然科學基金會、廣東省自然科學基金、汕頭大學李嘉誠科研基金
、廣東佛山基金共一百多萬元的資助下開始了SOFC的研究,組裝的管狀單體電池，用甲烷直接作燃料,最大輸出功率為4mW/cm2，電流密度為17mA/cm2，連續運轉140h，電池性能無明顯衰減。 中國科學院山西煤炭化學研究所在1994年開始SOFC研究，用超細氧化鋯粉在1100℃下燒結製成穩定和致密的氧化鋯電解質。該所從80年(nian)代(dai)初(chu)開(kai)始(shi)煤(mei)氣(qi)化(hua)熱(re)解(jie)的(de)研(yan)究(jiu)，以(yi)提(ti)供(gong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)氣(qi)源(yuan)。煤(mei)的(de)灰(hui)熔(rong)聚(ju)氣(qi)化(hua)過(guo)程(cheng)已(yi)進(jin)入(ru)工(gong)業(ye)性(xing)試(shi)驗(yan)階(jie)段(duan)，正(zheng)在(zai)鎮(zhen)江(jiang)市(shi)建(jian)立(li)工(gong)業(ye)示(shi)範(fan)裝(zhuang)置(zhi)。該(gai)所(suo)還(hai)開(kai)展(zhan)了(le)使(shi)煤(mei)氣(qi)化(hua)熱(re)解(jie)的(de)煤(mei)氣(qi)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)脫(tuo)硫(liu)除(chu)塵(chen)和(he)甲(jia)醇(chun)脫(tuo)氫(qing)生(sheng)產(chan)合(he)成(cheng)氣(qi)的(de)研(yan)究(jiu)
，合(he)成(cheng)氣(qi)中(zhong)CO和H2的比例為1∶2，已有成套裝置出售。 中國科學院大連化學物理所於1994年開展了SOFC的研究工作，在電極和電解質材料的研究上取得了可喜的進展。 中國科學院北京物理所於1995年在國家自然科學基金會的資助下
，開展了用於SOFC的新型電解質和電極材料的基礎性研究。 5．國外燃料電池發展狀況 發(fa)達(da)國(guo)家(jia)都(dou)將(jiang)大(da)型(xing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)開(kai)發(fa)作(zuo)為(wei)重(zhong)點(dian)研(yan)究(jiu)項(xiang)目(mu)，企(qi)業(ye)界(jie)也(ye)紛(fen)紛(fen)斥(chi)以(yi)巨(ju)資(zi)，從(cong)事(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)與(yu)開(kai)發(fa)，現(xian)在(zai)已(yi)取(qu)得(de)了(le)許(xu)多(duo)重(zhong)要(yao)成(cheng)果(guo)，使(shi)得(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)即(ji)將(jiang)取(qu)代(dai)傳(chuan)統(tong)發(fa)電(dian)機(ji)及(ji)內(nei)燃(ran)機(ji)而(er)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)發(fa)電(dian)及(ji)汽(qi)車(che)上(shang)。值(zhi)得(de)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)這(zhe)種(zhong)重(zhong)要(yao)的(de)新(xin)型(xing)發(fa)電(dian)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)大(da)大(da)降(jiang)低(di)空(kong)氣(qi)汙(wu)染(ran)及(ji)解(jie)決(jue)電(dian)力(li)供(gong)應(ying)、電網調峰問題
，2MW、4.5MW、11MWchengtaoranliaodianchifadianshebeiyijinrushangyehuashengchan
，gedengjideranliaodianchifadianchangxiangjizaiyixiefadaguojiajiancheng。ranliaodianchidefazhanchuangxinjiangrubainianqianneiranjijishutupoqudairenlizaochenggongyegeming
，yexiangdiannaodefamingpujiqudairenlideyunsuanhuitujiwenshuchulidediannaogeming，youruwangluotongxundefazhangaibianlerenmenshenghuoxiguandexinxigeming。ranliaodianchidegaoxiaolv、無汙染、建設周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環保的綠色革命。如今
，在北美、日本和歐洲，燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規模應用的階段
，將成為21世紀繼火電
、水電、核電後的第四代發電方式。燃料電池技術在國外的迅猛發展必須引起我們的足夠重視
，現在它已是能源、電力行業不得不正視的課題。 5.1．磷酸型燃料電池(PAFC) 受1973年世界性石油危機以及美國PAFC研發的影響，日本決定開發各種類型的燃料電池，PAFC作為大型節能發電技術由新能源產業技術開發機構（NEDO）進行開發。自1981年起，進行了1000kW現場型PAFC發電裝置的研究和開發。1986年又開展了200kW現場性發電裝置的開發

，以適用於邊遠地區或商業用的PAFC發電裝置。 富士電機公司是目前日本最大的PAFC電池堆供應商。截至1992年，該公司已向國內外供應了17套PAFC示範裝置，富士電機在1997年3月完成了分散型5MW設備的運行研究。作為現場用設備已有50kW
、100kW及500kW總計88種設備投入使用。下表所示為富士電機公司已交貨的發電裝置運行情況，到1998年止有的已超過了目標壽命4萬小時。

表 現場用PAFC燃料電池的運行情況

容量 台數 累計運行時間 最長累計 最長連續 >1萬h >2萬h >3萬h 50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4 100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3 500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0 東芝公司從70年代後半期開始，以分散型燃料電池為中心進行開發以後，將分散電源用11MW機以及200kW機形成了係列化。11MW機是世界上最大的燃料電池發電設備，從1989年開始在東京電力公司五井火電站內建造，1991年3月初發電成功後，直到1996年5月進行了5年多現場試驗，累計運行時間超過2萬小時，在額定運行情況下實現發電效率43.6%。在小型現場燃料電池領域
，1990年東芝和美國IFC公司為使現場用燃料電池商業化，成立了ONSI公司
，以後開始向全世界銷售現場型200kW設備"PC25"係列。PC25係列燃料電池從1991年末運行，到1998年4月，共向世界銷售了174台。其中安裝在美國某公司的一台機和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號機，累計運行時間相繼突破了4萬小時。從燃料電池的壽命和可靠性方麵來看，累計運行時間4萬h是燃料電池的長遠目標。東芝ONSI已完成了正式商用機PC25C型的開發，早已投放市場。PC25C型作為21世紀新能源先鋒獲得日本通商產業大獎。從燃料電池商業化出發，該設備被評價為具有高先進性、可靠性以及優越的環境性設備。它的製造成本是$3000/kW

，近期將推出的商業化PC25D型設備成本會降至$1500/kW，體積比PC25C型減少1/4，質量僅為14t。明年即2001年，我國就將迎來第一座PC25C型燃料電池電站，它主要由日本的MITI（NEDO）資助的
，這將是我國第一座燃料電池發電站。 PAFC作為一種中低溫型（工作溫度180-210℃）燃料電池，不但具有發電效率高、清潔、無噪音等特點
，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。下表給出先進的ONSI公司PC25C型200kW PAFC的主要技術指標。最初開發PAFC是為了控製發電廠的峰穀用電平衡
，近來則側重於作為向公寓、購物中心
、醫院、賓館等地方提供電和熱的現場集中電力係統。

表 ONSI公司PC25C型PAFC主要技術指標

電力輸出 發電效率 燃料 質量 排熱利用 環境狀況NOX 體積 200kW 40% 城市煤氣 27.3t 42% 10×10^-6 3×3×5.5 PAFC用於發電廠包括兩種情形：分散型發電廠，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發電廠，容量在100MW以上，可以作為中等規模熱電廠。PAFC電廠比起一般電廠具有如下優點：即使在發電負荷比較低時
，依然保持高的發電效率
；由於采用模塊結構，現場安裝簡單
，省時，並且電廠擴容容易。 下圖為ONSI PC25C型電站：

5.2．質子交換膜燃料電池(PEMFC) 著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技術上全球領先

，現在它的應用領域從交通工具到固定電站
，其子公司Ballard Generation System被認為在開發
、生產和市場化零排放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位。Ballard Generation System 最初產品是250kW燃料電池電站
，其基本構件是Ballard燃料電池
，利用氫氣（由甲醇、天然氣或石油得到）、氧氣（由空氣得到）不燃燒地發電。Ballard公司正和世界許多著名公司合作以使Ballard Fuel Cell 商業化。Ballard Fuel Cell 已經用於固定發電廠：由Ballard Generation System，GPU International Inc.，Alstom SA 和 EBARA公司共同組建了Ballard Generation System，共同開發千瓦級以下的燃料電池發電廠。經過5年的開發，第一座250kW發電廠於1997年8月成功發電
，1999年9月送至Indiana Cinergy
，經過周密測試、評估，並提高了設計的性能、降低了成本
，這導致了第二座電廠的誕生，它安裝在柏林，250kW輸出功率
，也是在歐洲的第一次測試。很快Ballard公司的第三座250kW電廠也在2000年9月安裝在瑞士進行現場測試
，緊接著
，在2000年10月通過它的夥伴EBARA Ballard 將第四座燃料電池電廠安裝在日本的NTT公司，向亞洲開拓了市場。在不同地區進行的測試將大大促進燃料電池電站的商業化。第一個早期商業化電廠將在2001年底麵市。下圖是安裝在美國Cinergy的Ballard燃料電池裝置，目前正在測試：

下圖是安裝在柏林的250kW PEMFC燃料電池電站：

在美國，Plug Power公司是最大的質子交換膜燃料電池開發公司，他們的目標是開發、製造適合於居民和汽車用經濟型燃料電池係統。1997年，Plug Power 模塊第一個成功地將汽油轉變為電力。最近

，Plug Power 公司開發出它的專利產品Plug Power 7000居民家用分散型電源係統。商業產品在2001年初推出。家用燃料電池的推出將使核電站、燃氣發電站麵臨挑戰，為了推廣這種產品，1999年2月
，Plug Power 公司和GE MicroGen成立了合資公司，產品改稱GE HomeGen 7000，由 GE MicroGen 公司負責全球推廣。此產品將提供7kW的持續電力。GE/Plug公司宣稱其2001年初售價為$1500/kW。他們預計5年後，大量生產的燃料電池售價將降至$500/kW。假設有20萬戶家庭各安裝一個7kWdejiayongranliaodianchifadianzhuangzhi，qizonghejiangjiejinyigehedianjizuderongliang，zhezhongfensanxingfadianxitongkeyongyujianfengyongdiandegonggei
，youyinfensanshixitongshejizengjialedianlidewendingxing，jishishaoshuchuxianleguzhang
，danzhenggefadianxitongyirannengzhengchangyunzhuan。 在Ballard公司的帶動下
，許多汽車製造商參加了燃料電池車輛的研製
，例如：Chrysler (克萊斯勒)
、Ford(福特)、GM(通用)
、Honda (本田)、Nissan (尼桑)
、Volkswagen AG(大眾)和Volvo(富豪)等
，它們許多正在使用的燃料電池都是由Ballard公司生產的
，同時，它們也將大量的資金投入到燃料電池的研製當中，克萊斯勒公司最近給Ballard公司注入4億5千萬加元用於開發燃料電池汽車

，大大的促進了PEMFC的發展。1997年，Toyota公司就製成了一輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車，它由一個25kW的燃料電池和輔助幹電池一起提供了全部 50kW的能量
，最高時速可以達到 125km/h，行程可達500km。目mu前qian這zhe些xie大da的de汽qi車che公gong司si均jun有you燃ran料liao電dian池chi開kai發fa計ji劃hua
，雖sui然ran現xian在zai燃ran料liao電dian池chi汽qi車che商shang業ye化hua的de時shi機ji還hai未wei成cheng熟shu
，但dan幾ji家jia公gong司si已yi確que定ding了le開kai始shi批pi量liang生sheng產chan的de時shi間jian表biao，Daimler-Benz公司宣布，到2004年將年產40000輛燃料電池汽車。因而未來十年，極有可能達到100000輛燃料電池汽車。 PEMFC是一種新型、有遠大前途的燃料電池
，經過從80年代初到現在的近20年的發展，質子交換膜燃料電池起了翻天覆地的變化。這種變化從其膜電極的演變過程可見一斑。膜電極是PEMFC的電化學心髒
，正是因為它的變化

，才使得PEMFC呈現了今天的蓬勃生機。早期的膜電極是直接將鉑黑與起防水、粘結作用的Tefion微粒混合後熱壓到質子交換膜上製得的。Pt載量高達10mg/cm2。後來
，為增加Pt的利用率
，使用了Pt/C催化劑
，但Pt的利用率仍非常低，直到80年代中期
，PEMFC膜電極的Pt載量仍高達4mg/cm2。80年代中後期，美國Los Alamos 國家實驗室（LANL）提出了一種新方法，采用Nafion質子交換聚合物溶液浸漬Pt/C多孔氣體擴散電極，再熱壓到質子交換膜上形成膜電極。此法大大提高了Pt的利用率，將膜電極的載鉑量降到了0.4mg/cm2。1992年，LANL對該法進行了改進，使膜電極的Pt載量進一步降低到0.13 mg/cm2。1995年印度電化學能量研究中心（CEER）采用噴塗浸漬法製得了Pt載量為0.1 mg/cm2的膜電極

，性能良好。據報道，現在LANL試驗的一些單電池中，膜電極上鉑載量已降到0.05mg/cm2。膜電極上鉑載量的減少，直接可以使燃料電池的成本降低
，這就為其商品化的實現準備了條件。 5.3．熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 50年代初

，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於其可以作為大規模民用發電裝置的前景而引起了世界範圍的重視。在這之後，MCFC發展的非常快，它在電池材料、工藝
、結構等方麵都得到了很大的改進，但電池的工作壽命並不理想。到了80年代，它已被作為第二代燃料電池，而成為近期實現兆瓦級商品化燃料電池電站的主要研究目標，研製速度日益加快。現在MCFC的主要研製者集中在美國
、日本和西歐等國家。預計2002年將商品化生產。 美國能源部（DOE）去年已撥給固定式燃料電池電站的研究費用4420萬美元，而其中的2/3將用於MCFC的開發，1/3用於SOFC的開發。美國的MCFC技術開發一直主要由兩大公司承擔，ERC（Energy Research Corporation）（現為Fuel Cell Energy Inc.）和M-C Power公司。他們通過不同的方法建造MCFC堆。兩家公司都到了現場示範階段：ERC1996年已進行了一套設於加州聖克拉拉的2MW的MCFC電站的實證試驗，目前正在尋找3MW裝置試驗的地點。ERC的MCFC燃料電池在電池內部進行無燃氣的改質
，而不需要單獨設置的改質器。根據試驗結果
，ERC對電池進行了重新設計，將電池改成250kW單電池堆，而非原來的125kW堆，這樣可將3MW的MCFC安裝在0.1英畝的場地上

，從而降低投資費用。ERC預計將以$1200/kW的設備費用提供3MW的裝置。這與小型燃氣渦輪發電裝置設備費用$1000/kW接近。但小型燃氣發電效率僅為30%
，並且有廢氣排放和噪聲問題。與此同時，美國M-C Power 公司已在加州聖迭戈的海軍航空站進行了250kW裝置的試驗
，現在計劃在同一地點試驗改進75kW裝置。M-C Power公司正在研製500kW模塊
，計劃2002年開始生產。 日本對MCFC的研究，自1981年"月光計劃"時開始，1991年後轉為重點，每年在燃料電池上的費用為12-15億美元，1990年政府追加2億美元，專門用於MCFC的研究。電池堆的功率1984年為1kW，1986年為10kW。日本同時研究內部轉化和外部轉化技術，1991年
，30kW級間接內部轉化MCFC試運轉。1992年50-100kW級試運轉。1994年，分別由日立和石川島播磨重工完成兩個100kW
、電極麵積1m2
，加壓外重整MCFC。另外由中部電力公司製造的1MW外重整MCFC正在川越火力發電廠安裝，預計以天然氣為燃料時
，熱電效率大於45%
，運行壽命大於5000h。由三菱電機與美國ERC合作研製的內重整30kW MCFC 已運行了10000h。三洋公司也研製了30kW內重整MCFC。目前，石川島播磨重工有世界上最大麵積的MCFC燃料電池堆，試驗壽命已達13000h。日本為了促進MCFC的開發研究，於1987年成立了MCFC研究協會
，負責燃料電池堆運轉
、電廠外圍設備和係統技術等方麵的研究
，現在它已聯合了14個單位成為日本研究開發主力。 歐洲早在1989年就製定了1個Joule計劃，目標是建立環境汙染小

、可分散安裝、功率為200MW的"第二代"電廠，包括MCFC、SOFC和PEMFC三種類型
，它將任務分配到各國。進行MCFC研究的主要有荷蘭、意大利、德國
、丹麥和西班牙。荷蘭對MCFC的研究從1986年已經開始，1989年已研製了1kW級電池堆，1992年對10kW級外部轉化型與1kW級內部轉化型電池堆進行試驗，1995年對煤製氣與天然氣為燃料的2個250kW係統進行試運轉。意大利於1986年開始執行MCFC國家研究計劃，1992-1994年研製50-100kW電池堆，意大利Ansodo與IFC簽定了有關MCFC技術的協議，已安裝一套單電池（麵積1m2）自動化生產設備，年生產能力為2-3MW，可擴大到6-9MW。德國MBB公司於1992年完成10kW級外部轉化技術的研究開發，在ERC協助下，於1992年-1994年進行了100kW級與250kW級電池堆的製造與運轉試驗。現在MBB公司擁有世界上最大的280kW電池組體。 資料表明，MCFC與其他燃料電池比有著獨特優點： a． 發電效率高 比PAFC的發電效率還高； b． 不需要昂貴的白金作催化劑，製造成本低； c． 可以用CO作燃料
； d． 由於MCFC工作溫度600-1000℃，排出的氣體可用來取暖，也可與汽輪機聯合發電。若熱電聯產

，效率可提高到80%； e． 中小規模經濟性 與幾種發電方式比較，當負載指數大於45%時
，MCFC發電係統成本最低。與PAFC相比，雖然MCFC起始投資高，但PAFC的燃料費遠比MCFC高。當發電係統為中小規模分散型時
，MCFC的經濟性更為突出； f． MCFC的結構比PAFC簡單。 5.4．固體氧化物燃料電池(SOFC) SOFC由用氧化釔穩定氧化鋯（YSZ）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質和由多孔質給電子通電的燃料和空氣極構成。空氣中的氧在空氣極/電(dian)解(jie)質(zhi)界(jie)麵(mian)被(bei)氧(yang)化(hua)，在(zai)空(kong)氣(qi)燃(ran)料(liao)之(zhi)間(jian)氧(yang)的(de)分(fen)差(cha)作(zuo)用(yong)下(xia)，在(zai)電(dian)解(jie)質(zhi)中(zhong)向(xiang)燃(ran)料(liao)極(ji)側(ce)移(yi)動(dong)，在(zai)燃(ran)料(liao)極(ji)電(dian)解(jie)質(zhi)界(jie)麵(mian)和(he)燃(ran)料(liao)中(zhong)的(de)氫(qing)或(huo)一(yi)氧(yang)化(hua)碳(tan)反(fan)應(ying)，生(sheng)成(cheng)水(shui)蒸(zheng)氣(qi)或(huo)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)
，放(fang)出(chu)電(dian)子(zi)。電(dian)子(zi)通(tong)過(guo)外(wai)部(bu)回(hui)路(lu)
，再(zai)次(ci)返(fan)回(hui)空(kong)氣(qi)極(ji)
，此(ci)時(shi)產(chan)生(sheng)電(dian)能(neng)。 SOFC的特點如下： 由於是高溫動作（600-1000℃），通過設置底麵循環，可以獲得超過60%效率的高效發電。 由於氧離子是在電解質中移動，所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。 由於電池本體的構成材料全部是固體，所以沒有電解質的蒸發、流淌。另外，燃料極空氣極也沒有腐蝕。動作溫度高，可以進行甲烷等內部改質。 與其他燃料電池比，發電係統簡單
，可以期望從容量比較小的設備發展到大規模設備，具有廣泛用途。 在固定電站領域，SOFC明顯比PEMFC有優勢。SOFC很少需要對燃料處理，內部重整、內部熱集成
、內部集合管使係統設計更為簡單，而且，SOFC與燃氣輪機及其他設備也很容易進行高效熱電聯產。下圖為西門子-西屋公司開發出的世界第一台SOFC和燃氣輪機混合發電站，它於2000年5月安裝在美國加州大學，功率220kW
，發電效率58%。未來的SOFC/燃氣輪機發電效率將達到60-70%。

被稱為第三代燃料電池的SOFC正在積極的研製和開發中，它是正在興起的新型發電方式之一。美國是世界上最早研究SOFC的國家，而美國的西屋電氣公司所起的作用尤為重要
，現已成為在SOFC研究方麵最有權威的機構。 早在1962年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料
，在SOFC試驗裝置上獲得電流
，並指出烴類燃料在SOFC內必須完成燃料的催化轉化與電化學反應兩個基礎過程，為SOFC的發展奠定了基礎。此後10年間
，該公司與OCR機構協作，連接400個小圓筒型ZrO2-CaO電解質
，試製100W電池，但此形式不便供大規模發電裝置應用。80年代後，為了開辟新能源，緩解石油資源緊缺而帶來的能源危機，SOFC研究得到蓬勃發展。西屋電氣公司將電化學氣相沉積技術應用於SOFC的電解質及電極薄膜製備過程，使電解質層厚度減至微米級
，電池性能得到明顯提高
，從而揭開了SOFC的研究嶄新的一頁。80年代中後期，它開始向研究大功率SOFC電池堆發展。1986年，400W管式SOFC電池組在田納西州運行成功。1987年，又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了3kW級列管式SOFC發電機組

，成功地進行連續運行試驗長達 5000h，標誌著SOFC研究從實驗研究向商業發展。進入90年代DOE機構繼續投資給西屋電氣公司 6400餘萬美元，旨在開發出高轉化率

、2MW級的SOFC發電機組。1992年兩台25kW管型SOFC分別在日本大阪、美國南加州進行了幾千小時實驗運行。從1995年起，西屋電氣公司采用空氣電極作支撐管，取代了原先CaO穩定的ZrO2支撐管
，簡化了SOFC的結構 ,使電池的功率密度提高了近3倍。該公司為荷蘭Utilies公司建造100kW管式SOFC係統，能量總利用率達到 75%，已經正式投入使用。目前，Siemens Westinghouse 宣布有兩座250kW SOFC示範電廠很快將在挪威和加拿大的多倫多附近建成。下圖為西屋公司在荷蘭安裝的SOFC示範電廠，它可以提供110kW的電力和64kW的熱，發電效率達到46%，運行14000h。

另外，美國的其它一些部門在SOFC方麵也有一定的實力。位於匹茲堡的PPMF是SOFC技術商業化的重要生產基地，這裏擁有完整的SOFC電池構件加工、電池裝配和電池質量檢測等設備
，是目前世界上規模最大的SOFC技術研究開發中心。1990年，該中心為美國DOE製造了20kW級SOFC裝置

，該裝置采用管道煤氣為燃料，已連續運行了1700多小時。與此同時
，該中心還為日本東京和大阪煤氣公司
、關西電力公司提供了兩套25kW級SOFC試驗裝置，其中一套為熱電聯產裝置。另外美國阿爾貢國家實驗室也研究開發了疊層波紋板式SOFC電池堆
，並開發出適合於這種結構材料成型的澆注法和壓延法。使電池能量密度得到顯著提高，是比較有前途的SOFC結構。 在日本，SOFC研究是"月光計劃"的一部分。早在1972年，電子綜合技術研究所就開始研究SOFC技術，後來加入"月光計劃"研究與開發行列，1986年研究出500W圓管式SOFC電池堆，並組成1.2kW發電裝置。東京電力公司與三菱重工從1986年12月開始研製圓管式SOFC裝置
，獲得了輸出功率為35W的單電池，當電流密度為200mA/cm2時
，電池電壓為0.78V
，燃料利用率達到58%。1987年7月，電源開發公司與這兩家公司合作，開發出1kW圓管式SOFC電池堆，並連續試運行達1000h，最大輸出功率為1.3kW。關西電力公司
、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機構則從美國西屋電氣公司引進3kW及2.5kW圓管式SOFC電池堆進行試驗
，取得了滿意的結果。從1989年起，東京煤氣公司還著手開發大麵積平板式SOFC裝置
，1992年6月完成了100W平板式SOFC裝置

，該電池的有效麵積達400cm2。現Fuji與Sanyo公司開發的平板式SOFC功率已達到千瓦級。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從1990年起對疊層波紋板式SOFC係統進行研究和綜合評價
，研製出406W試驗裝置
，該裝置的單電池有效麵積達到131cm2。 在歐洲早在70年代，聯邦德國海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質結構的SOFC發電裝置
，單電池運行性能良好。80年代後期，在美國和日本的影響下，歐共體積極推動歐洲的SOFC的商業化發展。德國的Siemens
、Domier GmbH及ABB研究公司致力於開發千瓦級平板式SOFC發電裝置。Siemens公司還與荷蘭能源中心 (ECN)合作開發開板式SOFC單電池，有效電極麵積為67cm2。ABB研究公司於1993年研製出改良型平板式千瓦級SOFC發電裝置，這種電池為金屬雙極性結構，在800℃下進行了實驗，效果良好。現正考慮將其製成25～100kW級SOFC發電係統，供家庭或商業應用。

表 燃料電池的分類及技術比較

燃料電池 電解質 工作溫度 電化學反應式 PEMFC 固體有機膜 60-100℃ 陽極：H2→2H++2e 陰極：1/2O2+2H+ +2e →H2O PAFC H3PO4 175-200℃ 陽極：H2→2H+ +2e 陰極：1/2O2+ 2H+ +2e→H2O MCFC （Li、Na、K）2CO3 600-1000℃ 陽極：H2+CO32－→H2O+CO2+2e 陰極：1/2O2+ CO2+2e→CO32－ SOFC YSZ（用Y2O3穩定的ZrO2） 600-1000℃

陽極：H2+O2－→H2O+2e 陰極：1/2O2+2e→O2－ 6．燃料資源評估 燃料電池運行時必須使用流動性好的氣體燃料。低溫燃料電池要用氫氣，高溫燃料電池可以直接使用天然氣、煤氣。這種燃料的前景如何呢？我國的天然氣儲量是十分豐富的，現已探明陸地上儲量為1.9萬億m3
，專家認為我國已探明天然氣儲量為30萬億m3。我國還將利用豐富的鄰國天然氣資源，俄羅斯西西伯利亞已探明天然氣儲量為38.6萬億m3
，可向我國年供氣200~300億m3 ；俄羅斯的東西伯利亞已探明天然氣儲量3.13萬億m3 ，可向我國年供氣100~200億m3
；俄遠東地區、薩哈林島探明天然氣儲量1萬億m3，可向我國東北年供氣100億m3 以上。中亞地區的哈薩克斯坦
、烏茲別克斯坦和土庫曼斯坦三國探明的天然氣儲量6.77萬億m3，可向外供氣300億m3。我國規劃在2010年以前鋪設天然氣管線9000km，屆時有望在全國形成"兩縱、兩橫
、四樞紐
、五氣庫"的格局，形成可靠的供氣係統。其中的兩縱是南北的輸氣幹線，即薩哈林島--大慶--沈陽幹線和伊爾庫茨克--北京--日照--上海輸氣幹線。目前我國的生產能力約為300億m3/a， 2010年為700億m3，2020年為1000～1100億m3。天然氣主要成分為CH4（占90%左右），熱值高（每立方米天然氣熱值為8600～9500千卡），便於運輸
，在3000公裏的距離內運用管道輸送都是十經濟的。 我國還可利用的液化天然氣（LNG）資源也是十分可觀的，可向中國立即提供LNG的國家有印度尼西亞
、馬來西亞、卡塔爾等國。 我國的煤層氣也十分豐富，陸上深埋2000米以內淺的煤層氣資源量為32~35萬億m3 ，多於陸上天然氣資源量（30萬億m3），位於世界前列。 另外作為後續資源，我國已發現在南海、東海深處有大量的天然氣水合物，其資源量為700億噸石油當量。目前已有多個科研機構正在研究其開采利用的技術。 半個世紀以來，世界大多數國家時早以完成了由煤炭時代向石油時代的轉換，正在向石油、天然氣時代過度。如1950年在世界能源結構中煤炭所占的比例為57.5%
，而到1996年則下降為26.9%
，天然氣占23.5% 石油占39% 兩者共占63%。能源界預測目前的消費量

，石油隻能再用20年，而天然氣則可用100年，為此稱21世紀是"天然氣世紀"。我國的能源工業也必將跟上世界能源消費潮流。 另外由於環保的需要和IGCC技術的推動

，煤的大型氣化裝置技術已經過關。煤炭部門的有關專家介紹，目前的技術完全可以把煤轉換為氫氣，轉換效率可達80%，供給燃料電池作燃料，其效率要比常規熱動力裝置效率高得多。 我國有大量的生物資源（薪材3000萬噸
、秸杆45000萬噸、稻殼1500萬噸
、垃圾1.6億噸等）
，這種密度低分散度高資源可以轉換成沼氣或人工煤氣或甲醇供分散的、小型高效的燃料電池使用。如廣東番禺正在建設使用養豬場沼氣的燃料電池電站。 我國在合成氨工業中
，氫的年回收量可達到14億m3
；在氯堿工業中有0.37億m3的氫可供回收利用。此外，在冶金工業、發酵製酒及丁醇溶劑廠等生產過程中都有大量氫可回收。上述各類工業副產氫的可回收總量，估計可達到15億m3以上。 從長遠發展看，小型、高效、靈活、分散的PEMFC、PAFC發電與集中高溫型MCFC和SOFC係統均是有燃料保證的。 7．燃料電池發電的經濟性 燃料電池是一種正在逐步完善的能源利用方式。其投資正在不斷的降低，目前PEMFC的國外商業價格為$1500/kW
，PAFC的價格為$3000/kW。國內富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價格為10000元/kW。其他燃料電池國內暫無商業產品。 燃料電池發電與常規的火電投資比較不能單考慮電源投資，還應將長距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉換裝置的效率考慮在內。如此來計算綜合投資大型的火電廠每千瓦約為1.3~1.5萬元。發電消耗的燃料為燃料電池的兩倍以上，按目前國內天然氣最低市價（產地市價人民幣1元/m3）計算，當發電時間超過70000hyihou，yongranliaodianchifadianjiangbiyongchuantongderejifadiangengjingji。zaishijifadiangongchengzhonghaiyingkaolvchuantongderejifadianzhandimianjida，huanjingwuranzhongdewenti。suizheranliaodianchifadianjishudebuduanwanshan，zaojiajiangbuduandejiangdi，tebieshizaiguimohuashengchanhou，qizaojiajiangdafududexiajiang，youliyouxiangxin，bujiudejianglaizhezhongfadianfangshihuiduichuantongrejifadiangouchengtiaozhan。 最近國際上一些學者和國際組織認為：大容量、高參數機組發電，超高壓、大da電dian網wang遠yuan距ju離li送song電dian的de集ji中zhong供gong電dian是shi一yi些xie工gong業ye發fa達da國guo家jia過guo去qu走zou過guo的de道dao路lu。目mu前qian的de情qing況kuang正zheng在zai發fa生sheng變bian化hua，較jiao分fen散san的de發fa電dian站zhan的de出chu現xian，再zai加jia上shang對dui改gai善shan能neng源yuan投tou資zi的de選xuan擇ze，傳chuan統tong的de觀guan念nian變bian得de過guo時shi了le。1999年在布魯塞爾成立的國際熱電聯產（ICA）組織聲稱："其實旨是推動世界範圍內的清潔、高效
、分散的電力生產，它預言這是下一個世紀電力工業的方向" 。隨著小型分散的熱電廠、燃料電池發電
、風力發電

、太陽能發電
、生sheng物wu質zhi能neng發fa電dian等deng的de出chu現xian和he增zeng加jia，當dang今jin的de電dian力li係xi統tong將jiang發fa生sheng很hen大da的de轉zhuan變bian。超chao大da型xing的de電dian站zhan與yu分fen散san微wei型xing電dian站zhan的de結jie合he可ke以yi減jian少shao在zai輸shu配pei電dian線xian路lu上shang的de投tou資zi，會hui使shi得de電dian力li係xi統tong更geng安an全quan更geng經jing濟ji。一yi個ge目mu前qian擁yong有you50gefadianchangdedianligongsizaiweilairuogannianneihuiyoujiqiangeshenzhijiwangeweixingdianzhanyuzhixianglian。zhezhongdianliwangluoleisiyumuqiandejisuanjiwangluo，shaoshudejitaizhujiyuzhongduodePC機相連。這種電網會使得各種能源得到更好利用和配置，這種變化將要求未來的電力係統運行方式有一個重大的變革。 將jiang來lai的de電dian網wang係xi統tong可ke能neng是shi現xian有you的de大da電dian網wang和he中zhong小xiao燃ran料liao電dian池chi共gong存cun狀zhuang態tai。因yin為wei大da電dian網wang有you其qi優you越yue性xing的de同tong時shi，也ye存cun在zai著zhe缺que陷xian

，如ru高gao電dian壓ya長chang距ju離li輸shu電dian將jiang有you6-8%的損失。而分散的中小型燃料電池電站可以在許多地點建立，可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為3%）
，同時也為電網調峰做出了貢獻。中小型分散式電力係統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化。根據專家計算
，一條直徑為0.91米的輸氫管道用於950-1600公裏輸氫其所輸能量約相當於50萬伏高壓輸電線路輸送能量的的10倍以上
，而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線路的1/2-1/4，日常運行維護也比輸電線路低得多。在美國這樣的電力工業已很發達的國家
，將來對燃料電池的市場需要約為17000兆瓦以上，即中小型分散配置
，有其獨特的優越性。我國也將是這樣。 8．對電力係統的影響展望 被稱為第四代發電方式的燃料電池，由於具有燃料利用效率可達80%、不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）
、容(rong)量(liang)可(ke)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)而(er)定(ding)
，所(suo)以(yi)受(shou)到(dao)了(le)各(ge)方(fang)麵(mian)的(de)極(ji)大(da)關(guan)注(zhu)。各(ge)國(guo)家(jia)的(de)政(zheng)府(fu)都(dou)在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)增(zeng)加(jia)研(yan)發(fa)資(zi)金(jin)，推(tui)動(dong)其(qi)商(shang)業(ye)化(hua)的(de)進(jin)程(cheng)。在(zai)近(jin)年(nian)它(ta)首(shou)先(xian)受(shou)到(dao)了(le)交(jiao)通(tong)界(jie)的(de)重(zhong)視(shi)
，作(zuo)為(wei)交(jiao)通(tong)動(dong)力(li)裝(zhuang)置(zhi)已(yi)被(bei)搬(ban)上(shang)汽(qi)車(che)
、艦船
，幾乎同時它受到了國外電力係統的重視。PAFC發電裝置已有數萬套進入賓館
、家庭運行
，PAFC已有了4萬多小時的運行記錄。 我國稀土資源豐富，發展MCFC和SOFC技術具有十分有利的條件。以天然氣和淨化煤氣為燃料的MCFC和SOFC發電效率高達55%～65%，而且還可提供優質餘熱用於聯合循環發電
，是一種優良的區域性供電電站。熱電聯供時,燃料利用率高達80%以(yi)上(shang)。專(zhuan)家(jia)們(men)認(ren)為(wei)它(ta)與(yu)各(ge)種(zhong)大(da)型(xing)中(zhong)心(xin)電(dian)站(zhan)的(de)關(guan)係(xi)
，頗(po)類(lei)似(si)於(yu)個(ge)人(ren)電(dian)腦(nao)與(yu)大(da)型(xing)中(zhong)心(xin)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)關(guan)係(xi)

，二(er)者(zhe)互(hu)為(wei)補(bu)充(chong)。二(er)十(shi)一(yi)世(shi)紀(ji)，這(zhe)種(zhong)區(qu)域(yu)性(xing)、環境友好的、高效的發電技術有可能發展成為一種主要的供電方式。 最近日本提出2010年(nian)普(pu)及(ji)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)應(ying)用(yong)，並(bing)向(xiang)發(fa)達(da)歐(ou)美(mei)國(guo)家(jia)建(jian)議(yi)製(zhi)定(ding)安(an)全(quan)基(ji)準(zhun)和(he)通(tong)用(yong)規(gui)格(ge)。隨(sui)著(zhe)其(qi)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)的(de)降(jiang)低(di)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)也(ye)將(jiang)在(zai)我(wo)國(guo)獲(huo)得(de)快(kuai)速(su)的(de)發(fa)展(zhan)

，它(ta)將(jiang)對(dui)傳(chuan)統(tong)的(de)熱(re)機(ji)發(fa)電(dian)構(gou)成(cheng)有(you)利(li)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。展(zhan)望(wang)其(qi)對(dui)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)的(de)影(ying)響(xiang)如(ru)下(xia)： 8.1 調峰能力增加 應用氫氣做燃料PEMFC已經商業化，在國外容量為3kW、5kW、7kW等熱電聯用的燃料電池正在源源不斷地進入家庭，數百kW的燃料電池正在源源不斷地進入旅館、fandianshangshadengchangsuo。zhexiedianlizhuangzhitongxiaoxingguangfufadianzhuangzhiyiyangkeyidulifadian，yekeyudianliwangxianglian。weilehuodeqingranliao

，muqianzaifeichunqingranliaodianchiqianjunjialeranliaogaizhiqi。juzhuanjiajieshao，tannamiguanchuqingjishuyihuodetupo，suizheqishangyehuadefazhan
，shixingjiatingfadianjiangxiangyongmeiqizaoyumeiqiguanpeiheshiyongyiyangfangbian
，gouyiguanqingqikeyifadianshuyue（3kg氫氣能量可以使一般轎車行駛500km）。在有煤氣或天然氣管道的地方
，打開氣閥就可以發電和供熱水。 可以使用天然氣、煤氣為燃料的MCFC、SOFC發電能力為數千kW發(fa)電(dian)裝(zhuang)置(zhi)將(jiang)座(zuo)落(luo)於(yu)較(jiao)大(da)的(de)公(gong)用(yong)場(chang)所(suo)，用(yong)管(guan)道(dao)向(xiang)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)提(ti)供(gong)燃(ran)氣(qi)為(wei)附(fu)近(jin)的(de)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)電(dian)力(li)和(he)熱(re)能(neng)，使(shi)城(cheng)市(shi)的(de)發(fa)電(dian)不(bu)再(zai)汙(wu)染(ran)環(huan)境(jing)。成(cheng)千(qian)上(shang)萬(wan)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)發(fa)電(dian)裝(zhuang)置(zhi)服(fu)役(yi)，必(bi)將(jiang)使(shi)得(de)電(dian)網(wang)的(de)調(tiao)峰(feng)能(neng)力(li)大(da)大(da)增(zeng)強(qiang)，常(chang)規(gui)的(de)火(huo)電(dian)廠(chang)
，由(you)於(yu)存(cun)在(zai)有(you)較(jiao)大(da)汙(wu)染(ran)，因(yin)此(ci)讓(rang)其(qi)遠(yuan)離(li)城(cheng)區(qu)帶(dai)基(ji)本(ben)負(fu)荷(he)。在(zai)缺(que)乏(fa)調(tiao)峰(feng)手(shou)段(duan)和(he)缺(que)乏(fa)調(tiao)峰(feng)電(dian)量(liang)的(de)東(dong)北(bei)電(dian)網(wang)加(jia)大(da)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)入(ru)網(wang)量(liang)
，必(bi)將(jiang)大(da)大(da)地(di)提(ti)高(gao)未(wei)來(lai)電(dian)網(wang)的(de)調(tiao)峰(feng)能(neng)力(li)。 8.2 節約配電網的建設費用 我(wo)國(guo)有(you)許(xu)多(duo)偏(pian)遠(yuan)的(de)山(shan)村(cun)和(he)海(hai)島(dao)
，遠(yuan)離(li)電(dian)網(wang)或(huo)處(chu)在(zai)電(dian)網(wang)的(de)末(mo)端(duan)，用(yong)電(dian)量(liang)不(bu)大(da)。從(cong)商(shang)業(ye)角(jiao)度(du)考(kao)慮(lv)，架(jia)設(she)高(gao)電(dian)壓(ya)等(deng)級(ji)的(de)線(xian)路(lu)是(shi)不(bu)合(he)算(suan)的(de)
，但(dan)不(bu)架(jia)設(she)又(you)難(nan)以(yi)實(shi)現(xian)村(cun)村(cun)通(tong)電(dian)的(de)目(mu)標(biao)。有(you)了(le)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)，用(yong)當(dang)地(di)生(sheng)物(wu)質(zhi)氣(qi)體(ti)為(wei)燃(ran)料(liao)，再(zai)配(pei)合(he)當(dang)地(di)的(de)風(feng)能(neng)
、太陽能等，就可以滿足當地的長期的電能需求。這樣可以使投資更加合理，又提高電網的經濟效益。 8.3 提高電網的安全性 目前電網均采用高壓長距離輸電的方式使偏僻山區的水電和坑口
、路口以及海口處的火電輸送到負荷中心地帶。中外近年多次電網事故證明，在地震
、水災
、暴風、冰雪、雷lei電dian等deng自zi然ran災zai害hai麵mian前qian，這zhe種zhong係xi統tong往wang往wang是shi十shi分fen脆cui弱ruo的de。而er星xing羅luo棋qi布bu的de燃ran料liao電dian池chi加jia入ru到dao電dian網wang中zhong供gong電dian

，將jiang會hui大da大da提ti高gao電dian網wang的de安an全quan性xing。在zai某mou個ge遠yuan距ju離li的de基ji本ben負fu荷he電dian源yuan跳tiao閘zha時shi，燃ran料liao電dian池chi可ke以yi對dui電dian網wang起qi到dao一yi定ding的de支zhi承cheng作zuo用yong

，保bao證zheng重zhong要yao用yong戶hu的de電dian能neng需xu求qiu。隨sui著zheMCFC
、SOFC技術的突破、天(tian)然(ran)氣(qi)管(guan)線(xian)的(de)鋪(pu)通(tong)和(he)大(da)型(xing)煤(mei)氣(qi)化(hua)技(ji)術(shu)的(de)解(jie)決(jue)，屆(jie)時(shi)人(ren)們(men)會(hui)看(kan)到(dao)，對(dui)於(yu)大(da)規(gui)模(mo)的(de)應(ying)用(yong)化(hua)石(shi)能(neng)源(yuan)的(de)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)，變(bian)長(chang)距(ju)離(li)輸(shu)電(dian)為(wei)長(chang)距(ju)離(li)輸(shu)氣(qi)，應(ying)用(yong)大(da)中(zhong)小(xiao)相(xiang)結(jie)合(he)的(de)各(ge)種(zhong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)靠(kao)近(jin)負(fu)荷(he)供(gong)電(dian)供(gong)熱(re)會(hui)更(geng)經(jing)濟(ji)、更安全。 8.4 電網管理 燃料電池發電將增加管理的複雜性。一是燃料電池發的均是直流電，需變頻後入網，如此將需要對諧波進行控製

；二是價格管理，每一個小的係統與電網均有電量交換
，需要進行合理的價格管理，這與其他新能源入網問題一樣（如太陽能、風能、生物質能發電），入網電量小，管理量不小。 9．結束語 人類自從19世紀以來，經曆了三次能源結構革命。第一次能源革命發生在19世紀第一次產業革命以後，由於蒸汽機的大量應用
，傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
，於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主；第二次能源革命是在20世紀初開始的，當時不斷發展的電力
、鋼鐵工業帶動了內燃機技術的推廣，此時石油逐漸取代了煤炭的地位；第三次能源革命在20世紀70年(nian)代(dai)初(chu)開(kai)始(shi)的(de)石(shi)油(you)危(wei)機(ji)，它(ta)推(tui)動(dong)了(le)新(xin)能(neng)源(yuan)的(de)發(fa)展(zhan)和(he)節(jie)能(neng)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)。專(zhuan)家(jia)認(ren)為(wei)能(neng)源(yuan)革(ge)命(ming)時(shi)間(jian)正(zheng)在(zai)縮(suo)短(duan)，新(xin)的(de)能(neng)源(yuan)結(jie)構(gou)革(ge)命(ming)正(zheng)在(zai)悄(qiao)悄(qiao)地(di)來(lai)臨(lin)
，其(qi)動(dong)力(li)來(lai)自(zi)於(yu)目(mu)前(qian)的(de)能(neng)源(yuan)利(li)用(yong)方(fang)式(shi)與(yu)環(huan)境(jing)的(de)矛(mao)盾(dun)日(ri)益(yi)尖(jian)銳(rui)
、傳統的能源利用方式與能源資源量的矛盾日益尖銳。新的能源資源在當前已占有相當的份額（世界範圍內石油占總能源消費的36%，天然氣已占到23%），高效、潔淨、便捷的能源利用方式--燃料電池開始進入商業化階段。 我國的煤炭資源比較豐富，目前在我們的能源結構中約占72%。為了解決現代化巨大的電能需求與環境的尖銳矛盾，我國一方麵加快了潔淨化用煤的技術(煤的整體氣化)發展
，一方麵在迅速地增大天然氣應用在能源中的比例。氣體能源的發展為燃料電池在我國廣泛應用創造了極好的條件。建議如下： 遼(liao)寧(ning)地(di)區(qu)能(neng)源(yuan)資(zi)源(yuan)單(dan)一(yi)
，從(cong)長(chang)遠(yuan)看(kan)隻(zhi)能(neng)靠(kao)煤(mei)電(dian)解(jie)決(jue)本(ben)地(di)區(qu)的(de)電(dian)能(neng)需(xu)求(qiu)。但(dan)是(shi)傳(chuan)統(tong)電(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)方(fang)式(shi)與(yu)本(ben)地(di)的(de)環(huan)境(jing)矛(mao)盾(dun)日(ri)益(yi)尖(jian)銳(rui)
，發(fa)展(zhan)使(shi)用(yong)氣(qi)體(ti)能(neng)源(yuan)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)發(fa)電(dian)可(ke)以(yi)很(hen)好(hao)地(di)解(jie)決(jue)本(ben)地(di)電(dian)能(neng)需(xu)求(qiu)且(qie)不(bu)汙(wu)染(ran)環(huan)境(jing)，也(ye)有(you)利(li)於(yu)解(jie)決(jue)本(ben)地(di)十(shi)分(fen)棘(ji)手(shou)的(de)電(dian)網(wang)調(tiao)峰(feng)問(wen)題(ti)。燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)發(fa)電(dian)不(bu)僅(jin)是(shi)可(ke)能(neng)的(de)而(er)且(qie)是(shi)可(ke)行(xing)的(de)，可(ke)以(yi)做(zuo)成(cheng)小(xiao)型(xing)的(de)電(dian)池(chi)堆(dui)或(huo)用(yong)其(qi)建(jian)成(cheng)大(da)型(xing)的(de)電(dian)站(zhan)。應(ying)從(cong)現(xian)在(zai)起(qi)加(jia)強(qiang)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)發(fa)電(dian)的(de)研(yan)究(jiu)工(gong)作(zuo)，立(li)足(zu)於(yu)用(yong)高(gao)技(ji)術(shu)改(gai)造(zao)東(dong)北(bei)電(dian)網(wang)。 jianyuwoguoduidianzhanyongranliaodianchideyanjiuhaibijiaoluohou
，womenyingzoufenglifadiandeluxian，caiyonggaoqidianqibu，zhengjiyinjinguowaideranliaodianchifadianshebei，keyixianyinjinguimojiaoxiaodedianchidui。zheyangkeyishiwomengengkuaidizhangwogaojishu，youliyuranliaodianchifadianzaiwoshenggengkuaidefazhan。 大da連lian化hua學xue物wu理li研yan究jiu所suo走zou在zai了le我wo國guo在zai燃ran料liao電dian池chi研yan究jiu的de前qian麵mian，而er且qie對dui燃ran料liao電dian池chi的de種zhong類lei研yan究jiu的de也ye比bi較jiao全quan麵mian，遼liao寧ning省sheng有you很hen好hao的de燃ran料liao電dian池chi研yan究jiu生sheng產chan條tiao件jian
，我wo國guo有you大da量liang的de燃ran料liao電dian池chi所suo用yong的de稀xi土tu資zi源yuan。應ying很hen好hao地di利li用yong這zhe一yi資zi源yuan
，在zai開kai發fa燃ran料liao電dian池chi應ying用yong市shi場chang的de同tong時shi，參can與yu燃ran料liao電dian池chi的de生sheng產chan，如ru同tong內nei蒙meng古gu和he新xin疆jiang風feng電dian產chan業ye一yi樣yang，既ji是shi產chan品pin的de使shi用yong者zhe也ye是shi生sheng產chan者zhe
，搶qiang占zhan燃ran料liao電dian池chi這zhe一yi高gao技ji術shu的de製zhi高gao點dian。