燃料電池——能源轉(zhuǎn)換的新來源

    傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)的特點是由遠離消費者的大型發(fā)電廠組成，因此需要具備廣泛的輸電網(wǎng)絡(luò)將電力輸送給用戶。
    目前，由于在歐洲、北美和世界上其它地區(qū)對電力生產(chǎn)行業(yè)實行放松管制和松綁，一大批中小型分散式電廠涌現(xiàn)出來。質(zhì)子交換膜（PEM）燃料技術(shù)通過其可帶來財政收益和改善環(huán)境的解決方案對電力行業(yè)這一變革起到了促進和加速發(fā)展的作用。
燃料電池的發(fā)展歷史
    1839年， W1111am Grove爵士通過將水的電解過程逆轉(zhuǎn)而發(fā)現(xiàn)了燃料電他的原理。他能夠從氫氣和氧氣中獲取電能。由于氫氣在自然界不能自由地得到，在隨后的幾年中，人們一直試圖用煤氣作為燃料，但均未獲得成功。 1866年， Werner von Siemens先生發(fā)現(xiàn)了機一電效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)啟動了發(fā)電機的發(fā)展，并使燃料電池技術(shù)黯然失色。直到20世紀60年代，宇宙飛行的發(fā)展，才使燃料電池技術(shù)重又提到議事日程上來。出于對能保護環(huán)境的能源供應(yīng)的需求，激發(fā)了人們對燃料電池技術(shù)的興趣。

燃料電池的原理
    燃料電池是一個電化學(xué)系統(tǒng)。它將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能且廢物排放量很低。燃料電池由3個主要部分組成：電能且廢物排放量很低。燃料電池由3個主要部分組成：
    燃料電極（正極）
    電解液
    空氣／氧氣電極（負極）
    其工作原理是：從正極處的氫氣中抽取電子（氫氣被電化學(xué)氧化掉，或稱“燃燒掉了”）。這些負電子流到導(dǎo)電的正極，同時，余下的正原子（氫離子）通過電解液被送到負極。
    在負極，離于與氧氣發(fā)生反應(yīng)并從負極吸收電子。這一反應(yīng)的產(chǎn)品是電流、熱量和水。圖1給出了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的功能圖。圖之給出的是典型的PEMFC的結(jié)構(gòu)。
    由于燃料電池不會燃燒出火焰，也沒有旋轉(zhuǎn)發(fā)電機，所以燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。這一過程具有許多重要的優(yōu)點：
    這一過程的電效率比任何其它形式的發(fā)電技術(shù)的電效率都高。
    廢氣如SO2，NOx和CO的排放量極低。
    由于燃料電池中無運動部件，燃料電池工作時很安靜且無機械磨損。
    電與熱量可結(jié)合起來用（熱電聯(lián)產(chǎn)廠）。
    燃料電池的工作特性可滿足各種負荷水平要求。 
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燃料電池的類型
    目前，有5種已知的燃料電池類型。其名稱與采用的相應(yīng)的電解質(zhì)有關(guān)。
    （1）堿性燃料電池（AFC）——采用氫氧化鉀溶液作為電解液。
    這種電解液效率很高（可達60一90％），但對影響純度的雜質(zhì)，如二氧化碳很敏感。因而運行中需采用純態(tài)氫氣和氧氣。這一點限制了將其應(yīng)用于宇宙飛行及國際工程等領(lǐng)域。
 
    （2）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)。這種電解質(zhì)具有高功率一重量比和低工作溫度。是適用于固定和移動裝置的理想材料。
    （3）磷酸燃料電池（PAFC）采用200℃高溫下的磷酸作為其電解質(zhì)。很適合用于分散式的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。
    （4）熔融碳酸燃料電池（MCFC）的工作溫度可達650℃。這種電池的效率很高，但材料需求的要求也高。
    （5）固志氧燃料電池（SOFC）采用的是固態(tài)電解質(zhì)（鉆
石氧化物），性能很好。他們需要采用相應(yīng)的材料和過程處
理技術(shù)，因為電池的工作溫度約為1000℃。
 
    目前，一些研究機構(gòu)正在進行燃料電池的開發(fā)與研究。但是，在國際公認的是，在過去的十年中， PEMFC技術(shù)已發(fā)展到實用階段。然而，其工業(yè)化過程尚未成熟。而且還需做進一步努力以降低這種技術(shù)的成本。

燃料電池的應(yīng)用
    將來，在固定和移動式發(fā)電廠中采用燃料電池可以使對環(huán)境的污染減少到現(xiàn)有技術(shù)還不能達到的水平。這可用
于依賴常規(guī)能源的系統(tǒng)，這些常規(guī)能源包括石油、柴油甲醇或天然氣等。汽車工業(yè)己選擇了燃料電池作為未來的動
力來源以滿足減少廢氣排放的要求。PEMFC采用了適當?shù)募夹g(shù)規(guī)范，用在移動和固定式發(fā)電、動力系統(tǒng)都很合適。
熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（CHP）或熱電聯(lián)產(chǎn)電廠是為需要電力以及供熱或制冷的用戶而設(shè)計的。根據(jù)電廠和燃料的類型，
CHP的電效率約為35％。 CHP電廠的能源轉(zhuǎn)換是一個四級過程，在此，燃料的化學(xué)能通過熱能及機械能處理過程轉(zhuǎn)
換為電能。燃料電池采用的是“冷燃燒”過程，直接式能量轉(zhuǎn)換器將燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電與熱。{{分頁}}
    市場研究表明對分散式發(fā)電的最大需求預(yù)計是在100到150kW的范圍之間。在這個范圍內(nèi)，燃料電池提供了
最大的效率收益，電效率可高達40％ ；通過對熱量輸出的利用，單機效率可超過80％。此外，燃料電池具有出色的部分負荷特性、可靠性和靜音無振動運行的方式，從環(huán)境角度來說是可接受的。用于PEMFC的天然氣的碳含量很低，從而使二氧化碳排放量大大地減少了。
實驗性項目
    ALSTOM公司輸配電部的位于德國的專業(yè)化分散式供電部門正在為歐洲電力公司提供4套PEMFC。調(diào)試工作將于1999年到2000年間進行。這4套PEMFC將提供給：
    位于德國柏林的Bewag公司及其合作伙伴：法國巴黎的法國電力公司（EdF），德國漢堡的HEW公司，以及德國漢諾威的PreussenmehT8公司。
    位于瑞士明興施泰因的Elektra BirseckMunchenstein公司
    位于比利時列日的Societe Cooperative Liegeoised’ electricite公司
    位于荷蘭阿姆斯特丹的Energie Noord West公司
    每一套裝置都包括了一整套采用天然氣發(fā)電的電力系統(tǒng)。所有需要的部件均安裝在一個箱體中，（見圖3）。箱體的容積約為42立方米。圖4所示的PEMFC試驗電廠包括如下6個分單元：
    發(fā)電（燃料電池組）
    燃氣制備
    空氣壓縮機
    水再生利用
    逆變器

     測量與控制系統(tǒng)
    由于燃料電池只能將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)換為電能，采用的天然氣原料必須先轉(zhuǎn)換為氫氣濃度很高的氣體。天然氣被壓縮到所需的系統(tǒng)壓力并清理脫掉硫和其它化學(xué)物質(zhì)。在蒸發(fā)器和重整爐中，燃氣充以水蒸氣，天然氣被轉(zhuǎn)換為氫氣、一氧化碳和二氧化碳。產(chǎn)生的一氧化碳必須降至對聚臺膜安全的水平。這可在轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中和選擇氧化劑達到此要求。
    渦輪增壓器將空氣壓縮到系統(tǒng)壓力；然后將氣體冷卻到80℃的溫度，并加以濕潤化之后，輸送給負極的電池組。過程中產(chǎn)生的熱量可通過熱交換器將水加熱用于區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)或空調(diào)系統(tǒng)。之后，水循環(huán)流回燃氣重整過程中。未使用完的氫氣則用于加熱重整爐和蒸發(fā)器。
    燃料電池組由許多串聯(lián)在一起的單個燃料電池組成。燃料電池組產(chǎn)生的直流電壓通過逆變器被轉(zhuǎn)換為電力系統(tǒng)所需的交流電。圖5所示為安裝在試驗電廠中的燃料電池組。開關(guān)設(shè)備，測量傳感器，控制元件及全部控制系統(tǒng)部集成在燃料電池系統(tǒng)中。標準PEMFC的額定選擇容量為250kW。這種天然氣電廠的性能參數(shù)見圖6中的表格。


展望燃料電池的未來
    燃料電池可在一秒鐘之內(nèi)迅速提供滿負荷動力，并可承受短時過負荷（幾秒鐘）。其特性很適合作為備用電源或安全保證電源。為實現(xiàn)這些動態(tài)特性，在供電側(cè)必須有獨立的氫氣來源。除了將PEMFC用于空間飛行，移動式和固定式設(shè)備外，開發(fā)小型化的PEMFC系統(tǒng)的工作也正在開展，作為便攜式電源系統(tǒng)用于筆記本電腦和攝象機等裝置。
    許多美國廠家都有采用PEMFC（＜10 kW）的國內(nèi)示范項目。更廣泛的應(yīng)用只有當電池組成本大大下降之后才有可能。因為在這一應(yīng)用中， PEM技術(shù)直接與常規(guī)的鍋爐在產(chǎn)生熱量方面進行競爭。在不同領(lǐng)域進行的大量研究對PEMFC的發(fā)展很有利，而且對其具有正面的、長期的影響，并可進一步加快PEMFC投入商業(yè)應(yīng)用的進程。
    開發(fā)可用于車輛的移動式PEMFC是發(fā)展這項技術(shù)的主要驅(qū)動力。通過在汽車工業(yè)大量使用PEMFC而帶來預(yù)期的成本下降，將使固定式發(fā)電受益非淺，反之亦然。這些專門的應(yīng)用領(lǐng)域意味著PEMFC技術(shù)是今后幾年中可獲得突破的幾項未來技術(shù)中的一項，而且不需要耗費大量的政府投資。