1、东南大学硕士学位论文燃料电池发电系统的建模与仿真姓名：施涛申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：高山20070116东南大学硕士学位论文摘要燃料电池作为一种高效、清洁的发电方式已成为21世纪继火力发电、水力发电和核能发电之后的第四代发电技术。本文从电力系统建模和仿真的角度全面分析了燃料电池这一新型“发电机”的发电原理和特性，对其发电特性和控制系统进行数学建模和仿真，以研究其作为新型“发电机”在不同外部需求信号下的动态响应，并进一步讨论了燃料电池DCAC逆变系统的电压调节和控制。燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。因此本文首先全面分析燃料电池发屯技术的化学原理，将其与
2、传统的热机发电方式进行比较。燃料电池不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，环境友好，几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。因此燃料电池在作为固定式发电站的应用上具有广阔的前景。本文认为最适合作为固定式发电站一特别是满足区域性供电需求的燃料电池的选择必须从发电能力、使用寿命、商业可行性、运行的可靠性这几方面考虑。另外，对丁一些发电能力充足、运行可靠，但是由于某一方面的技术限制还处于试验阶段的燃料电池，则着眼于这种技术难点突破的可能性和性价比。通过对各种类型的燃料电池技术状态和商业化程度的对比分析，可以发现碱性燃料电池、质子交换膜燃料屯池、直接甲醇燃料电池由丁发电功率和其它一些技术条件的
3、限制无法作为区域性电站实现供电。而就发电能力和运行可靠性而言磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池最有可能作为固定电站用于区域性供电。其中磷酸燃料电池是目前惟一可以获得商业化的燃料电池类型。因此本文选择磷酸燃料电池发电站作为典型燃料电池系统结合燃料电池发电系统共性进行数学建模和仿真。数学建模时重点讨论燃料电池的燃料供应系统模型、等值电路模型、控制系统模型等。本文提出两种改进燃料电池动态响应特性的方法，仿真结果表明改进效果明显。燃料电池的特性决定了它的本体控制土要是电流控制，而电压控制和凋节主要是由DCAC逆变系统来实现的。文中针对不同类型的燃料电池发电站讨论了其逆变方式及电压跟踪
4、调节策略。文章最后指山燃料电池作为一种高效、清洁的新能源发电技术，以其无与伦比的优越性已经受到世界各国政府利科研机构的高度重视，是当今科技界最前沿的研究热点之一。燃料电池涉及到电化学以及电催化、热力学、膜科学与工程、微尺度传热与传质学、多相流体力学、自动控制等诸多学科，是典型的学科交叉技术。在新的发展形势下如何将燃料电池大规模地投入运用，特别是实现燃料电池供电。这一方面取决于燃料电池制造技术的逐步成熟；另一方面电力系统学科的任务将是研究燃料电池供电下的电力系统的特性与运行控制。下一步的研究则应当把重点放在DCAC逆变系统的建模和不同电压调节策略的探讨上，并进一步分析燃料电池作为新型“发电机”引
5、入电网后对电网的稳定安全特性将产生的影响。【关键词】燃料电池，数学建模，simulink仿真，动态响应，改进措施东南大学硕士学位论文AbstraetFuel eell is a high efficient and clean power generation techniqueIt has been thefourth-generation power generator after thermal power generation，hydraulic powergeneration and nuclear power generationIn this dissertation，the o
6、perating principleof ruel cell as a new power generator is described completely in the area of powersystem modeling and simulationDynamic response of fuel cell is get under thedi虢rent demanded signalsFurthermorethe voltage adjustment and control ofDCAC inverter system is discussedA fuel cell is a de
7、vice that converts chemical energy directly into electrical energyFirst ofallfuel eell is compared with traditional thermal machine in the area ofpowergeneration principlefuel cell is not limited by the camot cycle with high energytransformation efficiency and does not pollute environment with no NO
8、x and SOx gasdischargingso fuel cell will be applied widely as fixed power stationA knd of向el eell which is suitable to regional power supply must meet therequired conditions such as power generator capability，operating 1ifccommercialfeasibility,operating reliabilityOtherwise，if one kind of fuel cel
9、l has enoughcapacity and high reliability,but because of technical limitationit is still in t11eexperimental stageIn this casethe possibility whether the 1imitation can be solvedand the performanceprice ratio are taken into accountBy analyzing the technicalstatus and commercialization degree of a11
10、kinds of fuel cells,the conclusion is gett11at alkaline fuel cellproton exchange membrane fuel cell and direct methan01 ruelcell are not suitable to used as fixed power station as the reason ofpower capacity andtechnical limitationAt the same time，Phosphoric acid fuel cell，molten carbonatefuel eell
11、and solid oxide fuel cell are suitable to meet山e regional power supplyrequirement as fixed power stationIn these fuel cellsonly phosphoric acid fuel cellhas realized commercializationSo in this dissertationphosphoric acid fuel eell is selected to be classical fuel cellto reflect the generalitybuild
12、its mathematical model and sireulateIn themathematical modelthe fuel supply system modelequivalent circuit model andcontrol system model are discussed in detailTwo measures are given in thedissertationand the results of simulation indicate that these two methods areeffective to improve the performan
13、ce of dynamic resicIonse of fuel cellBecauseof the characteristic of fuel eellthe control of filel cell body is mainly concemed oncurrent contr01and the voltage adjustment is mainly realized bv DCAC inversionsystemIn the paper，the inversion mode and voltage adjustment strategy is discussedaccording
14、to difierent kinds offueI cell power stationIn the end of the dissertationit is pointed that fuel eelI as an kind of effectiveclean new power generation technique，has been pay much attention by governmentsand institutes of many countriesNow It is one research hotspot in scientiflc areaTheresearch of
15、 ruel cell comes down to galvanochemistry,electric catalysisthermodynamics。membrane science，microscale heat and mass transfer，multiphasefluid mechanics，auto contr01 etcit is classical cross subjectIn the CHlTent。how toapply fuel cell widely，especially use the fuel cell to supply power regionallyFirs
16、t，itII东南大学硕士学位论文depends on the improvement of manufacturing engineering of filel cell；on the otherhandthe task ofpower subject iS to research廿le characteristic ofpower system whenfuel cells supply powet into networkTbe later research should pay attention on themodeling of DC，AC inversion system and
17、the voltage adjustment strategy，furthermorewhen fuel celliS connected wi血network as a new generator，the eriectshould be analyzed about the stability and security of electric networkKeyword：fuel cell，mathematical modeling，simulink simulation，dynamic response,improvement measure1II东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交
18、的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：缝塑i 日期： 。一7岛东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊
19、登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名： 盔!些1 日 期：东南大学硕士学位论文第一章绪论11燃料电池的起源与发展史燃料电池是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池IlJ。燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高，环境友好，几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。而且，二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少40以上正是由于这些突出的优越性，燃料电池发电技术的研究和开发倍受各国政府与大公司的重视，被视为2l世纪首选的洁净、高效的发电技术燃料电池的最佳燃料为氢。当地球上化石燃料逐渐
20、减少时。人类赖以生存的能量将一是核能，二是太阳能。那时可用核能、太阳能发电，以电解水的方法制取氢。利用氢作为载能体，采用燃料电池技术将氢与大气中的氧转化为各种用途的电能，如汽车动力、家庭用电等。那时的世界即进入氢能时代。燃料电池的起源川可以追溯到19世纪初，欧洲的两位科学家即瑞士籍的CESchonbein教授和英国的法官兼科学家William lLGmve爵士，Schonbein于1839年发明了燃料电池。Schonbein是在自己的家中洗衣房所建立的实验装置上，实现了不需要像电池一样进行化学充电而直接产生电流。隔年(1839年)一月，在Philosophical杂志的几篇报导中再次提到前面所
21、述的实验结果，内容是强调氢气与铂电极上的氯气或氧气所进行的化学反应过程中能够产生电流，Schonbein将这种现象解释为极化效应，这便是后来被称作燃料电池的起源。值得一提的是，Schonbein曾经从英国先进科学学会获得40英镑的经费进行燃料电池的研究，这是全世界第一个官方正式资助的燃料电池的研究项目。C,wovc的气体电池基本构想源于水的电解实验pI。水的电解过程是用电将水分解为氢气和氧气，反过来，Grovc认为，将氢气和氧气进行反应就有可能逆转电解过程而产生电流。为了验证这一理论，他将两条铂分别放入两个密封的管中，一个管中充满氢气，另一个管中充满氧气，当这两个管浸入稀硫酸溶液时，电流便开始
22、在两个电极之间流动，装有氧气的管中产生了水，为了提高整个装置的电压，Grove将四组这种装置串连起来，他将这种电池称作“气体电池”，如图11所示。这个装置就是后来被公认的全世界第一个燃料电池。电解槽氲气图1-lWilliam RGrove爵士进行的气体电池实验然而要想了解氢氧之间的反应是如何产生电流的以及电子来源于何处，这就需要根据不同的燃料电池的类型的反应原理具体考察其每个电极上的反应。这在本文第二章节中将详细讲述继WilliamRGrove发明第一个燃料电池装置之后，经过几代科学家的努力，目前已经开发出东南大学硕士学位论文包含碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料
23、电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(D加Pc)等多种类型的燃料电池。具体的燃料电池技术开发史如表l-l所示川表11燃料电池的诞生与发展史年份 开发情况1838 CESchonbein发现燃料电池原理1839 WilliamRGrove发明燃料电池(当时称作“气体电池”)1889 LMond和CLanger将“气体电池”正名为“燃料电池”1902 Reid提出碱性燃料电池概念(专利)1923 Schmid提出气体扩散电极概念1932 Heise开发出以蜡为疏水剂的疏水电极1959 Bacon开发出可以工作的6KW碱性燃料电池All
24、is-ehalmem公司开发出碱性燃料电池农用拖拉机1960 GE公司，Grubb和Niedrach开发Grubb-Niedraeh燃料电池1962 GE公司，Gemini Space Mission应用高分子电解质燃料电池于双子星太空任务1965 应用Teflon于疏水气体扩散电极P&W公司Apollo Space Mission应用碱性燃料电池于阿波罗太空任务1972 Dupont(杜邦)公司开发出Nation质子交换膜1967 1976 普惠公司主导“目标”的磷酸燃料电池开发计划19811992 “月光计划”(Moonlightproject)中日本首度执行燃料开发计划1992 JetP
25、ropulsionLaboratory(JPL)首度将Nation膜应用于直接甲醇燃料电池1993 加拿大Ballard(1鼍拉德)Power System公司推出质子交换膜燃料电池电动汽车1998 CaFCP(加州燃料电池伙伴联盟)成立2002 Toyota&Honda以租用的方式正式推出燃料电池客车美国政府推出。自由车“(Freedom CAR)燃料电池电动车发展计划2003 美国政府推出。自由燃料“(Freedom Fuel)氢能发展计划12燃料电池的关键材料与部件【2】构成燃料电池的关键材料与部件包括：电极，隔膜、与集流板(或称双极板)。电极是燃料(如氢)氧化和氧化剂(如氧)还原的电化
26、学反应发生的场所，电极厚度一般为0205mm。它通常分为两层。一层为扩散层或称支撑层，它由导电多孔材料制备，起到支撑催化剂层、收集电流与传导气体和反应产物(如水)的作用。另一层为催化剂层，它是出电催化剂和防水剂等制备，其厚度仅为几微米至几十微米。早期为满足特殊要求，有时02O5mm厚的电极完全由电催化剂等组分制各。为了改善电极的导电性能，有时在电极内嵌入一定目数的导电网。对碱性电池多采用镍网嵌入电极性能好坏的关键是电催化剂的性能、电极材料的选择与电极的制各技术。隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂(如氢和氧)并起离子传导作用。为了减少欧姆电阻，隔膜的厚度一般为零点几毫米。至今在电池内采用的隔膜分为两
27、类：一类为绝缘材料制备的多孔膜，如石棉膜、碳化硅膜等)。电解质(如氢氧化钾溶液等)靠毛细力浸入膜的孔内，其导电离子为氢氧根离子、氢离子。另一类隔膜为离子交换膜，如质子交换膜在电池内采用的全氟磺酸树脂膜，其导电离子为氢离子。在固体氧化物燃料电池中应用的氧化钇稳定的氧化锆膜，其导电离子为氧离子。隔膜性能的决定因素是隔膜材料与其制备技术。2东南大学硕士学位论文集流板也称双极板，它起着收集电流。分隔氧化剂与还原剂的作用，并将反应物(如氢和氧)均匀分配到电极各处，再传送到电极催化剂层进行电化学反应。集流板涉及的关键技术是材料的选择、流体流动的流场设计与其加工技术。13燃料电池的特点、分类与应用131特点
28、【1H4I(I)高效燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。在理论上它的热电转化效率可达8590。但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类燃料电池的实际能量转化效率在4060的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80以上。紫油巍嚣气轮机攥气内黼砖料电池O lO 20 30 40 5,0图卜2各种发电方式发电效率的比较(2)环境友好当燃料电池以富氢气体为燃料时，富氢气体是通过矿物燃料制取的，由于燃料电池具有高的能量转换效率。其二氧化碳的摊放量比热机过程减少40以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。由于燃料电池的燃料在反应前必须脱硫及其化合物，而且燃料电池是按电化学
29、原理发电，不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减轻了对大气的污染当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳的排放。赡油机燃气轮机攥气内燃桃纛辩电挑繁油机嚣气轮枫雀气内燃机堪辩电洁0 50 l150 2鬣飒亿物浓度【卯ml0 100 200 300 400姗麓睫化镑旋浓度孵I使甩燃科疑漓：霞油攥气斑燃帆；13A煤气赶嗽帆；13A燃料电泡#13A图卜3各种燃料发电机与燃料电池发电捧气污染大气物质的比较(3)安静燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。实验表明，距离40kw磷酸燃料电池电站46m处的噪
30、声水平是60dB。而451vIW和1llVlW的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55dB的水平。3菜油机螺气轮机操气内燃撬燃料电撼0 100 200嗓啬laB(机旁Ira)图l-4各种发电方式的噪音比较(4)可靠性高碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不问断电源使用132分类迄今已研究开发出多种类型的燃料电池。最常用的分类方法是按电池所采用的电解质分类。据此，可将燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)，一般以氢氧化钾为电解质；磷酸燃料电池(PAFC)，以浓磷酸为电解质；质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为
31、电解质：熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，以熔融的锂一钾碳酸盐或者锂一钠碳酸盐为电解质i固体氧化物燃料电池(SOFC)。以固体氧化物为氧离子导体，如以氧化钇稳定的氧化锆膜为电解质。有时也按燃料电池的工作温度进行分类，分为低温燃料电池(工作温度低于1000C)，包括碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池：中温燃料电池(工作温度在1003000C)，包括培根型碱性燃料电池和磷酸型燃料电池；高温燃料电池(工作温度在60010000C)，包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池各种燃料电池的技术状态Il见表12表12燃料电池的技术状态与主要研制单位导电 工作 氧电椎类jt 电解质 温度 燃料 化 技术状态
32、规模 主耍研捌单位鼻子 t2 剂高度发 荑日：国际燃料碱性燃捌 KaH 室沮一 纯 展已在航 电池公司电I血(AFC】 N刮0H oH一 纯氢 德国西门-T-“A司2 氲 夭中成功 IOOkW应用 中国大连化物所、天津电源所加章大巴拉德公质子交接 纯氢 氯高度发 司膜燃料电油 垒氟 塞温 净删盈 气 展已有电 美国氧能源公司磷酸目I H+ 100 空 动车样车 3kW 德国西门子公司(PEMFC) 整气 需拜低戚 意大利德纳拉公气本 司中国大崖化物所直接甲醇 全氟 塞强CH，O-I 空 l 家霎霎罢拉莫斯目燃料电池 碳酸腰 H+ 200 气 正在开发 lOkW 所鬈暴盔薏芳物(DMFC)高度发
33、展巳用作磷酸燃劓 H打Ch H+ 100 重整气 空 分散电站 1 弛萎景国际燃料电电池(PAFC) 200 气 成本岛余 200w 日本东芝公司热利用价值低正在进 美国能量研究公净艉镍行250 司 熔融碳酸(UK) 6一 气 空 20000kW 2S0 日本中央电力研盐燃料电池COa COl 700 l【整气 气 现场实验 aX灯kW 究所等(MCFC)天然气 需延长寿 中国大连化物命 所-t：海交大夔翻嘲际燃料电电池绪 弛公司固体氧化 氧化 挣喇麟空 构避掉开 德国西门子公司物燃料电油 钇稳定 02+ 8 气的氯化 10 气 发廉价倒 10删rW 中屠大连化物(SOFC) 天然气话 鲁技术
34、 所，上海硅酸盐所，吉林大学4东南大学硕士学位论文I3_3应用f1114】燃料电池是电池的一种，它具有常规电池的积木特性，即可由多台电池按串联、并联的组合方式向外供电。因此，燃料电池既适用于集中发电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池已成功地应用于载人航天飞行，作为阿波罗登月飞船和航天飞机的主要电源，证明了燃料电池高效、高比能量、高可靠性以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有近百台PC25(200kw)作为分布式电站在世界各地运行。不但为燃料电池电站运行取得了丰富的经验，而且也证明燃料电池的高度可靠性，可以用作不间断电源。 质子交换膜燃料电池可在室温下快
35、速启动，并可按负载要求快速改变功率，它是电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源的最佳候选者。以甲醇为燃料的直接甲醇型燃料电池是单兵电源、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。固体氧化物燃料电池可与煤的气化构成联合循环，特别适宜于建造大型、中型电站，如将余热发电也计算在内，其燃料的总发电效率可达7080。熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤气或天然气作燃料，适宜于建造区域性分布式电站。将它的余热发电与利用均考虑在内，燃料的总热电利用效率可达6070。燃料电池的工作原理告诉我们，当燃料电池发电机组以低功率运行时，它的能量转化效率不仅不会像热机过程那样降低，反而略有升高因此，一旦采用燃料电池组
36、向电网供电，如今令人头痛的电网调峰问题将得到解决14我国燃料电池发展的基本情况4491煤、石油和天然气是世界三大能源资源，在能源利用的过程中给地球环境造成的污染日趋严重，燃煤火力发电厂给大气造成的污染已成为世界性的环境问题。我国煤炭资源丰富，是人们日常生活的主要能源资源。由此引起的环境问题尤为严重。能源开发、资源利用与环境保护互相的协调发展将是2l世纪世界经济发展的基础，能源优化利用与清洁能源的开发是能源资源与环境的可持续发展战略的重要组成部分。燃料电池因其具有高效、环保等优点，已成为未来的发电技术发展方向。高温燃料电池MCFC和SOFC系统，可以采用脱硫煤气作为燃料，若将它与煤制气技术相结合
37、，建造大型电站，将为我国洁净煤发电提供一条重要的途径，具有重要的经济效益和社会效益。我国燃料电池的基本发展现状是早在1958年我国就开展了燃料电池的研究工作，是世界上从事燃料电池研究较早的国家之一天津化学电源研究所首先开展了MCFC研究，后来由于电池结构材辩的耐腐蚀性等关键技术一时难以解决而告终止。20世纪60年代中期，根据我国航天技术统筹规则空间应用燃料电池被列入。曙光计划”，在天津、大连，北京、上海、武汉、长春，杭州、兰州及厦门等地的科学研究单位与高等学校组成燃料电池协作网分工协作，开展飞船用燃料电池的研究。到20世纪70年代末，我国的燃料电池研究取得了一定的进展，技术水平接近当时的国际水
38、平，例如，石棉隔膜型AFC已作到28V-+2V、20A放电，放电时间已达到800h。20世纪80年代许多单位在财力、物理极端困难及技术难度很大的情况下，逐步恢复了燃料电池的研究。大连化物所一直从事再生型AFC系统研究，并组装出千瓦级水下用的石棉膜型氯氧燃料电池。1993年以来，又开展了MCFC电解质隔膜的工艺技术及阳极气体重整技术的深入探索。华南理工大学化工系一直从事天然气催化转化技术的研究，1992年以来，开展了SOFC电催化过程研究，并于1995年组装了第一个管状SOFC试验装置，以天然气为直接燃料，获得了明显的电能，连续放电时间长达120h。吉林大学、北京科技大学也在SOFC电极材料方面
39、开展了富有成效的研究。上海硅酸盐研究所长期从事固体电解质材料的研究，并开展了与SOFC结构不见相关的界面现象研究。长春应化所在美国福特基金会的资助下，开展了PEMFC技术的研究，利用美国杜邦公司的Nation膜制成了PEMFC技术的研究，利用美国杜邦公司的Nation膜制成了5东南大学硕士学位论文PEMFC原型装置，试验寿命长达60h。哈尔滨电站成套设备研究所在1989-1991年间，在我国首次试验了MCFC原型电池组，放电时间为24h。1994年3月国务院通过了中国2l世纪议程一中国2l世纪人口、环境与发展白皮书，其中提到了能源资源与环境的可持续发展战略。使用清洁能源与开发洁净化能源技术，是
40、能源持续发展工程中的重要内容。燃料电池发电正是洁净煤发电的技术之一。1994年4月，由中国电子技术学会电子部天津电源研究所组织在天津召开了“发展我国燃料电池技术研讨会”，与会代表一致认为，我国应大力发展燃料电池技术，并将燃料电池作为一项系统工程，集中力量攻坚。从我国燃料电池的基本现状，结合我国社会经济的发展状况，燃料电池主要应用背景有四个方面：第一，将燃料电池系统用于民用发电，主要是在现场和分布式电站，如宾馆生活小区以及较偏远地区的供电。发电容量在数十千瓦至兆瓦级范围内。适合建立燃料电池电站的是PAFC、MCFC和SOFC。目前PAFC技术基本成熟。国内不再在PAFC方面进行工程和基础研究，可
41、根据需要与可能适当引进国外成熟的PAFC样机进行试运行。MCFC和SOFC是值得我国在今后相当长的一段时间内投入力量进行研究与工程开发的，它们将成为洁净煤发电技术之一第二，利用电动汽车发展的机遇，开展电动汽车用的燃料电池系统研究。主要研究PEMFC系统技术并进行工程开发。第三，解决农村能源及城市垃圾场，污水处理场的能源问题。有计划地在农村地区及城市垃圾场、污水处理厂开展以沼气类为燃料的燃料电池系统开发，综合治理农村及城市垃圾场、污水处理厂能源资源的利用、能源供应的结构，保护生态环境，促进“绿色能源”计划的逐步实现。第四。在一定的条件下，继续研究与开发航天及军队特殊用途的燃料电池系统，如航天器、
42、舰船、潜艇等的动力源。在我国，燃料电池研发过程中具有代表性的是大连化学物理研究所，此所已经从事燃料电池的研究近50年。早年曾成功研制了500W的碱性燃料电池，近年来致力于质子交换膜、熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池的研究，该所在20012003年问，将30KW的质子交换膜燃料电池用于小型汽车和大型公共汽车上示范成功，并成立了新源动力公司，开始了产品的商业化进程。2003年春，该所与清华大学合作将75KW的质子交换膜燃料电池应用于公共汽车上。在直接甲醇燃料电池方面，大连化物所、韩国三星公司、南孚电池公司建立了合作实验室，中国科技大学无机膜研究所已成功地研制了新型中温固态氧化物燃料电池。15我国电力
43、系统发展燃料电池发电技术的可行性我国电力系统发展燃料电池发电技术的可行性具体可以从以下六个方面进行阐述：(1)采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一以高温燃料电池组成的联合循环发电系统，可使发电效率达到60-75(LHV)，这一目标将在2005年左右实现。预计到2010年，发电效率可超过72N煤气化燃料电池联合循环(10FC)的发电效率可达到62以上。以燃料电池组成的热电联产机组的总热效率可达到85以上。燃料电池本体的发电效率基本不随容量的变化而变化，这使得燃料电池既可用作小容量分散电源，又可用于集中发电应用范围广泛。(2)燃料电池发电可有效地降低火力发电的污染物和温室气体捧放量
44、燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，NOx排放量很小，一般可达到1390236)kgMWh以下，远低于天然气联合循环的NOx捧放量(1l【gMWh一3kgMWh)。由于燃料进入燃料电池之前必须经过严格的净化处理，碳氢化合物也必须重整成氢气和CO，因此，尾气中S02、碳氢化合物和固态粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。与常规燃煤发电机组相比，(202的排放量可减少40一60在目前C02分离和隔绝技术尚不成熟的状况下，通过提高能源转换效率减少C02排放是必然的选择。(3)采用燃料电池发电可提高供电的灵活性和可靠性6东南大学硕士学位论文燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高等
45、突出特点，是理想的分布式电源与目前一些可做为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。在250KW-IOMW的功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当甚至更高的发电效率。作为备用电源的柴油发电机由于污染和噪声大不宜在未来的城市中应用。低温燃料电池不仅发电效率高，而且启动快、变负荷能力强，是很好的备用电源。现代社会对供电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日益受到重视。近年来美国、加拿大、台湾相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失北约轰炸南联盟，使电力系统严重受损。这些由不可抗力引起的
46、电网破坏无不使人引发出一个重要的思考：提高我国电力系统供电的可靠性和供电质量，虽然主要依靠电网的改造和技术革新，但如果在电网中有许多分布式电源在运转，供电的可靠性将会大大提高。对于象军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电力供应的可靠性和质量要求很高。目前采用的备用电源效率低、污染严重、电压波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提供电力，会使供电的可靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。对于边远地区，负荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大。且电网末端地区电力质量不稳定
47、对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式电源，更能有效地解决这些地区的电力供应问题。燃料电池的重量比功率和体积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是理想的移动电源，适合于各种建设工地、野外作业和临时急用。(4)发展燃料电池发电技术是提高国家能源和电力安全的战略需要美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一。美、日之所以能在燃料电池技术方面处于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动密不可分。在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的战略意义，而燃料电池发电技术，正是这种高效清洁的高新发电技术之一。燃料电池突出的优
48、点，以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在2l世纪会起到越来越重要的作用。(5)发展燃料电池发电技术是电力行业“加强技术创新，发展高科技，形成高新技术产业一的需要燃料电池发电技术是电力工业中的高新技术，己受到普遍重视。美国燃料电池发电技术的研究开发主要由美国能源部组织实施，其中一个重要的目的就是形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力。日本的东京电力公司、关西电力公司及其它公用事业单位是日本燃料电池开发及商业化的主要承担者和推动者，其目的也是为电力公司注入新的经济增长点以获得巨大的经济效益和社会效益。国家电网公司处在完成“两型”、“两化”、“进入世界500强”的
49、历史时刻，恰逢党中央国务院号召全国各行业“加强技术创新，发展高科技，实现产业化”的有利时机，在我国电力系统内不失时机地进行燃料电池发电技术的研究开发是非常必要的。采取引进、消化、吸收和再创新的技术路线以高起点，在尽可能短的时间内初步形成自主产权的燃料电池发电关键技术，不仅可以使我国在燃料电池发电技术领域与国外的差距大大缩小，而且，对我国电力系统进行发电系统的结构调整、技术创新、形成高新技术产业、实现跨越式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。(6)燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景未来二十年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的不断完善及液化天然气(LNG)的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。煤层气也是燃料电池的理想燃料。我国丰富的煤层气资源也将是燃料电池发电的巨大潜在能源之一。燃料电池可与常规燃气一蒸汽联合循环结合，形成更高效率的发电方式。与煤气化联合循环0GCC)结合，形成数百兆
