1、燃料電池發展綜述摘要 本文對燃料電池的基本概念，基本工作原理和特性作了詳細介紹，對其工作效率和提高效率的方法作了定量討論，並著重研究了在中國有廣闊應用前景的熔融氧化物燃料電池發電裝置的工作情況，提出了改進方案。關鍵字 燃料電池 MCFC 整體煤氣化聯合迴圈燃料電池Abstract: The basic concept, working principle and characteristics of the fuel cell are described in detail. The efficiency and the methods to increase efficiency of th
2、e fuel cell are studied through calculation. The performance of the MCFC power plant which can be widely used in China in the future have also been investigated in detail. The improvement to achieve high efficiency are presented.KEY WORD: FUEL CELL , MCFC , IGCMFC1 引言能源作為現代人類文明的支柱產業之一，越來越受到人們的高度重視。目
3、前能源利用中存在兩大問題：（1）利用效率不高：普通的熱力發電效率平均僅為 30%40% ，面對日益緊缺的能源現狀，提高能源利用效率迫在眉睫。 （2）污染嚴重：能源消耗中所產生的各種廢氣已嚴重污染了環境，給人類和生物生存空間帶來嚴重威脅。面對如此現狀，研究開發高效，節能，低污染的“綠色技術 “-燃料電池成為當今一大熱門話題。由於成本過高，難以投入實際生產等原因，燃料電池（fuel cell）自從 1893 年由英國人 W.Grove 發明以後，曾一度被遺忘，直到本世紀 60 年代後期也只能被用於阿波羅（Apollo）和雙子星座（Gemini）太空船等特殊場合。可是近年來，由於低價格催化劑的開發，
4、再加上許多一般發電方式不可比擬的優點，燃料電池發電特別是大規模發電廠的建設又重新為人們所重視。一般的火力發電是把燃料轉換為熱能，驅動氣輪機旋轉而發電，而燃料電池是把燃料的化學能直接轉變為電能的裝置，省去了熱機的環節。燃料電池比普通發電方式有眾多優點：1.不受熱機效率（卡諾迴圈）的限制，從而使迴圈效率有了質的提高。實際效率可達60%以上。這比普通的蒸汽發電有很大的優越性。2.產物污染少，例如：氫氧燃料電池的最終產物只有水。3.由於無大型旋轉機械，故噪音小。目前燃料電池的發展主要有兩種趨勢：第一是小型化，以適應在汽車和手提電腦內使用，主要以 PEMFC 為代表。第二種是形成規模化燃料電池發電廠，以
5、期替代傳統的火力發電形成第四代新型能源。這方面主要以熔融碳酸鹽型 MCFC 為代表。本文將重點對其進行討論。2 燃料電池基本工作原理按一般電池的表示方法，燃料電池可表示為 Re/電解質/Ox 式中，Re 表示氫，肼，烴，CO 等活性還原劑。Ox 表示氧，過氧化氫等氧化劑；電解質為用氫氧化鉀溶液，濃磷酸溶液，離子交換膜，熔融碳酸鹽等，其原理模型如圖 1 所示。 比如現在設想一個用氫作燃料，用氧做氧化劑，電解質用氫氧化鉀溶液的燃料電池。這個電池的體系可表示為 H /KOH/O 這時電池反應為： 圖 1 燃料電池原理模型負極側 正極側 總反應 由於燃料電池的基本性能對電站設計起重要作用，故首先對其進
6、行必要的討論。電池有兩大基本性能參數：1.發電能量 2.開路電壓。現分別分析如下：（1）.最大發電能量根據化學熱力學知，對以可逆定溫反應 的燃料電池，設 和 穩定流入系統，而 從系統穩定流出，忽略動能和位能變化，則此燃料電池在標準狀態下對外做的最大有用功為：由 得： 即消耗每 kJ ，最大可發出 237146kJ 的電能。如反應溫度變為 500K，根據 G=H-TS 得：不同溫度下（其他參數不變） ， 燃料電池反應的最大輸出電能如圖 3 所示 可見，隨著溫度的升高，輸出最大有用功略有下降。（2）.開路電壓一般電池電動勢等於組成電池的兩個電極的平衡電極電相位差。如下式:式中： E 為電池的電動勢
7、（V）為正極平衡電極電位（V）為負極平衡電極電位（V）在非標準狀態下，電極電位由 方程給出其中 a 和 分別為電極反應中氧化態和還原態物質活度。對於總反應為 的燃料電池有： （1）其中 ，可見，提高溫度可使開路電壓和 E 提高，如 T=273.15 時 而當 T=900K 時，由式（1）可算得 E=1.56v,同時我們看到，T 不變時， 與 lgP P 成正比，如圖 4 所示圖 4 壓力的對數與開路電壓線性關係示意圖可見：1.單個燃料電池電壓很低，實際生產中要採用多個電池串連的電堆（Stack）的方式。2.提高反應溫度 T 和反應氣體壓力可提高輸出電壓，從而提高電池性能，這對後面的設計有重要的
8、指導作用。下面討論燃料電池的效率問題：燃料電池的理想效率就是燃料電池在保持電動勢 E 值的情況下做功，即以無限小的電流做功的理想值。據前面的敍述，其最大值為 。設燃料的燃燒熱為 Q ，則燃料電池的理想熱效率（即最大熱效率） 為 例如在 E 為標準電勢時，如 T=25 ，對 則 當 T=427 時 0.852,可見，溫度的提高可使 變大。燃料電池工作時由於內電阻和極化等原因，一部分能量轉化為熱能而耗散掉，使實際電壓 V 小於理論值 E，定義電壓效率 ，則燃料電池的實際熱效率 ,同時燃料電池發電系統的效率還包括燃料處理裝置和逆變器的效率和餘熱利用。故燃電池發電系統總效率 其中底迴圈（Bottomi
9、ng Cycle）為餘熱或未反應的尾氣供燃氣輪機和蒸汽輪機發電，供熱是將餘熱用於採暖，實現熱電聯產。由此可見，充分利用底迴圈可有效提高總體效率。這也是後面改進的一大方向。目前我國的電力供應以煤為主要燃料，效率低，污染大。為了改變現狀，迫切需要發展新型綠色能源，而燃料電池大家族中的一員-MCFC 熔融碳酸鹽型燃料電池無疑是最佳選擇。MCFC 的基本結構如圖 5 示：圖 5 MCFC 的基本工作原理該電池用多孔 NiO 作陰極，多孔 Ni 作陽極，熔融碳酸鹽作電解質，電極反應為負極側 正極側 總反應 此反應的熱力學和電化學性質在前面已經詳細討論過，故在下面將直接引用。該電池開路電壓可見要提高開路電
10、壓，必須提高 和 之入口分壓及反應溫度。同時電池本體效率（非總體效率） 。如認為每消耗 1mol 釋放 1.930 電量，則 T=1000K 時， ，則 可見燃料電池效率 與單體電壓 E 成正比，E 變大則 變大。可見，只有提高反應溫度和壓力，才可使 E 提高，從而效率也提高。綜上所述,提高壓力和溫度是提高發電性能和效率的主要手段。MCFC 的高效率也正是因為其 1000K 的反應溫度和 3atm 以上的工作壓力。可是，為了維持如此的燃料氣進口壓力和溫度，需要壓氣機做功，並且預支大量的熱量。這些能量從何而來最經濟？反應後的高溫高壓尾氣含有大量熱值很高的氫氣，該如何利用?煤氣化是當前方興未艾的新
11、技術，如何把它用於 MCFC 發電廠？針對以上問題，筆者設想了下面的煤氣化 MCFC 聯合發電廠示意圖（圖 6） 。為了便於定量分析，一些細節問題圖中已做了簡化，並且設想了可能的參數。圖 6 筆者設想的 MCFC 聯合迴圈發電廠結構示意圖設想的燃料電池發電廠基本發電過程如下：首先將煤與 593 ，5atm 的水蒸汽在高溫下反應： ，生成 900 的 ，再經過換熱器 後脫硫（除去 ,防止催化劑中毒） ，最後溫度降為 進入燃料電池陽極，此時氣壓為 ，反應後之剩餘氣體中含 和未反應之 ，經過分離器 B 後分為兩路，分離的水蒸汽凝結成 的水後經換熱器 溫度升為 ，重新進入燃料轉換器與 C 反應。分離之
12、 可用於燃氣 -蒸汽聯合迴圈（將在後面介紹） 。 的空氣經壓氣機壓力升為 ， 後經換熱器，溫度升為 進入陰極反應，並將反應中電池內阻產生的熱帶出，反應後之 氣體進入透平做功，做的功一部分推動壓氣機給電池陰極提供高壓空氣，一部分驅動發電機發電。從陽極排出的尾氣因含有大量未反應的氫氣故首先經分離器分離為 76度的水和富氫氣體，水用於煤氣化，充分節約了發電用水，而氫氣則用於燃氣-蒸汽聯合迴圈（後面將詳細闡述） 。這套裝置有以下幾大特點：1）利用煤氣化的熱量。在燃料轉換器中之反應該反應的反應熱為 ，為放熱反應。裝置中將該熱量通過換熱器 加熱水蒸氣，避免了額外支出能量。2）利用反應後陰極的剩餘尾氣帶出反
13、應中電池產生的歐姆熱，推動透平做功，發電的同時帶動壓氣機為陰極提供高壓燃氣。3）把未反應完的富氫陽極尾氣分離出水後送至燃氣蒸氣聯合循環系統發電。4）部分最終的尾氣可用于廠區的空氣調節。5）由於技術限制，在 C 中對煤氣進行脫硫處理時，溫度不可太高。故利用換熱器 E1,E2 對進出脫硫裝置的氣體進行降溫升溫處理，充分節約了能量。下面定量對該電站的發電效率進行計算：從圖中可以看出，電池陽極和陰極入口處氣壓為3.5atm，陽極為等量的 和 ，陰極為空氣，即 23% 和 77% 。所以 和 分壓分別為 和 ，所以該燃料電池反應中輸出的最大有用功可以由下面的吉布斯方程計算出： 假設每小時有 流入陽極，
14、利用率為 80%，則根據前面算得的最大有用功 （圖示工況下）可知，燃料電池發電效率為而 的熱值 H 為 。由此可知燃料電池本體的效率為若考慮對反應完之排出氣體進行聯合迴圈，則總體效率將更高。還假設 流量為 陰極處空氣流量為 ，根據反應式知 消耗量為則從陰極出口流出的廢氣流量為同時透平入口溫度 ，經過透平壓力降為 ， ,將氣體近似看作氮氣，則每小時對外做功量為:根據圖 6 知，設透平驅動壓氣機 C 每小時做功為 ，空氣流量 ,出口溫度為 ， ，入口溫度為 ，則故透平實際向外輸出電能最大為可見，當使用透平作為聯合迴圈後，燃料電池發電系統總效率為 可見效率有明顯提高，整個電站向外輸電功率為 8274
15、4005227kW 為 5.2 兆瓦級電站，以上只是考慮了燃料電池本體的發電效率，為了全面地將設想的燃料電池發電廠和普通火力發電廠進行效率比較，需考慮煤氣化的效率，具體分析如下：因為每小時有近 的氫氣用於發電，則根據反應式可知炭消耗率為 ，即 。設想在轉換器中，標準煤被氣化的效率為 80%(這是目前煤氣化的一般水準)，則消耗煤率為根據前面的計算，對應的發電量為 ，則發電耗煤率為並且可知，整個電站總效率為 。為了便於比較，再看一下普通火力電廠的情況：其發電過程為：煤燃燒 高溫高壓蒸氣 透平 發電機 電能考慮透平，鍋爐和發電機的實際效率後，普通電廠的發電耗煤率平均約為 320g/kWh,總效率約為
16、 40。可見無論效率還是耗煤量 MCFC 電廠都遠遠優於普通火力電廠，消耗單位品質標準煤 MCFC 電廠發電量是普通火力電站的 320/130=2.46 倍，燃料電池大規模發電的優越性可見一斑。同時我們看到，由於氫氣利用率只有 80，每小時就有 的氫氣作為尾氣排出，可設想將這一部分氫氣先引入燃氣輪機，燃燒膨脹做功，驅動發電機發電，再用燃氣輪機排出的高溫廢氣加熱蒸汽鍋爐，產生高溫高壓蒸汽推動透平 對外做功發電，整個附加裝置如圖 7.所示。圖 7使用此方法充分利用燃料電池未反應的尾氣，可使總反應的 效率進一步提高。3 經濟性分析最後，我們再從經濟角度分析該套裝置的可行性。燃料電池聯合迴圈的經濟性分
17、析以裝置的單位發電成本價格為標準。裝置的年總投資費用為 PE:PE=CAP+M+OMM= FH式中：CAP 裝置總資本的年消耗額M 燃料的年消耗C 裝置總資本F 燃料能量的消耗率OM 裝置運行和維護的年費用燃料單位能量的價格（標準煤耗價格）H 裝置的年運行小時數可得出單位發電價格：式中：W 裝置的發電功率 (KW)對比上述改進後的燃料電池聯合迴圈和普通發電裝置的單位發電價格 ，燃料電池聯合循環由於結合了多項新技術，初期建設的一次性投資大，故 CAP 項的值較大，可據前面單位發電耗煤量的比較計算可知其 M 項的值較小；普通發電裝置中 CAP 項的值較小，而 M 項對應值則大得多。同時，由於燃料電
18、池發電運行穩定，日常維護費用 OM 低,且由於尾氣中無粉塵, 等污染物，故不需要高昂的尾氣淨化費用。因此，燃料電池聯合迴圈的優點就在於其裝置迴圈的效率高，原料的消耗較小，日常運行費用低，但初期投資高是其一大問題。為保證效率提高時裝置的單位發電價格不至升高，應有下式：可以得到以下結果:可見，效率提高時，裝置的投資費用的提高有一個限制。因此，在改進燃料電池聯合迴圈效率時，需要考慮裝置投資費用的提高程度。事實上，由於採用了低成本催化劑，高溫脫硫等技術，電站的建設費用可大為降低。針對目前中國現狀，我們設想可以在常規電站的基礎上改建成 MCFC 電站，充分利用電站現有資源，這樣可以縮短建設週期，節約費用
19、。燃料電池聯合迴圈的運行穩定性同樣對整個運營效率也有很大貢獻，因為普通發電啟停一次要耗電能折合標準煤 120150 噸，停運次數增加，加之啟動成功率的影響，年均消耗的燃料就要多，最終造成全年平均燃料消耗率偏高。而燃料電池發電由於無大型旋轉機械，故障率低，可以連續穩定運轉，H 值遠高於普通發電，導致 降低，故有很大的經濟應用前景。結束語以上只是對燃料電池發電技術的一些初淺分析和改進，可是從中我們足以看出，燃料電池發電技術目前雖然還有很多不成熟之處，可是效率高，污染小的優點必將使它成為下一代綠色能源強有力的競爭者。參 考 文 獻【1】 工程熱力學題型分析（第二版） ，朱明善 劉穎 史琳，清華大學出
20、版社，2000，4【2】 電工高新技術叢書（第一分冊） ，中國電工技術學會，機械工業出版社，2000，4【3】 新電池讀本， （日）吉澤四郎等，化學工業出版社，1987；【4】 燃料電池開發和利用的必要性，彭茂公，能源研究與資訊，2000，3；【5】 離子交換膜燃料電池技術的發展和應用前景，汪繼強，電源技術，1995，19（4）：3842；【6】 燃料電池現狀和未來，衣寶廉，電源技術，1998，22（5）：216221；【7】 工業技術經濟學（第三版） ，傅家驥等，清華大學出版社；【8】Richard B.Ferguson.Apollo Fuel Cell power System Proc.23rd Power Sources Conf.1969,1113；【9】Donald S.Cameron.The Fifth Grove Fuel Cell Symposium.Platinum Metals Rev.1997,41,171175。
