燃料電池——能源轉換的新來(lái)源

    傳統的供電系統的特點(diǎn)是由遠離消費者的大型發(fā)電廠(chǎng)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(hù)。
    目前，由于在歐洲、北美和世界上其它地區對電力生產(chǎn)行業(yè)實(shí)行放松管制和松綁，一大批中小型分散式電廠(chǎng)涌現出來(lái)。質(zhì)子交換膜（PEM）燃料技術(shù)通過(guò)其可帶來(lái)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(jìn)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(guò)將水的電解過(guò)程逆轉而發(fā)現了燃料電他的原理。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)現了機一電效應。這一發(fā)現啟動(dòng)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(lái)。出于對能保護環(huán)境的能源供應的需求，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(gè)電化學(xué)系統。它將化學(xué)能直接轉化為電能且廢物排放量很低。燃料電池由3個(gè)主要部分組成：電能且廢物排放量很低。燃料電池由3個(gè)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(chēng)“燃燒掉了”）。這些負電子流到導電的正極，同時(shí)，余下的正原子（氫離子）通過(guò)電解液被送到負極。
    在負極，離于與氧氣發(fā)生反應并從負極吸收電子。這一反應的產(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的結構。
    由于燃料電池不會(huì )燃燒出火焰，也沒(méi)有旋轉發(fā)電機，所以燃料的化學(xué)能直接轉化為電能。這一過(guò)程具有許多重要的優(yōu)點(diǎn)：
    這一過(guò)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(wú)運動(dòng)部件，燃料電池工作時(shí)很安靜且無(wú)機械磨損。
    電與熱量可結合起來(lái)用（熱電聯(lián)產(chǎn)廠(chǎng)）。
    燃料電池的工作特性可滿(mǎn)足各種負荷水平要求。 
 {{分頁(yè)}}

燃料電池的類(lèi)型
    目前，有5種已知的燃料電池類(lèi)型。其名稱(chēng)與采用的相應的電解質(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(diǎn)限制了將其應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(dòng)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。
    （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。他們需要采用相應的材料和過(guò)程處
理技術(shù)，因為電池的工作溫度約為1000℃。
 
    目前，一些研究機構正在進(jìn)行燃料電池的開(kāi)發(fā)與研究。但是，在國際公認的是，在過(guò)去的十年中， PEMFC技術(shù)已發(fā)展到實(shí)用階段。然而，其工業(yè)化過(guò)程尚未成熟。而且還需做進(jìn)一步努力以降低這種技術(shù)的成本。

燃料電池的應用
    將來(lái)，在固定和移動(dòng)式發(fā)電廠(chǎng)中采用燃料電池可以使對環(huán)境的污染減少到現有技術(shù)還不能達到的水平。這可用
于依賴(lài)常規能源的系統，這些常規能源包括石油、柴油甲醇或天然氣等。汽車(chē)工業(yè)己選擇了燃料電池作為未來(lái)的動(dòng)
力來(lái)源以滿(mǎn)足減少廢氣排放的要求。PEMFC采用了適當的技術(shù)規范，用在移動(dòng)和固定式發(fā)電、動(dòng)力系統都很合適。
熱電聯(lián)產(chǎn)系統（CHP）或熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(chǎng)是為需要電力以及供熱或制冷的用戶(hù)而設計的。根據電廠(chǎng)和燃料的類(lèi)型，
CHP的電效率約為35％。 CHP電廠(chǎng)的能源轉換是一個(gè)四級過(guò)程，在此，燃料的化學(xué)能通過(guò)熱能及機械能處理過(guò)程轉
換為電能。燃料電池采用的是“冷燃燒”過(guò)程，直接式能量轉換器將燃料電池的化學(xué)能轉化為電與熱。{{分頁(yè)}}
    市場(chǎng)研究表明對分散式發(fā)電的最大需求預計是在100到150kW的范圍之間。在這個(gè)范圍內，燃料電池提供了
最大的效率收益，電效率可高達40％ ；通過(guò)對熱量輸出的利用，單機效率可超過(guò)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(wú)振動(dòng)運行的方式，從環(huán)境角度來(lái)說(shuō)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(shí)驗性項目
    ALSTOM公司輸配電部的位于德國的專(zhuān)業(yè)化分散式供電部門(mén)正在為歐洲電力公司提供4套PEMFC。調試工作將于1999年到2000年間進(jìn)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(shí)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。所有需要的部件均安裝在一個(gè)箱體中，（見(jiàn)圖3）。箱體的容積約為42立方米。圖4所示的PEMFC試驗電廠(chǎng)包括如下6個(gè)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
    由于燃料電池只能將氫氣和氧氣轉換為電能，采用的天然氣原料必須先轉換為氫氣濃度很高的氣體。天然氣被壓縮到所需的系統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。這可在轉換反應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(guò)程中產(chǎn)生的熱量可通過(guò)熱交換器將水加熱用于區域供熱網(wǎng)絡(luò )或空調系統。之后，水循環(huán)流回燃氣重整過(guò)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(gè)燃料電池組成。燃料電池組產(chǎn)生的直流電壓通過(guò)逆變器被轉換為電力系統所需的交流電。圖5所示為安裝在試驗電廠(chǎng)中的燃料電池組。開(kāi)關(guān)設備，測量傳感器，控制元件及全部控制系統部集成在燃料電池系統中。標準PEMFC的額定選擇容量為250kW。這種天然氣電廠(chǎng)的性能參數見(jiàn)圖6中的表格。


展望燃料電池的未來(lái)
    燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿(mǎn)負荷動(dòng)力，并可承受短時(shí)過(guò)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(shí)現這些動(dòng)態(tài)特性，在供電側必須有獨立的氫氣來(lái)源。除了將PEMFC用于空間飛行，移動(dòng)式和固定式設備外，開(kāi)發(fā)小型化的PEMFC系統的工作也正在開(kāi)展，作為便攜式電源系統用于筆記本電腦和攝象機等裝置。
    許多美國廠(chǎng)家都有采用PEMFC（＜10 kW）的國內示范項目。更廣泛的應用只有當電池組成本大大下降之后才有可能。因為在這一應用中， PEM技術(shù)直接與常規的鍋爐在產(chǎn)生熱量方面進(jìn)行競爭。在不同領(lǐng)域進(jìn)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(cháng)期的影響，并可進(jìn)一步加快PEMFC投入商業(yè)應用的進(jìn)程。
    開(kāi)發(fā)可用于車(chē)輛的移動(dòng)式PEMFC是發(fā)展這項技術(shù)的主要驅動(dòng)力。通過(guò)在汽車(chē)工業(yè)大量使用PEMFC而帶來(lái)預期的成本下降，將使固定式發(fā)電受益非淺，反之亦然。這些專(zhuān)門(mén)的應用領(lǐng)域意味著(zhù)PEMFC技術(shù)是今后幾年中可獲得突破的幾項未來(lái)技術(shù)中的一項，而且不需要耗費大量的政府投資。