燃料电池——能源转换的新来源

    传统的供电系统的特点是由远离消费者的大型发电厂组成，因此需要具备广泛的输电网络将电力输送给用户。
    目前，由于在欧洲、北美和世界上其它地区对电力生产行业实行放松管制和松绑，一大批中小型分散式电厂涌现出来。质子交换膜（PEM）燃料技术通过其可带来财政收益和改善环境的解决方案对电力行业这一变革起到了促进和加速发展的作用。
燃料电池的发展历史
    1839年， W1111am Grove爵士通过将水的电解过程逆转而发现了燃料电他的原理。他能够从氢气和氧气中获取电能。由于氢气在自然界不能自由地得到，在随后的几年中，人们一直试图用煤气作为燃料，但均未获得成功。 1866年， Werner von Siemens先生发现了机一电效应。这一发现启动了发电机的发展，并使燃料电池技术黯然失色。直到20世纪60年代，宇宙飞行的发展，才使燃料电池技术重又提到议事日程上来。出于对能保护环境的能源供应的需求，激发了人们对燃料电池技术的兴趣。

燃料电池的原理
    燃料电池是一个电化学系统。它将化学能直接转化为电能且废物排放量很低。燃料电池由3个主要部分组成：电能且废物排放量很低。燃料电池由3个主要部分组成：
    燃料电极（正极）
    电解液
    空气／氧气电极（负极）
    其工作原理是：从正极处的氢气中抽取电子（氢气被电化学氧化掉，或称“燃烧掉了”）。这些负电子流到导电的正极，同时，余下的正原子（氢离子）通过电解液被送到负极。
    在负极，离于与氧气发生反应并从负极吸收电子。这一反应的产品是电流、热量和水。图1给出了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的功能图。图之给出的是典型的PEMFC的结构。
    由于燃料电池不会燃烧出火焰，也没有旋转发电机，所以燃料的化学能直接转化为电能。这一过程具有许多重要的优点：
    这一过程的电效率比任何其它形式的发电技术的电效率都高。
    废气如SO2，NOx和CO的排放量极低。
    由于燃料电池中无运动部件，燃料电池工作时很安静且无机械磨损。
    电与热量可结合起来用（热电联产厂）。
    燃料电池的工作特性可满足各种负荷水平要求。 
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燃料电池的类型
    目前，有5种已知的燃料电池类型。其名称与采用的相应的电解质有关。
    （1）碱性燃料电池（AFC）——采用氢氧化钾溶液作为电解液。
    这种电解液效率很高（可达60一90％），但对影响纯度的杂质，如二氧化碳很敏感。因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。
 
    （2）质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。这种电解质具有高功率一重量比和低工作温度。是适用于固定和移动装置的理想材料。
    （3）磷酸燃料电池（PAFC）采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。很适合用于分散式的热电联产系统。
    （4）熔融碳酸燃料电池（MCFC）的工作温度可达650℃。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。
    （5）固志氧燃料电池（SOFC）采用的是固态电解质（钻
石氧化物），性能很好。他们需要采用相应的材料和过程处
理技术，因为电池的工作温度约为1000℃。
 
    目前，一些研究机构正在进行燃料电池的开发与研究。但是，在国际公认的是，在过去的十年中， PEMFC技术已发展到实用阶段。然而，其工业化过程尚未成熟。而且还需做进一步努力以降低这种技术的成本。

燃料电池的应用
    将来，在固定和移动式发电厂中采用燃料电池可以使对环境的污染减少到现有技术还不能达到的水平。这可用
于依赖常规能源的系统，这些常规能源包括石油、柴油甲醇或天然气等。汽车工业己选择了燃料电池作为未来的动
力来源以满足减少废气排放的要求。PEMFC采用了适当的技术规范，用在移动和固定式发电、动力系统都很合适。
热电联产系统（CHP）或热电联产电厂是为需要电力以及供热或制冷的用户而设计的。根据电厂和燃料的类型，
CHP的电效率约为35％。 CHP电厂的能源转换是一个四级过程，在此，燃料的化学能通过热能及机械能处理过程转
换为电能。燃料电池采用的是“冷燃烧”过程，直接式能量转换器将燃料电池的化学能转化为电与热。{{分页}}
    市场研究表明对分散式发电的最大需求预计是在100到150kW的范围之间。在这个范围内，燃料电池提供了
最大的效率收益，电效率可高达40％ ；通过对热量输出的利用，单机效率可超过80％。此外，燃料电池具有出色的部分负荷特性、可靠性和静音无振动运行的方式，从环境角度来说是可接受的。用于PEMFC的天然气的碳含量很低，从而使二氧化碳排放量大大地减少了。
实验性项目
    ALSTOM公司输配电部的位于德国的专业化分散式供电部门正在为欧洲电力公司提供4套PEMFC。调试工作将于1999年到2000年间进行。这4套PEMFC将提供给：
    位于德国柏林的Bewag公司及其合作伙伴：法国巴黎的法国电力公司（EdF），德国汉堡的HEW公司，以及德国汉诺威的PreussenmehT8公司。
    位于瑞士明兴施泰因的Elektra BirseckMunchenstein公司
    位于比利时列日的Societe Cooperative Liegeoised’ electricite公司
    位于荷兰阿姆斯特丹的Energie Noord West公司
    每一套装置都包括了一整套采用天然气发电的电力系统。所有需要的部件均安装在一个箱体中，（见图3）。箱体的容积约为42立方米。图4所示的PEMFC试验电厂包括如下6个分单元：
    发电（燃料电池组）
    燃气制备
    空气压缩机
    水再生利用
    逆变器

     测量与控制系统
    由于燃料电池只能将氢气和氧气转换为电能，采用的天然气原料必须先转换为氢气浓度很高的气体。天然气被压缩到所需的系统压力并清理脱掉硫和其它化学物质。在蒸发器和重整炉中，燃气充以水蒸气，天然气被转换为氢气、一氧化碳和二氧化碳。产生的一氧化碳必须降至对聚台膜安全的水平。这可在转换反应器中和选择氧化剂达到此要求。
    涡轮增压器将空气压缩到系统压力；然后将气体冷却到80℃的温度，并加以湿润化之后，输送给负极的电池组。过程中产生的热量可通过热交换器将水加热用于区域供热网络或空调系统。之后，水循环流回燃气重整过程中。未使用完的氢气则用于加热重整炉和蒸发器。
    燃料电池组由许多串联在一起的单个燃料电池组成。燃料电池组产生的直流电压通过逆变器被转换为电力系统所需的交流电。图5所示为安装在试验电厂中的燃料电池组。开关设备，测量传感器，控制元件及全部控制系统部集成在燃料电池系统中。标准PEMFC的额定选择容量为250kW。这种天然气电厂的性能参数见图6中的表格。


展望燃料电池的未来
    燃料电池可在一秒钟之内迅速提供满负荷动力，并可承受短时过负荷（几秒钟）。其特性很适合作为备用电源或安全保证电源。为实现这些动态特性，在供电侧必须有独立的氢气来源。除了将PEMFC用于空间飞行，移动式和固定式设备外，开发小型化的PEMFC系统的工作也正在开展，作为便携式电源系统用于笔记本电脑和摄象机等装置。
    许多美国厂家都有采用PEMFC（＜10 kW）的国内示范项目。更广泛的应用只有当电池组成本大大下降之后才有可能。因为在这一应用中， PEM技术直接与常规的锅炉在产生热量方面进行竞争。在不同领域进行的大量研究对PEMFC的发展很有利，而且对其具有正面的、长期的影响，并可进一步加快PEMFC投入商业应用的进程。
    开发可用于车辆的移动式PEMFC是发展这项技术的主要驱动力。通过在汽车工业大量使用PEMFC而带来预期的成本下降，将使固定式发电受益非浅，反之亦然。这些专门的应用领域意味着PEMFC技术是今后几年中可获得突破的几项未来技术中的一项，而且不需要耗费大量的政府投资。