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燃料电池发展综述 摘要 本文对燃料电池的基本概念，基本工作原理和特性作了详细介绍，对其工作效率和 提高效率的方法作了定量讨论，并着重研究了在中国有广阔应用前景的熔融氧化物燃料电 池发电装置的工作情况，提出了改进方案。 关键词 燃料电池 MCFC 整体煤气化联合循环燃料电池 1 引言 能源作为现代人类文明的支柱产业之一，越来越受到人们的高度重视。目前能源利用中存 在两大问题： 利用效率不高：普通的热力发电效率平均仅为 30%－40%，面对日益紧 缺的能源现状，提高能源利用效率迫在眉睫。 （2）污染严重：能源消耗中所产生的各种 废气已严重污染了环境，给人类和生物生存空间带来严重威胁。面对如此现状，研究开发 高效，节能，低污染的绿色技术--燃料电池成为当今一大热门话题。 由于成本过高，难以投入实际生产等原因，燃料电池（fuel cell）自从 1893 年由英 国人 W.Grove 发明以后，曾一度被遗忘，直到本世纪 60 年代后期也只能被用于阿波罗（ Apollo）和双子星座（Gemini）宇宙飞船等特殊场合。可是近年来，由于低价格催化剂的开 发，再加上许多一般发电方式不可比拟的优点，燃料电池发电特别是大规模发电厂的建设 又重新为人们所重视。 一般的火力发电是把燃料转换为热能，驱动气轮机旋转而发电，而燃料电池是把燃料 的化学能直接转变为电能的装置，省去了热机的环节。燃料电池比普通发电方式有众多优 点：1.不受热机效率（卡诺循环）的限制，从而使循环效率有了质的提高。实际效率可达 60%以上。这比普通的蒸汽发电有很大的优越性。2.产物污染少，例如：氢氧燃料电池的 最终产物只有水。3.由于无大型旋转机械，故噪音小。 目前燃料电池的发展主要有两种趋势：第一是小型化，以适应在汽车和手提电脑内使 用，主要以 PEMFC 为代表。第二种是形成规模化燃料电池发电厂，以期替代传统的火力发 电形成第四代新型能源。这方面主要以熔融碳酸盐型 MCFC 为代表。本文将重点对其进行讨 论。 2 燃料电池基本工作原理 按一般电池的表示方法，燃料电池可表示为 Re/电解质/Ox 式中，Re 表示氢，肼，烃，CO 等 活性还原剂。Ox 表示氧，过氧化氢等氧化剂；电解质为用氢氧化钾溶液，浓磷酸溶液，离 子交换膜，熔融碳酸盐等，其原理模型如图 1 所示。 比如现在设想一个用氢作燃料，用氧做氧化剂，电解质用氢氧化钾溶液的燃料电池。这个 电池的体系可表示为 H /KOH/O 这时电池反应为： 图 1 燃料电池原理模型 负极侧 正极侧 总反应 由于燃料电池的基本性能对电站设计起重要作用，故首先对其进行必要的讨论。电池有两 大基本性能参数：1.发电能量 2.开路电压。现分别分析如下： （1）.最大发电能量 根据化学热力学知，对以可逆定温反应 的燃料电池，设 和 稳定流入系统，而 从系统稳 定流出，忽略动能和位能变化，则此燃料电池在标准状态下对外做的最大有用功为： 由 得： 即消耗每 kJ ，最大可发出 237146kJ 的电能。 如反应温度变为 500K，根据 G=H-TS 得： 不同温度下（其它参数不变） 燃料电池反应的最大输出电能如图 3 所示 ， 可见，随着温度的升高，输出最大有用功略有下降。 （2）.开路电压 一般电池电动势等于组成电池的两个电极的平衡电极电相位差。如下式: 式中： E 为电池的电动势（V） 为正极平衡电极电位（V） 为负极平衡电极电位（V） 在非标准状态下，电极电位由 方程给出 其中 a 和 分别为电极反应中氧化态和还原态物质活度。对于总反应为 的燃料电池有： （1） 其中 ，可见，提高温度可使开路电压和 E 提高，如 T=273.15 时 而当 T=900K 时，由式（1）可算得 E=1.56v,同时我们看到，T 不变时， 与 lgP P 成正比， 如图 4 所示 图 4 压力的对数与开路电压线性关系示意图 可见：1.单个燃料电池电压很低，实际生产中要采用多个电池串连的电堆（Stack）的方 式。2.提高反应温度 T 和反应气体压力可提高输出电压，从而提高电池性能，这对后面的 设计有重要的指导作用。 下面讨论燃料电池的效率问题：燃料电池的理想效率就是燃料电池在保持电动势 E 值的情 况下做功，即以无限小的电流做功的理想值。据前面的叙述，其最大值为 。设燃料的燃 烧热为 Q＝－ ，则燃料电池的理想热效率（即最大热效率） 为 例如在 E 为标准电势时，如 T=25 ，对 则 ＝ 当 T=427 时 ＝0.852,可见，温度的提高可使 变大。燃料电池工作时由于内电阻和极化等 原因，一部分能量转化为热能而耗散掉，使实际电压 V 小于理论值 E，定义电压效率 ，则 燃料电池的实际热效率 ,同时燃料电池发电系统的效率还包括燃料处理装置和逆变器的效