燃料動(dòng)力電池百科知識(shí)大全

最小的燃料動(dòng)力電池燃料動(dòng)力電池燃料動(dòng)力電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能筆直轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料動(dòng)力電池，電就被奇特地加工出來(lái)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。燃料動(dòng)力電池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有約莫160年的歷史。

目錄1物質(zhì)簡(jiǎn)介2能量變化3歷史4我國(guó)發(fā)展?fàn)顩r5國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r6特點(diǎn)與原理7分類8發(fā)電系統(tǒng)9評(píng)估10經(jīng)濟(jì)性11展望12相關(guān)詞條13相關(guān)鏈接燃料動(dòng)力電池-物質(zhì)簡(jiǎn)介燃料動(dòng)力電池燃料動(dòng)力電池十分復(fù)雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等學(xué)科的有關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，燃料動(dòng)力電池具有以下特點(diǎn)：

（1）能量轉(zhuǎn)化效率高他筆直將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)的燃料—電能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率約莫在30%～40%。

（2）有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低CO2排放因能量轉(zhuǎn)換效率高而大幅度降低，無(wú)機(jī)械振動(dòng)。

（3）燃料適用范圍廣。

（4）積木化強(qiáng)規(guī)模及安裝地點(diǎn)靈活，燃料動(dòng)力電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可依據(jù)要由電池堆組裝，十分方便。燃料動(dòng)力電池?zé)o論作為聚集電站還是分布式電，或是作為小區(qū)、廠、大型建筑的獨(dú)立電站都非常適宜。

（5）負(fù)荷應(yīng)和快，運(yùn)行質(zhì)量高燃料動(dòng)力電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率，而且電廠離負(fù)荷可以很近，從而改善了地區(qū)頻率偏移和電壓波動(dòng)，降低了現(xiàn)有變電設(shè)備和電流載波容量，減少了輸變線路投資和線路損失。

燃料動(dòng)力電池-能量變化

燃料動(dòng)力電池為了利用煤或者石油這樣的燃料來(lái)發(fā)電，非得先燃燒煤或者石油。它們?nèi)紵龝r(shí)萌生的能量可以對(duì)水加熱而使之變成蒸汽，蒸汽則可以用來(lái)使渦輪發(fā)電機(jī)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。這樣就萌生了電流。換句話說(shuō)，我們是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽缓蟀褵崮苻D(zhuǎn)換為電能。在這種雙轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，許多原來(lái)的化學(xué)能浪費(fèi)掉了。然而，燃料非常便宜，雖有這種浪費(fèi)，也不阻礙我們加工大量的電力，而無(wú)需昂貴的費(fèi)用。還有可能把化學(xué)能筆直轉(zhuǎn)換為電能，而無(wú)需先轉(zhuǎn)換為熱能。為此，我們非得使用電池。這種電池由一種或多種化學(xué)溶液組成，其中插入兩根稱為電極的金屬棒。每一電極上都進(jìn)行特殊的化學(xué)反應(yīng)，電子不是被釋出就是被吸收。

一個(gè)電極上的電勢(shì)比另一個(gè)電極上的大，因此，假如這兩個(gè)電極用一根導(dǎo)線連接起來(lái)，電子就會(huì)通過(guò)導(dǎo)線從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。這樣的電子流就是電流，只要電池中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這種電流就會(huì)持續(xù)下去。手電筒的電池是這種電池的一個(gè)例子。在某些情況下，當(dāng)一個(gè)電池用完了以后，人們迫使電流返回流入這個(gè)電池，電池內(nèi)會(huì)反過(guò)來(lái)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，電池能夠貯存化學(xué)能，并用于再次萌生電流。汽車?yán)锏男铍姵鼐褪沁@種可逆電池的一個(gè)例子。在一個(gè)電池里，浪費(fèi)的化學(xué)能要少得多，因?yàn)槠渲兄煌ㄟ^(guò)一個(gè)步驟就將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｈ欢姵刂械幕瘜W(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來(lái)制造手電筒的電池。假如你試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來(lái)為整個(gè)城市準(zhǔn)備電力，那么，一天就要花成本費(fèi)數(shù)十億美元。

燃料動(dòng)力電池-歷史

燃料動(dòng)力電池原理能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒(méi)有能源工業(yè)的發(fā)展就沒(méi)有現(xiàn)代文明。人類為了更加有效地利用能源一直在進(jìn)行著不懈的努力。歷史上利用能源的方式有過(guò)多次革命性的變革，從原始的蒸汽機(jī)到汽輪機(jī)、高壓汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，每一次能源利用方式的變革都極大地推進(jìn)了現(xiàn)代文明的發(fā)展。

隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。一是儲(chǔ)存于燃料中的化學(xué)能必需首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機(jī)端所獲得的效率惟有33~35%，一半以上的能量白白地?fù)p失掉了；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了巨量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。關(guān)于發(fā)電行業(yè)來(lái)說(shuō)，雖然采用的技術(shù)在不斷地升級(jí)，如開(kāi)發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機(jī)組，開(kāi)發(fā)出了流化床燃燒和整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，但這種努力的結(jié)果是：機(jī)組規(guī)模巨大、超高壓遠(yuǎn)距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率依然惟有35%左右，大規(guī)模的污染依然沒(méi)有得到根本處理。多年來(lái)人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環(huán)境的能源利用方式。這就是燃料動(dòng)力電池發(fā)電技術(shù)。

1839年英國(guó)的Grove發(fā)明了燃料動(dòng)力電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡(jiǎn)單的氫氧燃料動(dòng)力電池點(diǎn)亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料動(dòng)力電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機(jī)和電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究未能跟上，燃料動(dòng)力電池的研究直到20世紀(jì)50年代才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，英國(guó)劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)用功率水平的燃料動(dòng)力電池。60年代，這種電池成功地使用于阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開(kāi)始，氫氧燃料動(dòng)力電池廣泛使用于宇航范疇，同時(shí)，兆瓦級(jí)的磷酸燃料動(dòng)力電池也研制成功。從80年代開(kāi)始，各種小功率電池在宇航、、交通等各個(gè)范疇中得到使用。

燃料動(dòng)力電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，筆直轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料動(dòng)力電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以持續(xù)發(fā)電。根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料動(dòng)力電池分為堿性燃料動(dòng)力電池（AFC）、磷酸型燃料動(dòng)力電池（pAFC）、熔融碳酸鹽燃料動(dòng)力電池（MCFC）、固體氧化物燃料動(dòng)力電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池（pEMFC）等。燃料動(dòng)力電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無(wú)污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、比功率高，既可以聚集供電，也適合分散供電。

燃料動(dòng)力電池基本原理圖大型電站，火力發(fā)電由于機(jī)組的規(guī)模足夠大才能獲得令人滿意的效率，但裝有巨型機(jī)組的發(fā)電廠又受各種條件的限制不能貼進(jìn)用戶，因此只好聚集發(fā)電由電網(wǎng)輸送給用戶。但是機(jī)組大了其發(fā)電的靈活性又不能適應(yīng)戶戶的要，電網(wǎng)隨用戶的用電負(fù)荷變化有時(shí)呈現(xiàn)為高峰，有時(shí)則呈現(xiàn)為低谷。為了適使用電負(fù)荷的變化只好備用一部分機(jī)組或修建抽水蓄能電站來(lái)應(yīng)急，這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價(jià)的。傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量約莫有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料動(dòng)力電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能筆直轉(zhuǎn)換為電能，不要進(jìn)行燃燒，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無(wú)論大小實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，可以實(shí)現(xiàn)筆直進(jìn)入公司、飯店、賓館、家庭實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒(méi)有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達(dá)80%，裝置為集木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機(jī)供電、大到和目前的火力發(fā)電廠相比，非常靈活。

燃料動(dòng)力電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。國(guó)際能源界預(yù)測(cè)，燃料動(dòng)力電池是21世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電辦法之一。在我國(guó)人均能源資源貧乏，在目前電網(wǎng)由重要缺少電量轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾鄙傧到y(tǒng)備用容量、調(diào)峰能力、電網(wǎng)建設(shè)滯后和傳統(tǒng)的發(fā)電方式污染嚴(yán)重的情況下，研究和開(kāi)發(fā)微型化燃料動(dòng)力電池發(fā)電具有緊要意義，這種發(fā)電方式與傳統(tǒng)的大型機(jī)組、大電網(wǎng)相結(jié)合將給我國(guó)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

燃料動(dòng)力電池-我國(guó)發(fā)展?fàn)顩r

燃料動(dòng)力電池小型化在我國(guó)的燃料動(dòng)力電池研究始于1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開(kāi)展了MCFC的研究。70年代在航天事業(yè)的推動(dòng)下，我國(guó)燃料動(dòng)力電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間我國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制成功的兩種類型的堿性石棉膜型氫氧燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)（千瓦級(jí)AFC）均通過(guò)了例行的航天環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)。1990年我國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春使用化學(xué)研究所承擔(dān)了中科院pEMFC的研究任務(wù)，1993年開(kāi)始進(jìn)行筆直甲醇質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備研究所于1991年研制出由7個(gè)單電池包成的MCFC原理性電池。“八五”期間，中科院大連化學(xué)物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所、清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)十幾個(gè)單位進(jìn)行了與SOFC的有關(guān)研究。到90年代中期，由于國(guó)家科技部與中科院將燃料動(dòng)力電池技術(shù)列入"九五"科技攻關(guān)計(jì)劃的推動(dòng)，我國(guó)進(jìn)入了燃料動(dòng)力電池研究的第二個(gè)高潮。質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池被列為重點(diǎn)，以大連化學(xué)物理研究所為牽頭單位，在我國(guó)全面開(kāi)展了質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，并組裝了多臺(tái)百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW電池包與電池系統(tǒng)。5kW電池包包括內(nèi)增濕部分其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。

在我國(guó)科學(xué)工作者在燃料動(dòng)力電池基礎(chǔ)研究和單項(xiàng)技術(shù)方面取得了不少進(jìn)展，積累了一定相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。但是，由于多年來(lái)在燃料動(dòng)力電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料動(dòng)力電池技術(shù)的總體水平來(lái)看，與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大差距。我國(guó)有關(guān)部門和專家對(duì)燃料動(dòng)力電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學(xué)會(huì)議上對(duì)我國(guó)燃料動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了專題討論，強(qiáng)調(diào)了自主研究與開(kāi)發(fā)燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)的緊要性和必要性。近幾年我國(guó)增強(qiáng)了在pEMFC方面的研究力度。

2000年大連化學(xué)物理研究所與中科院電工研究所已完成30kW車用用燃料動(dòng)力電池的全部實(shí)驗(yàn)工作。北京富原公司也宣布，2001年將供應(yīng)40kW的中巴燃料動(dòng)力電池，并接受訂貨。科技部副部長(zhǎng)徐冠華一年前在EVS16屆大會(huì)上宣布，我國(guó)將在2000年裝出首臺(tái)燃料動(dòng)力電池電動(dòng)汽車。我國(guó)燃料動(dòng)力電池的研究工作已聲明：1.我國(guó)的質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車的技術(shù)水平；2.大連化學(xué)物理研究所的質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)成果；3.在燃料動(dòng)力電池研究方面我國(guó)可以與世界發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，而且在市場(chǎng)份額方面，我國(guó)可以并且有能力占有一定比例。但是在我國(guó)在pAFC、MCFC、SOFC的研究方面還有較大的差距，目前仍處于研制階段。

此前參與燃料動(dòng)力電池研究的有關(guān)概況如下：

1：pEMFC的研究狀況

手機(jī)燃料動(dòng)力電池我國(guó)最早開(kāi)展pEMFC研制工作的是長(zhǎng)春使用化學(xué)研究所，該所于1990年在中科院扶持下開(kāi)始研究pEMFC，工作重要聚集在催化劑、電極的制備工藝和甲醇外重整器的研制,已制造出100WpEMFC樣機(jī)。1994年又率先開(kāi)展筆直甲醇質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池的研究工作。該所與美國(guó)CaseWesternReserve大學(xué)和俄羅斯氫能與等離子體研究所等建立了長(zhǎng)期協(xié)作關(guān)系。

我國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1993年開(kāi)展了pEMFC的研究，在電極工藝和電池結(jié)構(gòu)方面做了許多工作，現(xiàn)已研制成工作面積為140cm2的單體電池，其輸出功率達(dá)0.35W/cm2。

清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)院1993年開(kāi)展了pEMFC的研究，研制的單體電池在0.7V時(shí)輸出電流密度為100mA/cm2，改進(jìn)石棉集流板的出產(chǎn)工藝，并提出列管式pEMFC的設(shè)計(jì)，該單位已與德國(guó)Karlsrube研究中心建立了一定的協(xié)作關(guān)系。

天津大學(xué)于1994年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)資助下開(kāi)展了pEMFC的研究，重要研究催化劑和電極的制備工藝。

復(fù)旦大學(xué)在90年代初開(kāi)始研制筆直甲醇pEMFC，重要研究聚苯并咪唑膜的制備和電極制備工藝。

廈門大學(xué)近年來(lái)與香港大學(xué)和美國(guó)的CaseWesternReserve大學(xué)合作開(kāi)展了筆直甲醇pEMFC的研究。

1994年，上海大學(xué)與北京石油大學(xué)合作研究pEMFC(“八五”攻關(guān)項(xiàng)目)，重要研究催化劑、電極、電極膜集合體的制備工藝。

北京理工大學(xué)于1995年在工業(yè)部資助下開(kāi)始了pEMFC的研究，目前單體電池的電流密度為150mA/cm2。

我國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所于1994年開(kāi)始研究pEMFC，主營(yíng)使用計(jì)算傳熱和計(jì)算流體力學(xué)辦法對(duì)各種供氣、增濕、排熱和排水方法進(jìn)行比較，提出改進(jìn)的傳熱和傳質(zhì)方法。

天津電源研究所1997年開(kāi)始pEMFC的研究,擬從國(guó)外引進(jìn)1.5kW的電池，在介紹吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)展研究。

華南理工大學(xué)于1997年初在廣東省佛山基金資助下開(kāi)展了pEMFC的研究，與國(guó)家科委電動(dòng)汽車示范區(qū)建設(shè)相配合作了一定的研究工作。其天然氣催化轉(zhuǎn)化制一氧化碳和氫氣的技術(shù)現(xiàn)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。

中科院電工研究所最近開(kāi)展了電動(dòng)汽車用pEMFC系統(tǒng)工程和運(yùn)行模式研究，擬與有色金屬研究院合作研究pEMFC/光伏電池(制氫)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和從國(guó)外引進(jìn)pEMFC裝置。

1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進(jìn)行pEMFC的研制與開(kāi)發(fā)，5kW的pEMFC樣機(jī)現(xiàn)已研制成功并開(kāi)始接受訂貨。

2：MCFC的研究簡(jiǎn)況

燃料動(dòng)力電池在我國(guó)開(kāi)展MCFC研究的單位不太多。哈爾濱電源成套設(shè)備研究所在80年代后期曾研究過(guò)MCFC，90年代初停止了這方面的研究工作。

1993年我國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在我國(guó)科學(xué)院的資助下開(kāi)始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滾壓法和帶鑄法制備出MCFC用的隔膜，組裝了單體電池，其性能已達(dá)到國(guó)際80年代初的水平。

90年代初，我國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春使用化學(xué)研究所也開(kāi)始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制備辦法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽(yáng)極材料等方面取得了很大進(jìn)展。

北京科技大學(xué)于90年代初在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下開(kāi)展了MCFC的研究，重要研究電極材料與電解質(zhì)的相互用途，提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。

我國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所近年來(lái)也開(kāi)始了MCFC的研究，重要著重于研究氧化鎳陰極與熔融鹽的相互用途。

1995年上海交通大學(xué)與長(zhǎng)慶油田合作開(kāi)始了MCFC的研究，目標(biāo)是共同開(kāi)發(fā)5kW～10kW的MCFC。

我國(guó)科學(xué)院電工研究所在"八五"期間，考察了國(guó)外MCFC示范電站的系統(tǒng)工程，調(diào)查了電站的運(yùn)行情況，現(xiàn)已開(kāi)展了MCFC電站系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。

3：SOFC的研究簡(jiǎn)況

最早開(kāi)展SOFC研究的是我國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所他們?cè)?971年就開(kāi)展了SOFC的研究，重要側(cè)重于SOFC電極材料和電解質(zhì)材料的研究。80年代在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下又開(kāi)始了SOFC的研究，系統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽(yáng)極材料、單體SOFC結(jié)構(gòu)等，已初步掌握了濕化學(xué)法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術(shù)。

吉林大學(xué)于1989年在吉林省青年科學(xué)基金資助下開(kāi)始對(duì)SOFC的電解質(zhì)、陽(yáng)極和陰極材料等進(jìn)行研究,組裝成單體電池，通過(guò)了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計(jì)委和國(guó)家計(jì)委450萬(wàn)元人民幣的資助，先后研究了電極、電解質(zhì)、密封和聯(lián)結(jié)材料等,單體電池開(kāi)路電壓達(dá)1.18V，電流密度400mA/cm2，4個(gè)單體電池串聯(lián)的電池包能使收音機(jī)和錄音機(jī)正常工作。

1991年我國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所在我國(guó)科學(xué)院資助下開(kāi)展了SOFC的研究，從研制材料著手,制成了管式和平板式的單體電池，功率密度達(dá)0.09W/cm2～0.12W/cm2，電流密度為150mA/cm2～180mA/cm2，工作電壓為0.60V～0.65V。1994年該所從俄羅斯科學(xué)院烏拉爾分院電化學(xué)研究所引進(jìn)了20W～30W塊狀疊層式SOFC電池包,電池壽命達(dá)1200h。他們?cè)诜纸舛砹_斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國(guó)WesTInghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國(guó)Siemens板式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了六面體式新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸收了管式不密封的優(yōu)勢(shì)，電池間組合采用金屬氈柔性聯(lián)結(jié)，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。

我國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)于1982年開(kāi)始從事固體電解質(zhì)和混合導(dǎo)體的研究，于1992年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和"863"計(jì)劃的資助下開(kāi)始了中溫SOFC的研究。一種是用納米氧化鋯作電解質(zhì)的SOFC，工作溫度約為450℃。另一種是用新型的質(zhì)子導(dǎo)體作電解質(zhì)的SOFC，已獲得接近理論電動(dòng)勢(shì)的開(kāi)路電壓和200mA/cm2的電流密度。此外,他們正在研究基于多孔陶瓷支撐體的新一代SOFC。

清華大學(xué)在90年代初開(kāi)展了SOFC的研究，他們利用緩沖溶液法及低溫合成環(huán)境調(diào)和性新工藝成功地合成了固體電解質(zhì)、空氣電極、燃料電極和中間聯(lián)結(jié)電極材料的超細(xì)粉，并開(kāi)展了平板型SOFC成型和燒結(jié)技術(shù)的研究,取得了良好效果。

華南理工大學(xué)于1992年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)李嘉誠(chéng)科研基金、廣東佛山基金共一百多萬(wàn)元的資助下開(kāi)始了SOFC的研究，組裝的管狀單體電池，用甲烷筆直作燃料，最大輸出功率為4mW/cm2，電流密度為17mA/cm2，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)140h，電池性能無(wú)分明衰減。

我國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在1994年開(kāi)始SOFC研究，用超細(xì)氧化鋯粉在1100℃下燒結(jié)制成穩(wěn)定和致密的氧化鋯電解質(zhì)。該所從80年代初開(kāi)始煤氣化熱解的研究，以供應(yīng)燃料動(dòng)力電池的氣源。煤的灰熔聚氣化過(guò)程已進(jìn)入工業(yè)性實(shí)驗(yàn)階段，正在鎮(zhèn)江市建立工業(yè)示范裝置。該所還開(kāi)展了使煤氣化熱解的煤氣在高溫下脫硫除塵和甲醇脫氫加工合成氣的研究，合成氣中CO和H2的比例為1∶2，已有成套裝置出售。

我國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1994年開(kāi)展了SOFC的研究工作，在電極和電解質(zhì)材料的研究上取得了可喜的進(jìn)展。我國(guó)科學(xué)院北京物理所于1995年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下，開(kāi)展了用于SOFC的新型電解質(zhì)和電極材料的基礎(chǔ)性研究。

燃料動(dòng)力電池-國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r燃料動(dòng)力電池發(fā)達(dá)國(guó)家都將大型燃料動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，公司界也紛紛斥以巨資，從事燃料動(dòng)力電池技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，今朝已取得了許多緊要成果，使得燃料動(dòng)力電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛使用于發(fā)電及汽車上。值得留意的是這種緊要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及處理電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題，2MW、4.5MW、11MW成套燃料動(dòng)力電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化加工，各等級(jí)的燃料動(dòng)力電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國(guó)家建成。燃料動(dòng)力電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)沖破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運(yùn)算繪圖及文書解決的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。燃料動(dòng)力電池的高效率、無(wú)污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料動(dòng)力電池發(fā)電正以急起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模使用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料動(dòng)力電池技術(shù)在國(guó)外的迅猛發(fā)展非得引起我們的足夠重視，今朝它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。

磷酸型燃料動(dòng)力電池(pAFC)

受1973年世界性石油危機(jī)以及美國(guó)pAFC研發(fā)的影響，日本決定開(kāi)發(fā)各種類型的燃料動(dòng)力電池，pAFC作為大型節(jié)能發(fā)電技術(shù)由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）進(jìn)行開(kāi)發(fā)。自1981年起，進(jìn)行了1000kW現(xiàn)場(chǎng)型pAFC發(fā)電裝置的研究和開(kāi)發(fā)。1986年又開(kāi)展了200kW現(xiàn)場(chǎng)性發(fā)電裝置的開(kāi)發(fā)，以適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用的pAFC發(fā)電裝置。

富士電機(jī)公司是目前日本最大的pAFC電池堆供應(yīng)商。截至1992年，該公司已向國(guó)內(nèi)外供應(yīng)了17套pAFC示范裝置，富士電機(jī)在1997年三月完成了分散型5MW設(shè)備的運(yùn)行研究。作為現(xiàn)場(chǎng)用設(shè)備已有50kW、100kW及500kW總計(jì)88種設(shè)備投入使用。下表所示為富士電機(jī)公司已交貨的發(fā)電裝置運(yùn)行情況，到1998年止有的已超過(guò)了目標(biāo)壽命4萬(wàn)小時(shí)。

東芝公司從70年代后半期開(kāi)始，以分散型燃料動(dòng)力電池為中心進(jìn)行開(kāi)發(fā)以后，將分散電源用11MW機(jī)以及200kW機(jī)形成了系列化。11MW機(jī)是世界上最大的燃料動(dòng)力電池發(fā)電設(shè)備，從1989年開(kāi)始在東京電力公司五井火電站內(nèi)建造，1991年三月初發(fā)電成功后，直到1996年五月進(jìn)行了5年多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)2萬(wàn)小時(shí)，在額定運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率43.6%。在小型現(xiàn)場(chǎng)燃料動(dòng)力電池范疇，1990年?yáng)|芝和美國(guó)IFC公司為使現(xiàn)場(chǎng)用燃料動(dòng)力電池商業(yè)化，成立了ONSI公司，以后開(kāi)始向全世界銷售現(xiàn)場(chǎng)型200kW設(shè)備"pC25"系列。pC25系列燃料動(dòng)力電池從1991年末運(yùn)行，到1998年四月，共向世界銷售了174臺(tái)。其中安裝在美國(guó)某公司的一臺(tái)機(jī)和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號(hào)機(jī)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相繼沖破了4萬(wàn)小時(shí)。從燃料動(dòng)力電池的壽命和可靠性方面來(lái)看，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間4萬(wàn)h是燃料動(dòng)力電池的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。東芝ONSI已完成了正式商用機(jī)pC25C型的開(kāi)發(fā)，早已投放市場(chǎng)。pC25C型作為21世紀(jì)新能源先鋒獲得日本通商產(chǎn)業(yè)大獎(jiǎng)。從燃料動(dòng)力電池商業(yè)化出發(fā)，該設(shè)備被評(píng)價(jià)為具有高先進(jìn)性、可靠性以及優(yōu)越的環(huán)境性設(shè)備。它的制造成本是$3000/kW，近期將推出的商業(yè)化pC25D型設(shè)備成本會(huì)降至$1500/kW，體積比pC25C型減少1/4，質(zhì)量?jī)H為14t。明年即2001年，在我國(guó)就將迎來(lái)第一座pC25C型燃料動(dòng)力電池電站，它重要由日本的MITI（NEDO）資助的，這將是我國(guó)第一座燃料動(dòng)力電池發(fā)電站。

pAFC作為一種中低溫型（工作溫度180-210℃）燃料動(dòng)力電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、無(wú)噪音等特點(diǎn)，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。下表給出先進(jìn)的ONSI公司pC25C型200kWpAFC的重要技術(shù)指標(biāo)。最初開(kāi)發(fā)pAFC是為了控制發(fā)電廠的峰谷用電平衡，近來(lái)則側(cè)重于作為向公寓、購(gòu)物中心、醫(yī)院、賓館等地方供應(yīng)電和熱的現(xiàn)場(chǎng)聚集電力系統(tǒng)。

pAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠，容量在100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。pAFC電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)勢(shì)：即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時(shí)，仍舊保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，省時(shí)，并且電廠擴(kuò)容容易。

質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池(pEMFC)

著名的加拿大Ballard公司在pEMFC技術(shù)上全球領(lǐng)先，今朝它的使用范疇從交通工具到固定電站，其子公司BallardGeneraTIonSystem被認(rèn)為在開(kāi)發(fā)、加工和市場(chǎng)化零排放質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池上處于世界領(lǐng)先地位。BallardGeneraTIonSystem最初產(chǎn)品是250kW燃料動(dòng)力電池電站，其基本構(gòu)件是Ballard燃料動(dòng)力電池，利用氫氣（由甲醇、天然氣或石油得到）、氧氣（由空氣得到）不燃燒地發(fā)電。Ballard公司正和世界許多著名公司合作以使BallardFuelCell商業(yè)化。BallardFuelCell已經(jīng)用于固定發(fā)電廠：由BallardGenerationSystem，GpUInternationalInc.，AlstomSA和EBARA公司共同組建了BallardGenerationSystem，共同開(kāi)發(fā)千瓦級(jí)以下的燃料動(dòng)力電池發(fā)電廠。經(jīng)過(guò)5年的開(kāi)發(fā)，第一座250kW發(fā)電廠于1997年八月成功發(fā)電，1999年九月送至IndianaCinergy，經(jīng)過(guò)周密探測(cè)、評(píng)估，并提高了設(shè)計(jì)的性能、降低了成本，這導(dǎo)致了第二座電廠的誕生，它安裝在柏林，250kW輸出功率，也是在歐洲的第一次探測(cè)。很快Ballard公司的第三座250kW電廠也在2000年九月安裝在瑞士進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，緊接著，在2000年十月通過(guò)它的伙伴EBARABallard將第四座燃料動(dòng)力電池電廠安裝在日本的NTT公司，向亞洲開(kāi)拓了市場(chǎng)。在不同地區(qū)進(jìn)行的探測(cè)將大大促使燃料動(dòng)力電池電站的商業(yè)化。第一個(gè)早期商業(yè)化電廠將在2001年底面市。下圖是安裝在美國(guó)Cinergy的Ballard燃料動(dòng)力電池裝置，目前正在探測(cè)。

圖是安裝在柏林的250kWpEMFC燃料動(dòng)力電池電站：在美國(guó)，plugpower公司是最大的質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池開(kāi)發(fā)公司，他們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)、制造適合于居民和汽車用經(jīng)濟(jì)型燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)。1997年，plugpower模塊第一個(gè)成功地將汽油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏ΑＷ罱琾lugpower公司開(kāi)發(fā)出它的專利產(chǎn)品plugpower7000居民家用分散型電源系統(tǒng)。商業(yè)產(chǎn)品在2001年初推出。家用燃料動(dòng)力電池的推出將使、燃?xì)獍l(fā)電站面對(duì)挑戰(zhàn)，為了推廣這種產(chǎn)品，1999年二月，plugpower公司和GEMicroGen成立了合資公司，產(chǎn)品改稱GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司負(fù)責(zé)全球推廣。此產(chǎn)品將供應(yīng)7kW的繼續(xù)電力。GE/plug公司宣稱其2001年初售價(jià)為$1500/kW。他們預(yù)計(jì)5年后，大量加工的燃料動(dòng)力電池售價(jià)將降至$500/kW。假設(shè)有20萬(wàn)戶家庭各安裝一個(gè)7kW的家用燃料動(dòng)力電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個(gè)核電機(jī)組的容量，這種分散型發(fā)電系統(tǒng)可用于尖峰用電的供給，又因分散式系統(tǒng)設(shè)計(jì)新增了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)仍舊能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

在Ballard公司的帶動(dòng)下，許多汽車制造商參加了燃料動(dòng)力電池車輛的研制，例如：Chrysler(克萊斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda(本田)、Nissan(尼桑)、VolkswagenAG(大眾)和Volvo(富豪)等，它們?cè)S多正在使用的燃料動(dòng)力電池都是由Ballard公司加工的，同時(shí)，它們也將大量的資金投入到燃料動(dòng)力電池的研制當(dāng)中，克萊斯勒公司最近給Ballard公司注入4億5千萬(wàn)加元用于開(kāi)發(fā)燃料動(dòng)力電池汽車，大大的促使了pEMFC的發(fā)展。1997年，Toyota公司就制成了一輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車，它由一個(gè)25kW的燃料動(dòng)力電池和輔助干電池一起供應(yīng)了全部50kW的能量，最高時(shí)速可以達(dá)到125km/h，行程可達(dá)500km。目前這些大的汽車公司均有燃料動(dòng)力電池開(kāi)發(fā)計(jì)劃，雖然今朝燃料動(dòng)力電池汽車商業(yè)化的時(shí)機(jī)還未成熟，但幾家公司已確定了開(kāi)始批量加工的時(shí)間表，Daimler-Benz公司宣布，到2004年將年產(chǎn)40000輛燃料動(dòng)力電池汽車。因而將來(lái)十年，極有可能達(dá)到100000輛燃料動(dòng)力電池汽車。

pEMFC是一種新型、有遠(yuǎn)大前途的燃料動(dòng)力電池，經(jīng)過(guò)從80年代初到今朝的近20年的發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池起了翻天覆地的變化。這種變化從其膜電極的演化過(guò)程可見(jiàn)一斑。膜電極是pEMFC的電化學(xué)心臟，正是因?yàn)樗淖兓攀沟胮EMFC呈現(xiàn)了今天的蓬勃活力。早期的膜電極是筆直將鉑黑與起防水、粘結(jié)用途的Tefion微粒混合后熱壓到質(zhì)子交換膜上制得的。pt載量高達(dá)10mg/cm2。后來(lái)，為新增pt的利用率，使用了pt/C催化劑，但pt的利用率仍非常低，直到80年代中期，pEMFC膜電極的pt載量仍高達(dá)4mg/cm2。80年代中后期，美國(guó)LosAlamos國(guó)家試驗(yàn)室（LANL）提出了一種新辦法，采用Nafion質(zhì)子交換聚合物溶液浸漬pt/C多孔氣體擴(kuò)散電極，再熱壓到質(zhì)子交換膜上形成膜電極。此法大大提高了pt的利用率，將膜電極的載鉑量降到了0.4mg/cm2。1992年，LANL對(duì)該法進(jìn)行了改進(jìn)，使膜電極的pt載量進(jìn)一步降低到0.13mg/cm2。1995年印度電化學(xué)能量研究中心（CEER）采用噴涂浸漬法制得了pt載量為0.1mg/cm2的膜電極，性能良好。據(jù)報(bào)道，今朝LANL實(shí)驗(yàn)的一些單電池中，膜電極上鉑載量已降到0.05mg/cm2。膜電極上鉑載量的減少，筆直可以使燃料動(dòng)力電池的成本降低，這就為其商品化的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備了條件。

熔融碳酸鹽燃料動(dòng)力電池(MCFC)

50年代初，熔融碳酸鹽燃料動(dòng)力電池（MCFC）由于其可以作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這之后，MCFC發(fā)展的非常快，它在電池材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進(jìn)，但電池的工作壽命并不理想。到了80年代，它已被作為第二代燃料動(dòng)力電池，而成為近期實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)商品化燃料動(dòng)力電池電站的重要研究目標(biāo)，研制速度日益加快。今朝MCFC的重要研制者聚集在美國(guó)、日本和西歐等國(guó)家。預(yù)計(jì)2002年將商品化加工。

美國(guó)能源部（DOE）去年已撥給固定式燃料動(dòng)力電池電站的研究費(fèi)用4420萬(wàn)美元，而其中的2/3將用于MCFC的開(kāi)發(fā)，1/3用于SOFC的開(kāi)發(fā)。美國(guó)的MCFC技術(shù)開(kāi)發(fā)一直重要由兩大公司承擔(dān)，ERC（EnergyResearchCorporation）（現(xiàn)為FuelCellEnergyInc.）和M-Cpower公司。他們通過(guò)不同的辦法建造MCFC堆。兩家公司都到了現(xiàn)場(chǎng)示范階段：ERC1996年已進(jìn)行了一套設(shè)于加州圣克拉拉的2MW的MCFC電站的實(shí)證實(shí)驗(yàn)，目前正在尋找3MW裝置實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)。ERC的MCFC燃料動(dòng)力電池在電池內(nèi)部進(jìn)行無(wú)燃?xì)獾母馁|(zhì)，而不要單獨(dú)設(shè)置的改質(zhì)器。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，ERC對(duì)電池進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將電池改成250kW單電池堆，而非原來(lái)的125kW堆，這樣可將3MW的MCFC安裝在0.1英畝的場(chǎng)地上，從而降低投資費(fèi)用。ERC預(yù)計(jì)將以$1200/kW的設(shè)備費(fèi)用供應(yīng)3MW的裝置。這與小型燃?xì)鉁u輪發(fā)電裝置設(shè)備費(fèi)用$1000/kW接近。但小型燃?xì)獍l(fā)電效率僅為30%，并且有廢氣排放和噪聲問(wèn)題。與此同時(shí)，美國(guó)M-Cpower公司已在加州圣迭戈的海軍站進(jìn)行了250kW裝置的實(shí)驗(yàn)，今朝計(jì)劃在同一地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)75kW裝置。M-Cpower公司正在研制500kW模塊，計(jì)劃2002年開(kāi)始加工。

日本對(duì)MCFC的研究，自1981年"月光計(jì)劃"時(shí)開(kāi)始，1991年后轉(zhuǎn)為重點(diǎn)，每年在燃料動(dòng)力電池上的費(fèi)用為12-15億美元，1990年政府追加2億美元，專門用于MCFC的研究。電池堆的功率1984年為1kW，1986年為10kW。日本同時(shí)研究?jī)?nèi)部轉(zhuǎn)化和外部轉(zhuǎn)化技術(shù)，1991年，30kW級(jí)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化MCFC試運(yùn)轉(zhuǎn)。1992年50-100kW級(jí)試運(yùn)轉(zhuǎn)。1994年，分別由日立和石川島播磨重工完成兩個(gè)100kW、電極面積1m2，加壓外重整MCFC。另外由中部電力公司制造的1MW外重整MCFC正在川越火力發(fā)電廠安裝，預(yù)計(jì)以天然氣為燃料時(shí)，熱電效率大于45%，運(yùn)行壽命大于5000h。由三菱電機(jī)與美國(guó)ERC合作研制的內(nèi)重整30kWMCFC已運(yùn)行了10000h。三洋公司也研制了30kW內(nèi)重整MCFC。目前，石川島播磨重工有世界上最大面積的MCFC燃料動(dòng)力電池堆，實(shí)驗(yàn)壽命已達(dá)13000h。日本為了促使MCFC的開(kāi)發(fā)研究，于1987年成立了MCFC研究協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)燃料動(dòng)力電池堆運(yùn)轉(zhuǎn)、電廠外圍設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)等方面的研究，今朝它已聯(lián)合了14個(gè)單位成為日本研究開(kāi)發(fā)主力。

歐洲早在1989年就制定了1個(gè)Joule計(jì)劃，目標(biāo)是建立環(huán)境污染小、可分散安裝、功率為200MW的"第二代"電廠，包括MCFC、SOFC和pEMFC三種類型，它將任務(wù)分配到各國(guó)。進(jìn)行MCFC研究的重要有荷蘭、意大利、德國(guó)、丹麥和西班牙。荷蘭對(duì)MCFC的研究從1986年已經(jīng)開(kāi)始，1989年已研制了1kW級(jí)電池堆，1992年對(duì)10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化型與1kW級(jí)內(nèi)部轉(zhuǎn)化型電池堆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，1995年對(duì)煤制氣與天然氣為燃料的2個(gè)250kW系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。意大利于1986年開(kāi)始執(zhí)行MCFC國(guó)家研究計(jì)劃，1992-1994年研制50-100kW電池堆，意大利Ansodo與IFC簽定了有關(guān)MCFC技術(shù)的協(xié)議，已安裝一套單電池（面積1m2）自動(dòng)化加工設(shè)備，年加工能力為2-3MW，可張大到6-9MW。德國(guó)MBB公司于1992年完成10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，在ERC協(xié)助下，于1992年-1994年進(jìn)行了100kW級(jí)與250kW級(jí)電池堆的制造與運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。今朝MBB公司擁有世界上最大的280kW電池包體。

資料聲明，MCFC與其他燃料動(dòng)力電池比有著神奇優(yōu)勢(shì)：

a．發(fā)電效率高比pAFC的發(fā)電效率還高；

b．不要昂貴的白金作催化劑，制造成本低；

c．可以用CO作燃料；

d．由于MCFC工作溫度600-1000℃，排出的氣體可用來(lái)取暖，也可與汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電。若熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到80%；

e．中小規(guī)模經(jīng)濟(jì)性與幾種發(fā)電方式比較，當(dāng)負(fù)載指數(shù)大于45%時(shí)，MCFC發(fā)電系統(tǒng)成本最低。與pAFC相比，雖然MCFC起始投資高，但pAFC的燃料費(fèi)遠(yuǎn)比MCFC高。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)為中小規(guī)模分散型時(shí)，MCFC的經(jīng)濟(jì)性更為突出；

f．MCFC的結(jié)構(gòu)比pAFC簡(jiǎn)單。

固體氧化物燃料動(dòng)力電池(SOFC)

SOFC由用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成。空氣中的氧在空氣極/電解質(zhì)界面被氧化，在空氣燃料之間氧的分差用途下，在電解質(zhì)中向燃料極側(cè)移動(dòng)，在燃料極電解質(zhì)界面和燃料中的氫或一氧化碳反應(yīng)，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過(guò)外部回路，再次返回空氣極，此時(shí)萌生電能。

SOFC的特點(diǎn)如下：

由于是高溫動(dòng)作（600-1000℃），通過(guò)設(shè)置底面循環(huán)，可以獲得超過(guò)60%效率的高效發(fā)電。

由于氧離子是在電解質(zhì)中移動(dòng)，所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。

由于電池本體的構(gòu)成材料全部是固體，所以沒(méi)有電解質(zhì)的蒸發(fā)、流淌。另外，燃料極空氣極也沒(méi)有腐蝕。l動(dòng)作溫度高，可以進(jìn)行甲烷等內(nèi)部改質(zhì)。

與其他燃料動(dòng)力電池比，發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以期待鎮(zhèn)靜量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備，具有廣泛用途。

在固定電站范疇，SOFC分明比pEMFC有優(yōu)點(diǎn)。SOFC很少要對(duì)燃料解決，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，而且，SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)行高效熱電聯(lián)產(chǎn)。下圖為西門子-西屋公司開(kāi)發(fā)出的前列臺(tái)SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電站，它于2000年五月安裝在美國(guó)加州大學(xué)，功率220kW，發(fā)電效率58%。將來(lái)的SOFC/燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率將達(dá)到60-70%。

燃料動(dòng)力電池被稱為第三代燃料動(dòng)力電池的SOFC正在積極的研制和開(kāi)發(fā)中，它是正在興起的新型發(fā)電方式之一。美國(guó)是世界上最早研究SOFC的國(guó)家，而美國(guó)的西屋電氣公司所起的用途尤為緊要，現(xiàn)已成為在SOFC研究方面最有權(quán)威的機(jī)構(gòu)。

早在1962年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料，在SOFC實(shí)驗(yàn)裝置上獲得電流，并指出烴類燃料在SOFC內(nèi)非得完成燃料的催化轉(zhuǎn)化與電化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)基礎(chǔ)過(guò)程，為SOFC的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后10年間，該公司與OCR機(jī)構(gòu)協(xié)作，連接400個(gè)小圓筒型ZrO2-CaO電解質(zhì)，試制100W電池，但此形式不便供大規(guī)模發(fā)電裝置使用。80年代后，為了開(kāi)辟新能源，緩解石油資源緊缺而帶來(lái)的能源危機(jī)，SOFC研究得到蓬勃發(fā)展。西屋電氣公司將電化學(xué)氣相沉積技術(shù)使用于SOFC的電解質(zhì)及電極薄膜制備過(guò)程，使電解質(zhì)層厚度減至微米級(jí)，電池性能得到分明提高，從而揭開(kāi)了SOFC的研究嶄新的一頁(yè)。80年代中后期，它開(kāi)始向研究大功率SOFC電池堆發(fā)展。1986年，400W管式SOFC電池包在田納西州運(yùn)行成功。

1987年，又在日本東京、大阪煤氣公司各安裝了3kW級(jí)列管式SOFC發(fā)電機(jī)組，成功地進(jìn)行持續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)達(dá)5000h，標(biāo)志著SOFC研究從試驗(yàn)研究向商業(yè)發(fā)展。進(jìn)入90年代DOE機(jī)構(gòu)持續(xù)投資給西屋電氣公司6400余萬(wàn)美元，旨在開(kāi)發(fā)出高轉(zhuǎn)化率、2MW級(jí)的SOFC發(fā)電機(jī)組。1992年兩臺(tái)25kW管型SOFC分別在日本大阪、美國(guó)南加州進(jìn)行了幾千小時(shí)試驗(yàn)運(yùn)行。從1995年起，西屋電氣公司采用空氣電極作支撐管，取代了原先CaO穩(wěn)定的ZrO2支撐管，簡(jiǎn)化了SOFC的結(jié)構(gòu),使電池的功率密度提高了近3倍。該公司為荷蘭Utilies公司建造100kW管式SOFC系統(tǒng)，能量總利用率達(dá)到75%，已經(jīng)正式投入使用。目前，SiemensWestinghouse宣布有兩座250kWSOFC示范電廠很快將在挪威和加拿大的多倫多附近建成。下圖為西屋公司在荷蘭安裝的SOFC示范電廠，它可以供應(yīng)110kW的電力和64kW的熱，發(fā)電效率達(dá)到46%，運(yùn)行14000h。

燃料動(dòng)力電池另外，美國(guó)的其它一些部門在SOFC方面也有一定的實(shí)力。位于匹茲堡的ppMF是SOFC技術(shù)商業(yè)化的緊要加工基地，這里擁有完整的SOFC電池構(gòu)件出產(chǎn)、電池裝配和電池質(zhì)量測(cè)試等設(shè)備，是目前世界上規(guī)模最大的SOFC技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心。1990年，該中心為美國(guó)DOE制造了20kW級(jí)SOFC裝置，該裝置采用管道煤氣為燃料，已持續(xù)運(yùn)行了1700多小時(shí)。與此同時(shí)，該中心還為日本東京和大阪煤氣公司、關(guān)西電力公司供應(yīng)了兩套25kW級(jí)SOFC實(shí)驗(yàn)裝置，其中一套為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。另外美國(guó)阿爾貢國(guó)家試驗(yàn)室也研究開(kāi)發(fā)了疊層波紋板式SOFC電池堆，并開(kāi)發(fā)出適合于這種結(jié)構(gòu)材料成型的澆注法和壓延法。使電池能量密度得到顯著提高，是比較有前途的SOFC結(jié)構(gòu)。

在日本，SOFC研究是“月光計(jì)劃”的一部分。早在1972年，電子綜合技術(shù)研究所就開(kāi)始研究SOFC技術(shù)，后來(lái)加入"月光計(jì)劃"研究與開(kāi)發(fā)行列，1986年研究出500W圓管式SOFC電池堆，并組成1.2kW發(fā)電裝置。東京電力公司與三菱重工從1986年十二月開(kāi)始研制圓管式SOFC裝置，獲得了輸出功率為35W的單電池，當(dāng)電流密度為200mA/cm2時(shí)，電池電壓為0.78V，燃料利用率達(dá)到58%。1987年七月，電源開(kāi)發(fā)公司與這兩家公司合作，開(kāi)發(fā)出1kW圓管式SOFC電池堆，并持續(xù)試運(yùn)行達(dá)1000h，最大輸出功率為1.3kW。關(guān)西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機(jī)構(gòu)則從美國(guó)西屋電氣公司引進(jìn)3kW及2.5kW圓管式SOFC電池堆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了滿意的結(jié)果。從1989年起，東京煤氣公司還著手開(kāi)發(fā)大面積平板式SOFC裝置，1992年六月完成了100W平板式SOFC裝置，該電池的有效面積達(dá)400cm2。現(xiàn)Fuji與Sanyo公司開(kāi)發(fā)的平板式SOFC功率已達(dá)到千瓦級(jí)。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從1990年起對(duì)疊層波紋板式SOFC系統(tǒng)進(jìn)行研究和綜合評(píng)價(jià)，研制出406W實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置的單電池有效面積達(dá)到131cm2。

在歐洲早在70年代，聯(lián)邦德國(guó)海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的SOFC發(fā)電裝置，單電池運(yùn)行性能良好。80年代后期，在美國(guó)和日本的影響下，歐共體積極推動(dòng)歐洲的SOFC的商業(yè)化發(fā)展。德國(guó)的Siemens、DomierGmbH及ABB研究公司致力于開(kāi)發(fā)千瓦級(jí)平板式SOFC發(fā)電裝置。Siemens公司還與荷蘭能源中心(ECN)合作開(kāi)發(fā)開(kāi)板式SOFC單電池，有效電極面積為67cm2。ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦級(jí)SOFC發(fā)電裝置，這種電池為金屬雙極性結(jié)構(gòu)，在800℃下進(jìn)行了試驗(yàn)，效果良好。現(xiàn)正考慮將其制成25～100kW級(jí)SOFC發(fā)電系統(tǒng)，供家庭或商業(yè)使用。

燃料動(dòng)力電池-特點(diǎn)與原理最小的燃料動(dòng)力電池由于燃料動(dòng)力電池能將燃料的化學(xué)能筆直轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒(méi)有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以防止中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。同時(shí)還有以下一些特點(diǎn)：

不管是滿負(fù)荷還是部分負(fù)荷均能保持高發(fā)電效率；

不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率；

具有很強(qiáng)的過(guò)負(fù)載能力；

通過(guò)與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；

發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機(jī)組的容量的自由度大；

電池本體的負(fù)荷應(yīng)和性好，用于電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)于其他發(fā)電方式；

用天然氣和煤氣等為燃料時(shí)，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。

如此由燃料動(dòng)力電池構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力工業(yè)具有極大的吸引力。

燃料動(dòng)力電池按其工作溫度是不同，把堿性燃料動(dòng)力電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型質(zhì)子膜燃料動(dòng)力電池（pEMFC，也稱為質(zhì)子膜燃料動(dòng)力電池，工作溫度為100℃以內(nèi)）和磷酸型燃料動(dòng)力電池（pAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料動(dòng)力電池；把熔融碳酸鹽型燃料動(dòng)力電池（MCFC，工作溫度為650℃）和固體氧化型燃料動(dòng)力電池（SOFC，工作溫度為1000℃）稱為高溫燃料動(dòng)力電池，并且高溫燃料動(dòng)力電池又被稱為面向高質(zhì)量排氣而進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)的燃料動(dòng)力電池。另一種分類是按其開(kāi)發(fā)早晚順序進(jìn)行的，把pAFC稱為第一代燃料動(dòng)力電池，把MCFC稱為第二代燃料動(dòng)力電池，把SOFC稱為第三代燃料動(dòng)力電池。這些電池均需用可燃?xì)怏w作為其發(fā)電用的燃料。

燃料動(dòng)力電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料動(dòng)力電池的正、負(fù)極本身不蘊(yùn)含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料動(dòng)力電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料動(dòng)力電池就能持續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料動(dòng)力電池為例來(lái)說(shuō)明燃料動(dòng)力電池的基本工作原理。

燃料動(dòng)力電池氫-氧燃料動(dòng)力電池反應(yīng)原理這個(gè)反映是電觧水的逆過(guò)程。電極應(yīng)為：

負(fù)極：H22OH-→2H2O2e-

正極：1/2O2H2O2e-→2OH-

電池反應(yīng)：H21/2O2==H2O

另外，惟有燃料動(dòng)力電池本體還不能工作，非得有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

燃料動(dòng)力電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽(yáng)極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的用途是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過(guò)。

在實(shí)用的燃料動(dòng)力電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。pAFC和pEMFC反應(yīng)中與氫離子（H）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：

燃料極：H2=2H2e-（1）

空氣極：2H1/2O22e-=H2O（2）

全體：H21/2O2=H2O（3）

氫氧燃料動(dòng)力電池包成和反應(yīng)循環(huán)圖在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分析成H和e-，H移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒(méi)有其他的反應(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能萌生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。

引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件，萌生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的方法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，pAFC和pEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應(yīng)面積成比。

單電極組裝示意圖pAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而pEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促使反應(yīng)，以pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在pAFC和pEMFC使用中非得限制燃料氣體中含有的CO量，特別是關(guān)于低溫工作的pEMFC更應(yīng)嚴(yán)格地加以限制。

磷酸燃料動(dòng)力電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)過(guò)如此解決后的燃料氣體進(jìn)入燃料堆的負(fù)極(燃料極)，同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒劑的用途迅速萌生電能和熱能。

相對(duì)pAFC和pEMFC，高溫型燃料動(dòng)力電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為重要成份的煤氣化氣體可以筆直作為燃料使用，而且還具有易于利用其高質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點(diǎn)。

MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)（通常是為L(zhǎng)i與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。

MCFC工作原理。空氣極的O2（空氣）和CO2與電相結(jié)合，生成CO23-（碳酸離子），電解質(zhì)將CO23-移到燃料極側(cè)，與作為燃料供給的H相結(jié)合，放出e-，同時(shí)生成H2O和CO2。化學(xué)反應(yīng)式如下：

燃料極：H2CO23-=H2O2e-CO2（4）

空氣極：CO21/2O22e-=CO23-（5）

全體：H21/2O2=H2O（6）

在這一反應(yīng)中，e-同在pAFC中的情況相同，它從燃料極被放出，通過(guò)外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了燃料動(dòng)力電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點(diǎn)是，非得要有有助于反應(yīng)的CO23-離子，因此，供給的氧化劑氣體中非得含有碳酸氣體。并且，在電池內(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)部筆直生成H2的辦法也已開(kāi)發(fā)出來(lái)了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應(yīng)生成H2，因此，可以等價(jià)地將CO作為燃料來(lái)利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來(lái)制作。

SOFC是以陶瓷材料為主構(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構(gòu)成了O2-的導(dǎo)電體Y2O3（氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了防止因電池的形狀不同，電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋萌生等，開(kāi)發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料動(dòng)力電池相同的平板型外，還有開(kāi)發(fā)出了為防止應(yīng)力聚集的圓筒型。SOFC的反應(yīng)式如下：

燃料極：H2O2-=H2O2e-（7）

空氣極：1/2O22e-=O2-（8）

全體：H21/2O2=H2O（9）

燃料極，H2經(jīng)電解質(zhì)而移動(dòng)，與O2-反應(yīng)生成H2O和e-。空氣極由O2和e-生成O2-。全體同其他燃料動(dòng)力電池相同由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無(wú)其他觸媒用途的情況下即可筆直在內(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)成H2加以利用，并且煤氣的重要成份CO可以筆直作為燃料利用。

燃料動(dòng)力電池-分類燃料動(dòng)力電池燃料動(dòng)力電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，燃料動(dòng)力電池的研究和使用正以極快的速度在發(fā)展。AFC已在宇航范疇廣泛使用，pEMFC已廣泛作為交通動(dòng)力和小型電源裝置來(lái)使用，pAFC作為中型電源使用進(jìn)入了商業(yè)化階段，MCFC也已完成工業(yè)實(shí)驗(yàn)階段，起步較晚的作為發(fā)電最有使用前景的SOFC已有幾十千瓦的裝置完成了數(shù)千小時(shí)的工作考核，相信隨著研究的深入還會(huì)有新的燃料動(dòng)力電池出現(xiàn)。

美日等國(guó)已相繼建立了一些磷酸燃料動(dòng)力電池電廠、熔融碳酸鹽燃料動(dòng)力電池電廠、質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池電廠作為示范。日本已開(kāi)發(fā)了數(shù)種燃料動(dòng)力電池發(fā)電裝置供公共電力部門使用，其中磷酸燃料動(dòng)力電池（pAFC）已達(dá)到"電站"階段。已建成兆瓦級(jí)燃料動(dòng)力電池示范電站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，已就其效率、可運(yùn)行性和壽命進(jìn)行了評(píng)估，期待使用于城市能源中心或熱電聯(lián)供系統(tǒng)。日本同時(shí)建造的小型燃料動(dòng)力電池發(fā)電裝置，已廣泛使用于醫(yī)院、飯店、賓館等。

燃料動(dòng)力電池-發(fā)電系統(tǒng)燃料動(dòng)力電池1：利用天然氣的發(fā)電系統(tǒng)

MCFC要供給的燃料氣體是H2，它可由天然氣中的CH4改質(zhì)生成，其反應(yīng)在改質(zhì)器中進(jìn)行。改質(zhì)器出口的溫度為600℃，符合MCFC的工作溫度，可以原樣筆直輸送到燃料極側(cè)。

另一方面，空氣極側(cè)要的O2通過(guò)空氣壓縮機(jī)供給。另一個(gè)反應(yīng)因素CO2，空氣極側(cè)反應(yīng)等量地再利用發(fā)電時(shí)燃料極萌生的CO2。除了有CO2外，燃料極排出氣體還含有未反應(yīng)的可燃成份，一起輸送到改質(zhì)器的燃燒器側(cè)，天然氣改質(zhì)所必需的熱量就由該燃燒熱供給。這種情況下，排出的燃料氣體會(huì)含有過(guò)多的H2O，將影響發(fā)熱量，為此通常是先將排出燃料氣體冷卻，將水份濾去后再輸送到改質(zhì)器的燃燒側(cè)。從改質(zhì)器燃燒側(cè)出來(lái)的氣體與來(lái)自壓縮機(jī)的空氣相混合后供給空氣極側(cè)。

實(shí)際的電池因內(nèi)部存在電阻會(huì)發(fā)熱，故通過(guò)在空氣極側(cè)中流過(guò)的大量氧化氣體（陰極氣體，即含有O2、CO2的氣體）來(lái)除去其發(fā)生的熱。通常是按600℃供給的氣體在700℃下排出，這一指標(biāo)可通過(guò)在空氣極側(cè)進(jìn)行流量調(diào)整來(lái)控制，為此采用陰極氣體的再循環(huán)，即，空氣極側(cè)供給的氣體為以改質(zhì)器燃燒排氣與部分空氣極側(cè)排出氣體的混合體，為了保持電池入口和出口的溫度為最佳溫度，可將再循環(huán)流量與外部供給的空氣流量一起調(diào)整。

來(lái)自空氣極側(cè)的排氣為高溫，送入最終的膨脹式透平，進(jìn)行動(dòng)力回收，作為空氣壓縮動(dòng)力而使用。剩余的動(dòng)力，由發(fā)電機(jī)發(fā)電回收，從而可以提高整套系統(tǒng)的效率。另外，天然氣改質(zhì)所必需的H2O（水蒸汽）可從排出的燃料氣體中回收的H2O來(lái)供給。

這種系統(tǒng)的效率可達(dá)55~60%。在整套出力中MCFC發(fā)電量份額占90%。絕大部分的發(fā)電量是由MCFC加工的。假如考慮到排氣形成的動(dòng)力回收和若干的附加發(fā)電，廣義上也可以稱為聯(lián)合發(fā)電。

在使用pAFC的情況下，若以煤炭為燃料發(fā)電時(shí)就不容易了，采用天然氣時(shí)，其構(gòu)成類似于MCFC機(jī)組，基本上是由電池本體發(fā)電。原由是pAFC排出氣體溫度較低，與其進(jìn)行附加發(fā)電不如作為熱電聯(lián)產(chǎn)電源。

SOFC能和較高溫度的排氣體構(gòu)成附加發(fā)電系統(tǒng)，由于SOFC不要CO2的再循環(huán)等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其發(fā)電效率可以達(dá)到50-60%。

2：利用煤炭的發(fā)電系統(tǒng)

燃料動(dòng)力電池以MCFC為例進(jìn)行解析。煤炭需經(jīng)煤氣化裝置生成作為MCFC可用燃料的CO及H2，并在進(jìn)入MCFC前除去其中含有的雜質(zhì)（微量的雜質(zhì)就會(huì)構(gòu)成對(duì)MCFC的惡劣影響），這種供給MCFC精制煤氣，其壓力通常高于MCFC的工作壓力，在進(jìn)入MCFC供氣前先經(jīng)膨脹式渦輪機(jī)回收其動(dòng)力。渦輪機(jī)出口氣體，經(jīng)與部分來(lái)自燃料極（陽(yáng)極）排出的高溫氣體（約700℃）相混合，調(diào)整為對(duì)電池的合適溫度（約600℃）。該陽(yáng)極氣體的再循環(huán)是，將排出的燃料氣體中所含的未反應(yīng)的燃料成分返回入口加以再利用，借以達(dá)到提高燃料的利用率。向空氣極側(cè)供給O2和CO2是通過(guò)空氣壓縮機(jī)輸出的空氣和排出燃料氣體相混合來(lái)完成的。但是，碳酸氣是采用觸媒燃燒器將未燃的H2及CO變換成H2O和CO2后供給的。

實(shí)際的燃料動(dòng)力電池，內(nèi)部電阻會(huì)發(fā)熱，將通過(guò)在空氣極側(cè)流過(guò)的大量的氧化劑氣體（陰極氣體，即含有O2和CO2的氣體）而除去。通常通過(guò)調(diào)整空氣極側(cè)的流量，把以600℃供給的氣體在700℃排出。為此采用了陰極氣體再循環(huán)，使空氣極側(cè)的排氣形成約700℃的高溫。因此，在這個(gè)循環(huán)回路中設(shè)置了熱交換器，將氣體溫度冷卻到600℃，形成電池入口合適的溫度，與來(lái)自觸媒燃燒器的供給氣體相混合。空氣極側(cè)的出入口溫度，取決于再循環(huán)和來(lái)自壓縮機(jī)的供給空氣流量和再循環(huán)回路中的熱交換量。

排熱回收系統(tǒng)（末級(jí)循環(huán)），是由利用空氣極側(cè)排氣的膨脹式渦輪機(jī)和利用蒸汽的汽輪機(jī)發(fā)電來(lái)構(gòu)成。膨脹式渦輪機(jī)與壓縮機(jī)的相組合，其剩余動(dòng)力用于發(fā)電。蒸汽是由來(lái)自其下流的熱回收和煤氣化裝置以及陰極氣體再循環(huán)回路中的蒸汽發(fā)生器之間的組合萌生，形成汽水循環(huán)。

這種機(jī)組的發(fā)電效率，因煤氣化方式和煤氣精制方式等的不同而有若干差異。利用煤系統(tǒng)SOFC其構(gòu)成是復(fù)雜的。但若用管道氣就簡(jiǎn)單多了，重要的是采用煤炭氣化系統(tǒng)造成的，其效率為45~55%。

燃料動(dòng)力電池-評(píng)估東芝燃料動(dòng)力電池燃料動(dòng)力電池運(yùn)行時(shí)非得使用流動(dòng)性好的氣體燃料。低溫燃料動(dòng)力電池要用氫氣，高溫燃料動(dòng)力電池可以筆直使用天然氣、煤氣。這種燃料的前景要怎么樣呢？我國(guó)的天然氣儲(chǔ)量是十分豐富的，現(xiàn)已探明陸地上儲(chǔ)量為1.9萬(wàn)億m3，專家認(rèn)為我國(guó)已探明天然氣儲(chǔ)量為30萬(wàn)億m3。我國(guó)還將利用豐富的鄰國(guó)天然氣資源，俄羅斯西西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量為38.6萬(wàn)億m3，可向我國(guó)年供氣200~300億m3；俄羅斯的東西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量3.13萬(wàn)億m3，可向我國(guó)年供氣100~200億m3；俄遠(yuǎn)東地區(qū)、薩哈林島探明天然氣儲(chǔ)量1萬(wàn)億m3，可向我國(guó)東北年供氣100億m3以上。中亞地區(qū)的哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和土庫(kù)曼斯坦三國(guó)探明的天然氣儲(chǔ)量6.77萬(wàn)億m3，可向外供氣300億m3。我國(guó)規(guī)劃在2010年往日鋪設(shè)天然氣管線9000km，屆時(shí)有望在全國(guó)形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫(kù)”的格局，形成可靠的供氣系統(tǒng)。其中的兩縱是南北的輸氣干線，即薩哈林島--大慶--沈陽(yáng)干線和伊爾庫(kù)茨克--北京--日照--上海輸氣干線。目前我國(guó)的加工能力約為300億m3/a，2010年為700億m3，2020年為1000～1100億m3。天然氣重要成分為CH4（占90%左右），熱值高（每立方米天然氣熱值為8600～9500千卡），便于運(yùn)輸，在3000公里的距離內(nèi)運(yùn)用管道輸送都是十經(jīng)濟(jì)的。

在我國(guó)還可利用的液化天然氣（LNG）資源也是十分可觀的，可向我國(guó)立即供應(yīng)LNG的國(guó)家有印度尼西亞、馬來(lái)西亞、卡塔爾等國(guó)。

我國(guó)的煤層氣也十分豐富，陸上深埋2000米以內(nèi)淺的煤層氣資源量為32~35萬(wàn)億m3，多于陸上天然氣資源量（30萬(wàn)億m3），位于世界前列。

另外作為后續(xù)資源，我國(guó)已發(fā)今朝南海、東海深處有大量的天然氣水合物，其資源量為700億噸石油當(dāng)量。目前已有多個(gè)科研機(jī)構(gòu)正在研究其開(kāi)采利用的技術(shù)。

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，世界大多數(shù)國(guó)家時(shí)早以完成了由煤炭時(shí)代向石油時(shí)代的轉(zhuǎn)換，正在向石油、天然氣時(shí)代過(guò)度。如1950年在世界能源結(jié)構(gòu)中煤炭所占的比例為57.5%，而到1996年則下降為26.9%，天然氣占23.5%石油占39%兩者共占63%。能源界預(yù)測(cè)目前的消費(fèi)量，石油只能再用20年，而天然氣則可用100年，為此稱21世紀(jì)是"天然氣世紀(jì)"。我國(guó)的能源工業(yè)也必將跟上世界能源消費(fèi)潮流。

另外由于環(huán)保的要和IGCC技術(shù)的推動(dòng)，煤的大型氣化裝置技術(shù)已經(jīng)過(guò)關(guān)。煤炭部門的有關(guān)專家解析，目前的技術(shù)完全可以把煤轉(zhuǎn)換為氫氣，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%，供給燃料動(dòng)力電池作燃料，其效率要比常規(guī)熱動(dòng)力裝置效率高得多。

我國(guó)有大量的生物資源（薪材3000萬(wàn)噸、秸桿45000萬(wàn)噸、稻殼1500萬(wàn)噸、垃圾1.6億噸等），這種密度低分散度高資源可以轉(zhuǎn)換成沼氣或人工煤氣或甲醇供分散的、小型高效的燃料動(dòng)力電池使用。如廣東番禺正在建設(shè)使用養(yǎng)豬場(chǎng)沼氣的燃料動(dòng)力電池電站。

我國(guó)在合成氨工業(yè)中，氫的年回收量可達(dá)到14億m3；在氯堿工業(yè)中有0.37億m3的氫可供回收利用。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒及丁醇溶劑廠等加工過(guò)程中都有大量氫可回收。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計(jì)可達(dá)到15億m3以上。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，小型、高效、靈活、分散的pEMFC、pAFC發(fā)電與聚集高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)均是有燃料保證的。

燃料動(dòng)力電池-經(jīng)濟(jì)性燃料動(dòng)力電池客車燃料動(dòng)力電池是一種正在逐步完善的能源利用方式。其投資正在不斷的降低，目前pEMFC的我國(guó)國(guó)外商業(yè)價(jià)格為$1500/kW，pAFC的價(jià)格為$3000/kW。我國(guó)國(guó)內(nèi)富原公司公布其pEMFC接受訂貨的價(jià)格為10000元/kW。其他燃料動(dòng)力電池國(guó)內(nèi)暫無(wú)商業(yè)產(chǎn)品。

燃料動(dòng)力電池發(fā)電與常規(guī)的火電投資比較不能單考慮電源投資，還應(yīng)將長(zhǎng)距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉(zhuǎn)換裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來(lái)計(jì)算綜合投資大型的火電廠每千瓦約為1.3~1.5萬(wàn)元。發(fā)電消耗的燃料為燃料動(dòng)力電池的兩倍以上，按目前在我國(guó)天然氣最低市價(jià)（產(chǎn)地市價(jià)人民幣1元/m3）計(jì)算，當(dāng)發(fā)電時(shí)間超過(guò)70000h以后，用燃料動(dòng)力電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電更經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際發(fā)電工程中還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電占地面積大，環(huán)境污染重的問(wèn)題。隨著燃料動(dòng)力電池發(fā)電技術(shù)的不斷完善，造價(jià)將不斷的降低，特別是在規(guī)模化加工后，其造價(jià)將大幅度的下降，有理由相信，不久的未來(lái)這種發(fā)電方式會(huì)對(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。

最近國(guó)際上一些學(xué)者和國(guó)際組織認(rèn)為：大容量、高參數(shù)機(jī)組發(fā)電，超高壓、大電網(wǎng)遠(yuǎn)距離送電的聚集供電是一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家過(guò)去走過(guò)的道路。目前的情況正在發(fā)生變化，較分散的發(fā)電站的出現(xiàn)，再加上對(duì)改善能源投資的選擇，傳統(tǒng)的觀念變得過(guò)時(shí)了。1999年在布魯塞爾成立的國(guó)際熱電聯(lián)產(chǎn)（ICA）組織聲稱："其實(shí)旨是推動(dòng)世界范圍內(nèi)的清潔、高效、分散的電力加工，它預(yù)言這是下一個(gè)世紀(jì)電力工業(yè)的方向"。隨著小型分散的熱電廠、燃料動(dòng)力電池發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等的出現(xiàn)和新增，當(dāng)今的電力系統(tǒng)將發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變。超大型的電站與分散微型電站的結(jié)合可以減少在輸配電線路上的投資，會(huì)使得電力系統(tǒng)更安全更經(jīng)濟(jì)。一個(gè)目前擁有50個(gè)發(fā)電廠的電力公司在將來(lái)若干年內(nèi)會(huì)有幾千個(gè)甚至幾萬(wàn)個(gè)微型電站與之相連。這種電力網(wǎng)絡(luò)類似于目前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，少數(shù)的幾臺(tái)主機(jī)與眾多的pC機(jī)相連。這種電網(wǎng)會(huì)使得各種能源得到更好利用和配置，這種變化將要求將來(lái)的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式有一個(gè)重大的變革。

未來(lái)的電網(wǎng)系統(tǒng)可能是現(xiàn)有的大電網(wǎng)和中小燃料動(dòng)力電池共存狀態(tài)。因?yàn)榇箅娋W(wǎng)有其優(yōu)越性的同時(shí)，也存在著缺陷，如高電壓長(zhǎng)距離輸電將有6-8%的損失。而分散的中小型燃料動(dòng)力電池電站可以在許多地點(diǎn)建立，可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為3%），同時(shí)也為電網(wǎng)調(diào)峰做出了貢獻(xiàn)。中小型分散式電力系統(tǒng)將靈活地適應(yīng)季節(jié)性和地域性的電力需求變化。依據(jù)專家計(jì)算，一條直徑為0.91米的輸氫管道用于950-1600公里輸氫其所輸能量約相當(dāng)于50萬(wàn)伏高壓輸電線路輸送能量的的10倍以上，而輸氫管道所需的建設(shè)費(fèi)用僅為建設(shè)高壓輸電線路的1/2-1/4，日常運(yùn)行維護(hù)也比輸電線路低得多。在美國(guó)這樣的電力工業(yè)已很發(fā)達(dá)的國(guó)家，未來(lái)對(duì)燃料動(dòng)力電池的市場(chǎng)要約為17000兆瓦以上，即中小型分散配置，有其神奇的優(yōu)越性。我國(guó)也將是這樣。

燃料動(dòng)力電池-展望燃料動(dòng)力電池客車被稱為第四代發(fā)電方式的燃料動(dòng)力電池，由于具有燃料利用效率可達(dá)80%、不排放有害氣體（pAFC不排放任何氣體）、容量可依據(jù)要而定，所以受到了各方面的極大關(guān)注。各國(guó)家的政府都在這方面新增研發(fā)資金，推動(dòng)其商業(yè)化的進(jìn)程。在近年它首先受到了交通界的重視，作為交通動(dòng)力裝置已被搬上汽車、艦船，幾乎同時(shí)它受到了國(guó)外電力系統(tǒng)的重視。pAFC發(fā)電裝置已有數(shù)萬(wàn)套進(jìn)入賓館、家庭運(yùn)行，pAFC已有了4萬(wàn)多小時(shí)的運(yùn)行記錄。

我國(guó)稀土資源豐富，發(fā)展MCFC和SOFC技術(shù)具有十分有利的條件。以天然氣和凈化煤氣為燃料的MCFC和SOFC發(fā)電效率高達(dá)55%～65%，而且還可供應(yīng)優(yōu)質(zhì)余熱用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，是一種優(yōu)良的區(qū)域性供電電站。熱電聯(lián)供時(shí),燃料利用率高達(dá)80%以上。專家們認(rèn)為它與各種大型中心電站的關(guān)系，頗類似于