烧材电池的输电技艺

燃料电池作为一种清洁、高效的新型发电技术正受到越来越多的重视和广泛的研究应用。自世界首只燃料电池于1940年诞生以来，至今各种品牌的固定型燃料电池和汽车用燃料电池已在发达国家投入使用。但是，在众多的燃料电池类型中哪一种燃料电池最有可能在未来的电网中像发电机一样源源不断地向区域用户供电（此时的燃料电池必须加上换流装置才能和配电网相连），本文针对这一问题展开了讨论。

1燃料电池的工作原理

燃料电池是一种化学电池，它不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能。和其他化学电池不同的是，燃料电池工作时需要连续地向其供给燃料和氧化剂，所以称为燃料电池。燃料电池由阳极、阴极和夹在这2个电极中间的固态或液态电解质组成，如1所示。

燃料电池在工作时向阳极供给燃料（氢或其他燃料），向阴极供给氧化剂（空气或氧气）。

氢在阳极分解成氢离子H＋和电子e－。氢离子进入电解质中，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。在阴极上，氧同电解质中的氢离子吸收抵达阴极上的电子形成水。

2燃料电池分布式发电的评价标准

（1）发电能力。燃料电池的功率范围必须能够满足区域内用户的正常工作和生活需要。

（2）使用寿命。燃料电池的使用寿命只有达到4～5万h，才能与现行发电技术竞争，实现商业化。

（3）商业可行性。其中包括建设、运行、维护、燃料成本以及比能量和比功率等指标。

（4）运行可靠性。主要是根据现阶段燃料电池的技术现状及发展趋势确定。

3各类燃料电池技术分析

3.1碱性燃料电池（AFC）

（1）工作原理

AFC以KOH或NaOH溶液为电解质，浓度为30％～45％，导电离子为OH－。

（2）技术分析

技术优势：AFC最大的优点是具有高效性，一般AFC的输出电压选定在0.80～0.95V时，其能量转化率可达60％～70％；AFC采用非铂电催化剂，如雷尼镍、硼化镍等，不但降低电催化剂的成本，而且也不受铂资源的制约。

技术限制：AFC的电解质为碱性溶液，会与CO2反应生成固态碳酸盐，因此不能以空气为氧化剂，燃料中也不能含有CO2；当燃料电池的运行温度在100℃以下时水呈液态，所以必须把它导出，否则会稀释电解质，但这种条件下的排水方法及控制均较复杂；AFC以纯氢为燃料，限制了它的实际应用。

3.2磷酸燃料电池（PAFC）

（1）工作原理

PAFC的电解质为100％的浓磷酸，H2为燃料，O2为氧化剂。

（2）技术分析

技术优势：

PAFC作为一种简单可靠的发电方式，其最大的优势是它及其辅助设备维护都很少；CO2不与磷酸发生化学反应，因此可将空气作为氧化剂，碳氢化合物如甲醇等也可作为燃料；磷酸是一种普通的无机酸，它具有良好的热稳定性、化学和热化学稳定性，同时在150℃以上具有低挥发性。

技术限制：

PAFC以碳氢化合物为燃料时需要经过中间转化，而燃料转化器无疑加大了整个发电系统的复杂度和成本；PAFC的效率与其他类型的燃料电池相比并无太大优势，目前的发电效率为30％～40％，但如果考虑余热利用，其综合效率可达60％～70％。

3.3熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

（1）工作原理MCFC的导电离子为CO32－，与其他类型的燃料电池的区别是：在阴极CO2是反应物，在阳极CO2为产物，从而CO2在电池工作过程中构成了一个循环。为了确保电池稳定连续地工作，必须将在阳极产生的CO2送回到阴极。

（2）技术分析技术优势：

MCFC为高温燃料电池，其余热利用价值颇高足以驱动蒸汽轮机；所用电催化剂以镍为主，不使用贵金属，可采用脱硫煤气和天然气作为燃料；电池隔膜与电极均采用带铸方法制备，工艺成熟，易于大批量生产。

技术限制：阴极溶解产生的镍在隔膜中沉积将导致电池短路；阳极材料蠕变将影响电池的密封和性能；熔盐电解质对电池双极板材料的腐蚀；电解质的流失。

3.4固体氧化物燃料电池（SOFC）

（1）工作原理

目前大多数SOFC以6％～10％三氧化二钇（Y2O3）掺杂的氧化锆为固体电解质，这种氧化物在高温下具有传递O2－的能力。在阴极，氧分子得到电子被还原成氧离子，氧离子在电解质隔膜两侧电位差与浓度差的驱动下，通过电解质隔膜中的氧空位，定向跃迁到阳极侧，并与燃料进行氧化反应。

（2）技术分析

技术优势：

SOFC是全固体结构，无使用液体电解质带来的腐蚀和电解液流失问题，可望实现长寿命的运行；

SOFC在800～1000℃下运行，电催化剂无需采用贵金属，还可直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料，简化了电池系统；SOFC排出的高质量余热可与燃气、蒸汽轮机构成联合发电系统，大大提高综合效率。

技术限制：

SOFC的技术难点源于其较高的工作温度。电池的关键部件阳极、隔膜、阴极和联结材料等在电池的工作条件下必须具备化学与热的相容性，即在电池工作条件下电池构成材料间不但不能发生化学反应，而且其热膨胀系数也应相互匹配。

3.5质子交换膜燃料电池（PEMFC）

（1）工作原理

PEMFC以全氟磺酸型固体聚合物作为电解质，铂／碳或铂－钌／碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂。

PEMFC的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。

（2）技术分析

技术优势：PEMFC具有可在室温下快速启动，无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此，PEMFC特别适宜于作为可移动动力源，如特种、电动车的动力源。

技术限制：PEMFC的电解质是一个薄聚合体隔膜，它在潮湿的状态下可作为离子的导体，但是电子的绝缘体同时无法被气体渗透。由于余热无法被利用，PEMFC不适合热电联产；通常PEMFC的燃料是纯氢，如果利用外部的燃料转化器，将增加燃料电池的成本、复杂度。

3.6直接甲醇燃料电池（DMFC）

（1）工作原理

DMFC中的燃料是甲醇和水的混合物。阳极可以注入液态燃料（80～90℃）或者气体燃料（120～130℃），阴极可注入空气，以铂和钌的混合剂作为催化剂。

H＋通过电解质从阳极传送到阴极，阴极注入空气。

（2）技术分析

技术优势：结构简单，体积小，重量轻。由于可用液态甲醇作为燃料，所以无需燃料存储设备和燃料转化器；催化剂不需要其他的特殊材料。

技术限制：当铂催化剂与CO接触时会使得催化剂失效；隔膜遇到的问题是甲醇试图穿越隔膜跑到阴极去，通常叫做“甲醇渗透”或者统称为“燃料渗透”，跑到阴极的甲醇干扰了阴极的反应，造成了燃料的浪费。

4结论

AFC、PEMFC、DMFC由于发电功率和其他一些技术条件的限制无法作为区域性电站实现供电，而就发电能力和运行可靠性而言，PAFC、MCFC、SOFC最有可能作为分布式电源用于区域性供电。