浅谈燃料电池及实现和改进

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1、摘要：能源作为现代人类文明的支柱产业之一。本文论述了燃料电池工作原理及实现和改进。关键词：燃料电池工作原理比较分析一、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，肪，姪，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。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

2、电池在标准状态下对外做的最大有用功为：最大可发出237146kJ的电能。(2)开路电压一般电池电动势等于组成电池的两个屯极的平衡电极电相位差。单个燃料电池电压很低，实际生产中要采用多个屯池串连的电堆(Stack)的方式；2.提高反应温度T和反应气体压力可提高输;

3、

4、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：当T二427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

5、小于理论值E,泄义电压效率，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率和余热利用。具中底循环(BottomingCycle)为余热或未反应的尾气供燃气轮机和蒸汽轮机发电，供热是将余热用于采暖，实现热电联产。出此可见，充分利用底循环可有效提高总体效率。这也是后面改进的一大方向。冃前我国的电力供应以煤为主耍燃料，效率低，污染大。为了改变现状，迫切需要发展新型绿色能源，而燃料电池大家族屮的一员——MCFC熔融碳酸盐空燃料电池无疑是最佳选择。可见要提高开路屯压，必须提高和之入口分压及反应温度。同时电池木体效率(非总体效率)。如认为每消耗5()1释放1.930屯量

6、，则T=1000K时则可见燃料电池效率与单体屯压E成正比，E变大则变大。可见，只有提高反应温度和压力，才可使E提高，从而效率也提高。综上所述，提高压力和温度是提高发电性能和效率的主要手段。MCFC的高效率也正是因为其1000K的反应温度和以上的工作压力。可是，为了维持如此的燃料气进口压力和温度，需要压气机做功，并且预支大量的热量。这些能量从何而来最经济反应后的高温高压尾气含有大量热值很高的氢气，该如何利用煤气化是当前方兴未艾的新技术，如何把它用于MCFC发电厂二、MCFC发电厂与普通电厂的比较针对以上问题，笔者设想了下面的煤气化MCFC联合发电厂。为了便于定量分析，一些细节问题图中已做了简化，

7、并且设想了可能的参数。设想的燃料电池发电厂基木发电过程如下：首先将煤与593,5atm的水蒸汽在高温下反应，生成900的汽，再经过换热器后脱硫(除去，防止催化剂中毒)，最后温度降为进入燃料电池阳极，反应后Z剩余气体屮含和未反应的，经过分离器B后分为两路，分离的水蒸汽凝结成的水后经换热器温度升为，重新进入燃料转换器与C反应。分离之可用于燃气——蒸汽联合循环的空气经压气机压力上升，后经换热器，温度升为进入阴极反应，并将反应中电池内阻产生的热带出，反应后之气休进入透平做功，做的功一部分推动压气机给电池阴极提供高压空气，一部分驱动发电机发电。从阳极排出的尾气因含有人量未反应的氢气故首先经分离器分离为7

8、6度的水和富氢气体，水用于煤气化，充分节约了发电用水，而氢气则用于燃气——蒸汽联合循环。这套装置有以下几大特点：1）利用煤气化的热量。在燃料转换器屮Z反应。装置中将该热量通过换热器加热水蒸气，避免了额外支出能量。2）利用反应后阴极的剩余尾气带出反应中电池产生的欧姆热，推动透平做功，发电的同时带动压气机为阴极提供高压燃气。3）把未反应完的富氢阳极尾气分离出水后送至燃气蒸气联合循环系统发电。4）部分最终的尾气可用于厂区的空气调节。5）由于技术限制，在C屮对煤气进行脱硫处理时，温度不可太高。故利用换热器E1,E2对进出脱硫装置的气体进行降温升温处理，充分节约了能量。当使用透平作为联合循环后，燃料电池

9、发电系统总效率有明显提高，整个电站向外输电功率为827+4400=5227kW为5.2兆瓦级电站。为了全面地将设想的燃料电池发电厂和普通火力发电厂进行效率比较，需考虑煤气化的效率。考虑透平,锅炉和发电机的实际效率后，普通电厂的发电耗煤率平均约为320g/kWh,总效率约为40%。无论效率还是耗煤量MCFC电厂都远远优于普通火力电厂，消耗单位质量标准煤MCFC电厂发电量是普通火力电站的320/130