六、世界能源新技术

（一）洁净的发电设备——燃料电池1.燃料电池工作原理及分类

燃料电池的基本原理与一般原电池相似，可将燃料氧化反应所释放的能量直接转换为电能。但是与一般原电池不同的是，在燃料电池中，反应物燃料及氧化剂（空气或氧）可以连续不断地供给电池，反应产物可以连续不断地从电池排出，同时连续不断地输出电能和热能。在这个意义上讲，燃料电池也可视为一种特殊的发电装置。

迄今为止，实用的燃料电池都以氢为燃料，由于氢在自然界不易获得， 因此天然气或液化石油气在进入燃料电池之前必须进行重整和纯化。煤炭则需进行气化及纯化。在一些高温燃料电池中，天然气经纯化后可在电池内负极一面进行重整，称为“内重整”燃料电池。按目前的技术水平，每只单体燃料电池可产生约 1 千瓦直流电能，但因单体电池工作电压小于 1 伏。因此， 必须将多只单体电池堆叠串联成电池堆以获得所需要的电压。再将多组电池堆并联以获得所需要的电流，从而组成具有一定发电能力的电池组。在燃料电池发电站系统中，除了上述两种主要子系统（即燃料重整纯化及燃料电池堆）外，还需要有交直流逆变器和控制部分两个主要子系统。

与一般热力发电相比，燃料电池发电具有较高的理论转换效率。因为在燃料电池中，燃料不是被燃烧变为热能，而是直接发电。

燃料电池按所用电解质不同，可分为以下几种类型：以 KOH 水溶液为电解质的碱性燃料电池，简称 AFC；以 H3PO4 水溶液为电解质的酸性燃料电池， 简称 PAFC；以熔融 Li2CO3·K2CO3 等为电解质的熔融碳酸盐燃料电池，简称为 MCFC；以固态离子导电氧化物为电解质的固体氧化物燃料电池，简称SOFC；以高分子电解质膜，特别是阳离子交换膜为电解质的聚合物电解质燃料电池，简称 PEFC。

AFC 和 PEFC 以纯氢为燃料，并用贵金属催化剂，主要用于航天与军事领域。PAFC、MCFC 和 SOFC 称为地面燃料电池，其中 PAFC 发展最成熟，为第一代地面燃料电池，已有 4.8 兆瓦及 11 兆瓦的演示装置。MCFC 和 SOFC 等高温燃料电池分别属于第二代和第三代地面燃料电池，又需要贵金属催化剂，可以耐受 CO，是洁净煤发电可供选择的技术。当前， MCFC 比 SOFC 发展更为成熟，但有人认为，SOFC 是比 MCFC 更有发展前途的燃料电池体系，只是目前电池制造工艺尚不成熟，材料价格昂贵，估计在本世纪末尚不能代替 MCFC。燃料电池要求采用非常干净的燃料，以防止污染电极及电解质，降低电

池性能。它所能允许的硫、颗粒物和其他污染物是极低的。美国能源部于 1988 年开始资助煤气中杂质对 MCFC 和 SOFC 燃料电池影响的研究。