（电力系统及其自动化专业论文）燃料电池发电系统的建模与仿真.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a e t f u e le e l li sah i g he f f i c i e n ta n dc l e a np o w e rg e n e r a t i o nt e c h n i q u e i th a sb e e nt h e f o u r t h - g e n e r a t i o np o w e rg e n e r a t o ra f t e rt h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o n ，h y d r a u l i cp o w e r g e n e r a t i o na n dn u c l e a rp o w e rg e n e r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e o fr u e lc e l la san e wp o w e rg e n e r a t o ri sd e s c r i b e dc o m p l e t e l yi nt h ea r e ao fp o w e r s y s t e mm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n d y n a m i cr e s p o n s eo ff u e lc e l li sg e tu n d e rt h e d i 虢r e n td e m a n d e ds i g n a l s f u r t h e r m o r e t h ev o l t a g ea d j u s t m e n ta n dc o n t r o lo f d c a ci n v e r t e rs y s t e mi sd i s c u s s e d af u e lc e l li sad e v i c et h a tc o n v e r t sc h e m i c a le n e r g yd i r e c t l yi n t oe l e c t r i c a le n e r g y f i r s to f a l l f u e le e l li sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt h e r m a lm a c h i n ei nt h ea r e ao f p o w e r g e n e r a t i o np r i n c i p l e f u e lc e l li sn o tl i m i t e db yt h ec a m o tc y c l ew i t hh i g he n e r g y t r a n s f o r m a t i o ne f f i c i e n c ya n dd o e sn o tp o l l u t ee n v i r o n m e n tw i t hn on o xa n ds o xg a s d i s c h a r g i n g s of u e lc e l lw i l lb ea p p l i e dw i d e l ya sf i x e dp o w e rs t a t i o n ak n do f 向e le e l lw h i c hi ss u i t a b l et or e g i o n a lp o w e rs u p p l ym u s tm e e tt h e r e q u i r e dc o n d i t i o n ss u c ha sp o w e rg e n e r a t o rc a p a b i l i t y ，o p e r a t i n g1 i f c c o m m e r c i a l f e a s i b i l i t y , o p e r a t i n gr e l i a b i l i t y o t h e r w i s e ，i f o n ek i n do ff u e lc e l lh a se n o u g h c a p a c i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t y , b u tb e c a u s eo ft e c h n i c a ll i m i t a t i o n i ti s s t i l li nt 1 1 e e x p e r i m e n t a ls t a g e i nt h i sc a s e t h ep o s s i b i l i t yw h e t h e rt h e1 i m i t a t i o nc a nb es o l v e d a n dt h ep e r f o r m a n c e p r i c er a t i oa r et a k e ni n t oa c c o u n t b ya n a l y z i n gt h et e c h n i c a l s t a t u sa n dc o m m e r c i a l i z a t i o nd e g r e eo fa 1 1k i n d so ff u e lc e l l s , t h ec o n c l u s i o ni sg e t t 1 1 a ta l k a l i n ef u e lc e l l p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l la n dd i r e c tm e t h a n 0 1r u e l c e l la r en o ts u i t a b l et ou s e da sf i x e dp o w e rs t a t i o na st h er e a s o no f p o w e rc a p a c i t ya n d t e c h n i c a ll i m i t a t i o n a tt h es a m et i m e ，p h o s p h o r i ca c i df u e lc e l l ，m o l t e nc a r b o n a t e f u e le e l la n ds o l i do x i d ef u e lc e l la r es u i t a b l et om e e t 山er e g i o n a lp o w e rs u p p l y r e q u i r e m e n ta sf i x e dp o w e rs t a t i o n i nt h e s ef u e lc e l l s o n l yp h o s p h o r i ca c i df u e lc e l l h a sr e a l i z e dc o m m e r c i a l i z a t i o n s oi nt h i sd i s s e r t a t i o n p h o s p h o r i ca c i df u e le e l li ss e l e c t e dt ob ec l a s s i c a lf u e lc e l l t or e f l e c tt h eg e n e r a l i t y b u i l di t sm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i r e u l a t e i nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l t h ef u e ls u p p l ys y s t e mm o d e l e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e la n d c o n t r o ls y s t e mm o d e la r ed i s c u s s e di nd e t a i l t w om e a s u r e sa r eg i v e ni nt h e d i s s e r t a t i o n a n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h e s et w om e t h o d sa r e e f f e c t i v et o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m i cr e s i c i o n s eo ff u e lc e l l b e c a u s e o ft h ec h a r a c t e r i s t i co ff u e le e l l t h ec o n t r o lo ff i l e lc e l lb o d yi sm a i n l yc o n c e m e do n c u r r e n tc o n t r 0 1 a n dt h ev o l t a g ea d j u s t m e n ti sm a i n l yr e a l i z e db vd c a ci n v e r s i o n s y s t e m i nt h ep a p e r ，t h ei n v e r s i o nm o d ea n dv o l t a g ea d j u s t m e n ts t r a t e g yi sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt od i f i e r e n tk i n d s o f f u e ic e l lp o w e rs t a t i o n i nt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n i ti sp o i n t e dt h a tf u e le e l ia sa nk i n do fe f f e c t i v e c l e a nn e wp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n i q u e ，h a sb e e np a ym u c ha t t e n t i o nb yg o v e r n m e n t s a n di n s t i t u t e so fm a n yc o u n t r i e s n o wi ti so n er e s e a r c hh o t s p o ti ns c i e n t i f l ca r e a t h e r e s e a r c ho fr u e lc e l lc o m e sd o w nt og a l v a n o c h e m i s t r y , e l e c t r i cc a t a l y s i s t h e r m o d y n a m i c s 。m e m b r a n es c i e n c e ，m i c r o s c a l eh e a ta n dm a s st r a n s f e r ，m u l t i p h a s e f l u i dm e c h a n i c s ，a u t oc o n t r 0 1e t c i ti sc l a s s i c a lc r o s ss u b j e c t i nt h ec h l t e n t 。h o wt o a p p l yf u e lc e l lw i d e l y ，e s p e c i a l l yu s et h ef u e lc e l lt os u p p l yp o w e rr e g i o n a l l y f i r s t ，i t i i 东南大学硕士学位论文 d e p e n d so nt h ei m p r o v e m e n to fm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n go f f i l e lc e l l ；o nt h eo t h e r h a n d t h et a s ko f p o w e rs u b j e c ti st or e s e a r c h 廿l ec h a r a c t e r i s t i co f p o w e rs y s t e mw h e n f u e lc e l l ss u p p l yp o w e ti n t on e t w o r k t b el a t e rr e s e a r c hs h o u l dp a ya t t e n t i o no nt h e m o d e l i n g o fd c ，a ci n v e r s i o n s y s t e ma n dt h ev o l t a g ea d j u s t m e n ts t r a t e g y ， f u r t h e r m o r e w h e nf u e lc e l l i sc o n n e c t e dw i 血n e t w o r ka san e wg e n e r a t o r ，t h ee r i e c t s h o u l db ea n a l y z e da b o u tt h es t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fe l e c t r i cn e t w o r k k e y w o r d ：f u e lc e l l ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，s i m u l i n ks i m u l a t i o n ，d y n a m i cr e s p o n s e , i m p r o v e m e n tm e a s u r e 1 i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：缝塑i日期： 。一7 岛 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：盔! 些1 日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 燃料电池的起源与发展史 燃料电池是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池i l j 。燃料电池等温地按电化学 方式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高， 环境友好，几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。而且，二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少 4 0 以上正是由于这些突出的优越性，燃料电池发电技术的研究和开发倍受各国政府与大公司 的重视，被视为2 l 世纪首选的洁净、高效的发电技术 燃料电池的最佳燃料为氢。当地球上化石燃料逐渐减少时。人类赖以生存的能量将一是核能， 二是太阳能。那时可用核能、太阳能发电，以电解水的方法制取氢。利用氢作为载能体，采用燃 料电池技术将氢与大气中的氧转化为各种用途的电能，如汽车动力、家庭用电等。那时的世界即 进入氢能时代。 燃料电池的起源川可以追溯到1 9 世纪初，欧洲的两位科学家即瑞士籍的c e s c h o n b e i n 教授 和英国的法官兼科学家w i l l i a ml l g m v e 爵士，s c h o n b e i n 于1 8 3 9 年发明了燃料电池。s c h o n b e i n 是在自己的家中洗衣房所建立的实验装置上，实现了不需要像电池一样进行化学充电而直接产生 电流。隔年( 1 8 3 9 年) 一月，在p h i l o s o p h i c a l 杂志的几篇报导中再次提到前面所述的实验结果， 内容是强调氢气与铂电极上的氯气或氧气所进行的化学反应过程中能够产生电流，s c h o n b e i n 将这 种现象解释为极化效应，这便是后来被称作燃料电池的起源。值得一提的是，s c h o n b e i n 曾经从英 国先进科学学会获得4 0 英镑的经费进行燃料电池的研究，这是全世界第一个官方正式资助的燃料 电池的研究项目。 c , w o v c 的气体电池基本构想源于水的电解实验p i 。水的电解过程是用电将水分解为氢气和氧 气，反过来，g r o v c 认为，将氢气和氧气进行反应就有可能逆转电解过程而产生电流。为了验证 这一理论，他将两条铂分别放入两个密封的管中，一个管中充满氢气，另一个管中充满氧气，当 这两个管浸入稀硫酸溶液时，电流便开始在两个电极之间流动，装有氧气的管中产生了水，为了 提高整个装置的电压，g r o v e 将四组这种装置串连起来，他将这种电池称作“气体电池”，如图1 1 所示。这个装置就是后来被公认的全世界第一个燃料电池。 电解槽 氲气 图1 - l w i l l i a mr g r o v e 爵士进行的气体电池实验 然而要想了解氢氧之间的反应是如何产生电流的以及电子来源于何处，这就需要根据不同的 燃料电池的类型的反应原理具体考察其每个电极上的反应。这在本文第二章节中将详细讲述 继w i l l i a m r g r o v e 发明第一个燃料电池装置之后，经过几代科学家的努力，目前已经开发出 东南大学硕士学位论文 包含碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸燃料电池( p a f c ) 、质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 、熔融碳酸 盐燃料电池( m c f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 、直接甲醇燃料电池( d 加p c ) 等多种类型 的燃料电池。具体的燃料电池技术开发史如表l - l 所示川 表1 1 燃料电池的诞生与发展史 年份开发情况 1 8 3 8 c e s c h o n b e i n 发现燃料电池原理 1 8 3 9 w i l l i a m r g r o v e 发明燃料电池( 当时称作“气体电池”) 1 8 8 9 l m o n d 和c l a n g e r 将“气体电池”正名为“燃料电池” 1 9 0 2 r e i d 提出碱性燃料电池概念( 专利) 1 9 2 3 s c h m i d 提出气体扩散电极概念 1 9 3 2 h e i s e 开发出以蜡为疏水剂的疏水电极 1 9 5 9 b a c o n 开发出可以工作的6 k w 碱性燃料电池 a l l i s - e h a l m e m 公司开发出碱性燃料电池农用拖拉机 1 9 6 0 g e 公司，g r u b b 和n i e d r a c h 开发g r u b b - - n i e d r a e h 燃料电池 1 9 6 2 g e 公司，g e m i n is p a c em i s s i o n 应用高分子电解质燃料电池于双子星太空任 务 1 9 6 5 应用t e f l o n 于疏水气体扩散电极 p & w 公司a p o l l os p a c em i s s i o n 应用碱性燃料电池于阿波罗太空任务 1 9 7 2 d u p o n t ( 杜邦) 公司开发出n a t i o n 质子交换膜 1 9 6 71 9 7 6 普惠公司主导“目标”的磷酸燃料电池开发计划 1 9 8 1 1 9 9 2 “月光计划”( m o o n l i g h t p r o j e c t ) 中日本首度执行燃料开发计划 1 9 9 2 j e t p r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ( j p l ) 首度将n a t i o n 膜应用于直接甲醇燃料电池 1 9 9 3 加拿大b a l l a r d ( 1 鼍拉德) p o w e rs y s t e m 公司推出质子交换膜燃料电池电动汽车 1 9 9 8 c a f c p ( 加州燃料电池伙伴联盟) 成立 2 0 0 2 t o y o t a & h o n d a 以租用的方式正式推出燃料电池客车 美国政府推出。自由车“( f r e e d o mc a r ) 燃料电池电动车发展计划 2 0 0 3 美国政府推出。自由燃料“( f r e e d o mf u e l ) 氢能发展计划 1 2 燃料电池的关键材料与部件【2 】 构成燃料电池的关键材料与部件包括：电极，隔膜、与集流板( 或称双极板) 。 电极是燃料( 如氢) 氧化和氧化剂( 如氧) 还原的电化学反应发生的场所，电极厚度一般为 0 2 0 5 m m 。它通常分为两层。一层为扩散层或称支撑层，它由导电多孔材料制备，起到支撑催 化剂层、收集电流与传导气体和反应产物( 如水) 的作用。另一层为催化剂层，它是出电催化剂和 防水剂等制备，其厚度仅为几微米至几十微米。早期为满足特殊要求，有时0 2 o 5 m m 厚的电 极完全由电催化剂等组分制各。为了改善电极的导电性能，有时在电极内嵌入一定目数的导电网。 对碱性电池多采用镍网嵌入电极性能好坏的关键是电催化剂的性能、电极材料的选择与电极的 制各技术。 隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂( 如氢和氧) 并起离子传导作用。为了减少欧姆电阻，隔 膜的厚度一般为零点几毫米。至今在电池内采用的隔膜分为两类：一类为绝缘材料制备的多孔膜， 如石棉膜、碳化硅膜等) 。电解质( 如氢氧化钾溶液等) 靠毛细力浸入膜的孔内，其导电离子为氢 氧根离子、氢离子。另一类隔膜为离子交换膜，如质子交换膜在电池内采用的全氟磺酸树脂膜， 其导电离子为氢离子。在固体氧化物燃料电池中应用的氧化钇稳定的氧化锆膜，其导电离子为氧 离子。隔膜性能的决定因素是隔膜材料与其制备技术。 2 东南大学硕士学位论文 集流板也称双极板，它起着收集电流。分隔氧化剂与还原剂的作用，并将反应物( 如氢和氧) 均匀分配到电极各处，再传送到电极催化剂层进行电化学反应。集流板涉及的关键技术是材料的 选择、流体流动的流场设计与其加工技术。 1 3 燃料电池的特点、分类与应用 1 3 1 特点【1 h 4 i ( i ) 高效燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。在理论上它的热电转化 效率可达8 5 9 0 。但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类燃料电池的实际 能量转化效率在4 0 6 0 的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达8 0 以上。 紫油巍 嚣气轮机 攥气内黼 砖料电池 ol o2 03 0 4 05 , 0 图卜2 各种发电方式发电效率的比较 ( 2 ) 环境友好当燃料电池以富氢气体为燃料时，富氢气体是通过矿物燃料制取的，由于燃料 电池具有高的能量转换效率。其二氧化碳的摊放量比热机过程减少4 0 以上，这对缓解地球的温 室效应是十分重要的。由于燃料电池的燃料在反应前必须脱硫及其化合物，而且燃料电池是按电 化学原理发电，不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减轻了对大气 的污染当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了氮氧化物、硫 氧化物及二氧化碳的排放。 赡油机 燃气轮机 攥气内燃桃 纛辩电挑 繁油机 嚣气轮枫 雀气内燃机 堪辩电洁 0 5 0l 1 5 02 鬣飒亿物浓度【卯m l 01 0 02 0 03 0 04 0 0 姗 麓睫化镑旋浓度孵i 使甩燃科 疑漓： 霞油 攥气斑燃帆；1 3 a 煤气赶嗽帆；1 3 a 燃料电泡# 1 3 a 图卜3 各种燃料发电机与燃料电池发电捧气污染大气物质的比较 ( 3 ) 安静燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。实 验表明，距离4 0 k w 磷酸燃料电池电站4 6 m 处的噪声水平是6 0 d b 。而4 5 1 v i w 和1 l l v l w 的大功 率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于5 5 d b 的水平。 3 菜油机 螺气轮机 操气内燃撬 燃料电撼 0 1 0 02 0 0 嗓啬l a b ( 机旁i r a ) 图l - 4 各种发电方式的噪音比较 ( 4 ) 可靠性高碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作 为各种应急电源和不问断电源使用 1 3 2 分类 迄今已研究开发出多种类型的燃料电池。最常用的分类方法是按电池所采用的电解质分类。 据此，可将燃料电池分为碱性燃料电池( a f c ) ，一般以氢氧化钾为电解质；磷酸燃料电池( p a f c ) ， 以浓磷酸为电解质；质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 是以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电 解质：熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) ，以熔融的锂一钾碳酸盐或者锂一钠碳酸盐为电解质i 固体氧 化物燃料电池( s o f c ) 。以固体氧化物为氧离子导体，如以氧化钇稳定的氧化锆膜为电解质。有时 也按燃料电池的工作温度进行分类，分为低温燃料电池( 工作温度低于1 0 0 0 c ) ，包括碱性燃料电池 和质子交换膜燃料电池：中温燃料电池( 工作温度在1 0 0 3 0 0 0 c ) ，包括培根型碱性燃料电池和 磷酸型燃料电池；高温燃料电池( 工作温度在6 0 0 1 0 0 0 0 c ) ，包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧 化物燃料电池各种燃料电池的技术状态i l 见表1 2 表1 2 燃料电池的技术状态与主要研制单位 导电 工作氧 电椎类j t电解质温度燃料化技术状态规模主耍研捌单位 鼻子 t 2 剂 高度发 荑日：国际燃料 碱性燃捌k a h室沮一纯展已在航 电池公司 电i 血( a f c 】n 刮0 h o h 一纯氢德国西门- t - a 司 2 氲夭中成功 i o o k w 应用 中国大连化物 所、天津电源所 加章大巴拉德公 质子交接纯氢 氯 高度发 司 膜燃料电油 垒氟塞温 净删盈 气 展已有电美国氧能源公司 磷酸目i h + 1 0 0 空 动车样车 3 k w 德国西门子公司 ( p e m f c )整气需拜低戚意大利德纳拉公 气 本司 中国大崖化物所 直接甲醇 全氟塞强 c h ，o - i 空 l 家霎霎罢拉莫斯目 燃料电池 碳酸腰 h + 2 0 0气 正在开发 l o k w所鬈暴盔薏芳物 ( d m f c ) 高度发 展巳用作 磷酸燃劓 h 打c hh + 1 0 0 重整气 空分散电站1 弛萎景国际燃料电 电池( p a f c ) 2 0 0气 成本岛余2 0 0 w 日本东芝公司 热利用价 值低 正在进美国能量研究公 净艉镍 行2 5 0 司 熔融碳酸 ( u k ) 6 一气 空2 0 0 0 0 k w2 s 0 日本中央电力研 盐燃料电池 c o a c o l 7 0 0l 【整气气现场实验a x 灯k w究所等 ( m c f c ) 天然气需延长寿中国大连化物 命 所- t ：海交大 夔翻嘲际燃料电 电池绪弛公司 固体氧化 氧化 挣喇麟 空构避掉开德国西门子公司 物燃料电油 钇稳定 0 2 + 8 气 的氯化 1 0 气发廉价倒1 0 删r w中屠大连化物 ( s o f c ) 天然气 话鲁技术所，上海硅酸盐所， 吉林大学 4 东南大学硕士学位论文 i 3 _ 3 应用f 1 1 1 4 】 燃料电池是电池的一种，它具有常规电池的积木特性，即可由多台电池按串联、并联的组合 方式向外供电。因此，燃料电池既适用于集中发电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。 以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池已成功地应用于载人航天飞行，作为阿波罗登月飞船和 航天飞机的主要电源，证明了燃料电池高效、高比能量、高可靠性 以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有近百台p c 2 5 ( 2 0 0 k w ) 作为分布式电站在世界 各地运行。不但为燃料电池电站运行取得了丰富的经验，而且也证明燃料电池的高度可靠性，可 以用作不间断电源。 质子交换膜燃料电池可在室温下快速启动，并可按负载要求快速改变功率，它是电动车、不 依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源的最佳候选者。 以甲醇为燃料的直接甲醇型燃料电池是单兵电源、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电 源。 固体氧化物燃料电池可与煤的气化构成联合循环，特别适宜于建造大型、中型电站，如将余 热发电也计算在内，其燃料的总发电效率可达7 0 8 0 。熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤气 或天然气作燃料，适宜于建造区域性分布式电站。将它的余热发电与利用均考虑在内，燃料的总 热电利用效率可达6 0 7 0 。燃料电池的工作原理告诉我们，当燃料电池发电机组以低功率运 行时，它的能量转化效率不仅不会像热机过程那样降低，反而略有升高因此，一旦采用燃料电 池组向电网供电，如今令人头痛的电网调峰问题将得到解决 1 4 我国燃料电池发展的基本情况 4 4 9 1 煤、石油和天然气是世界三大能源资源，在能源利用的过程中给地球环境造成的污染日趋严 重，燃煤火力发电厂给大气造成的污染已成为世界性的环境问题。我国煤炭资源丰富，是人们日 常生活的主要能源资源。由此引起的环境问题尤为严重。能源开发、资源利用与环境保护互相的 协调发展将是2 l 世纪世界经济发展的基础，能源优化利用与清洁能源的开发是能源资源与环境的 可持续发展战略的重要组成部分。 燃料电池因其具有高效、环保等优点，已成为未来的发电技术发展方向。高温燃料电池m c f c 和s o f c 系统，可以采用脱硫煤气作为燃料，若将它与煤制气技术相结合，建造大型电站，将为 我国洁净煤发电提供一条重要的途径，具有重要的经济效益和社会效益。 我国燃料电池的基本发展现状是早在1 9 5 8 年我国就开展了燃料电池的研究工作，是世界上 从事燃料电池研究较早的国家之一天津化学电源研究所首先开展了m c f c 研究，后来由于电池 结构材辩的耐腐蚀性等关键技术一时难以解决而告终止。2 0 世纪6 0 年代中期，根据我国航天技 术统筹规则空间应用燃料电池被列入。曙光计划”，在天津、大连，北京、上海、武汉、长春， 杭州、兰州及厦门等地的科学研究单位与高等学校组成燃料电池协作网分工协作，开展飞船用燃 料电池的研究。到2 0 世纪7 0 年代末，我国的燃料电池研究取得了一定的进展，技术水平接近当 时的国际水平，例如，石棉隔膜型a f c 已作到2 8 v - + 2 v 、2 0 a 放电，放电时间已达到8 0 0 h 。 2 0 世纪8 0 年代许多单位在财力、物理极端困难及技术难度很大的情况下，逐步恢复了燃料 电池的研究。大连化物所一直从事再生型a f c 系统研究，并组装出千瓦级水下用的石棉膜型氯氧 燃料电池。1 9 9 3 年以来，又开展了m c f c 电解质隔膜的工艺技术及阳极气体重整技术的深入探 索。华南理工大学化工系一直从事天然气催化转化技术的研究，1 9 9 2 年以来，开展了s o f c 电催 化过程研究，并于1 9 9 5 年组装了第一个管状s o f c 试验装置，以天然气为直接燃料，获得了明 显的电能，连续放电时间长达1 2 0 h 。吉林大学、北京科技大学也在s o f c 电极材料方面开展了富 有成效的研究。上海硅酸盐研究所长期从事固体电解质材料的研究，并开展了与s o f c 结构不见 相关的界面现象研究。长春应化所在美国福特基金会的资助下，开展了p e m f c 技术的研究，利 用美国杜邦公司的n a t i o n 膜制成了p e m f c 技术的研究，利用美国杜邦公司的n a t i o n 膜制成了 5 东南大学硕士学位论文 p e m f c 原型装置，试验寿命长达6 0 h 。哈尔滨电站成套设备研究所在1 9 8 9 - - 1 9 9 1 年间，在我国 首次试验了m c f c 原型电池组，放电时间为2 4 h 。 1 9 9 4 年3 月国务院通过了中国2 l 世纪议程一中国2 l 世纪人口、环境与发展白皮书，其 中提到了能源资源与环境的可持续发展战略。使用清洁能源与开发洁净化能源技术，是能源持续 发展工程中的重要内容。燃料电池发电正是洁净煤发电的技术之一。1 9 9 4 年4 月，由中国电子技 术学会电子部天津电源研究所组织在天津召开了“发展我国燃料电池技术研讨会”，与会代表一致 认为，我国应大力发展燃料电池技术，并将燃料电池作为一项系统工程，集中力量攻坚。 从我国燃料电池的基本现状，结合我国社会经济的发展状况，燃料电池主要应用背景有四个 方面：第一，将燃料电池系统用于民用发电，主要是在现场和分布式电站，如宾馆生活小区以 及较偏远地区的供电。发电容量在数十千瓦至兆瓦级范围内。适合建立燃料电池电站的是p a f c 、 m c f c 和s o f c 。目前p a f c 技术基本成熟。国内不再在p a f c 方面进行工程和基础研究，可根 据需要与可能适当引进国外成熟的p a f c 样机进行试运行。m c f c 和s o f c 是值得我国在今后相 当长的一段时间内投入力量进行研究与工程开发的，它们将成为洁净煤发电技术之一第二，利 用电动汽车发展的机遇，开展电动汽车用的燃料电池系统研究。主要研究p e m f c 系统技术并进 行工程开发。第三，解决农村能源及城市垃圾场，污水处理场的能源问题。有计划地在农村地区 及城市垃圾场、污水处理厂开展以沼气类为燃料的燃料电池系统开发，综合治理农村及城市垃圾 场、污水处理厂能源资源的利用、能源供应的结构，保护生态环境，促进“绿色能源”计划的逐 步实现。第四。在一定的条件下，继续研究与开发航天及军队特殊用途的燃料电池系统，如航天 器、舰船、潜艇等的动力源。 在我国，燃料电池研发过程中具有代表性的是大连化学物理研究所，此所已经从事燃料电池 的研究近5 0 年。早年曾成功研制了5 0 0 w 的碱性燃料电池，近年来致力于质子交换膜、熔融碳酸 盐和固体氧化物燃料电池的研究，该所在2 0 0 1 2 0 0 3 年问，将3 0 k w 的质子交换膜燃料电池用 于小型汽车和大型公共汽车上示范成功，并成立了新源动力公司，开始了产品的商业化进程。2 0 0 3 年春，该所与清华大学合作将7 5 k w 的质子交换膜燃料电池应用于公共汽车上。在直接甲醇燃料 电池方面，大连化物所、韩国三星公司、南孚电池公司建立了合作实验室，中国科技大学无机膜 研究所已成功地研制了新型中温固态氧化物燃料电池。 1 5 我国电力系统发展燃料电池发电技术的可行性 我国电力系统发展燃料电池发电技术的可行性具体可以从以下六个方面进行阐述： ( 1 ) 采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一 以高温燃料电池组成的联合循环发电系统，可使发电效率达到6 0 - - - 7 5 ( l h v ) ，这一目标 将在2 0 0 5 年左右实现。预计到2 0 1 0 年，发电效率可超过7 2 n 煤气化燃料电池联合循环( 1 0 f c ) 的发电效率可达到6 2 以上。以燃料电池组成的热电联产机组的总热效率可达到8 5 以上。燃料 电池本体的发电效率基本不随容量的变化而变化，这使得燃料电池既可用作小容量分散电源，又 可用于集中发电应用范围广泛。 ( 2 ) 燃料电池发电可有效地降低火力发电的污染物和温室气体捧放量 燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，n o x 排放量很小，一般可达到1 3 9 0 2 3 6 ) k g m w h 以下，远低于天然气联合循环的n o x 捧放量( 1 l 【g m w h 一3 k g m w h ) 。由于燃料进入 燃料电池之前必须经过严格的净化处理，碳氢化合物也必须重整成氢气和c o ，因此，尾气中s 0 2 、 碳氢化合物和固态粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。与常规燃煤发电机组相比，( 2 0 2 的 排放量可减少4 0 一6 0 在目前c 0 2 分离和隔绝技术尚不成熟的状况下，通过提高能源转换 效率减少c 0 2 排放是必然的选择。 ( 3 ) 采用燃料电池发电可提高供电的灵活性和可靠性 6 东南大学硕士学位论文 燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高等突出特点，是理 想的分布式电源与目前一些可做为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染 更低。在2 5 0 k w - - i o m w 的功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当甚至更高的发电效率。 作为备用电源的柴油发电机由于污染和噪声大不宜在未来的城市中应用。低温燃料电池不仅发电 效率高，而且启动快、变负荷能力强，是很好的备用电源。现代社会对供电的可靠性和环境的兼 容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日益受到重视。近年来美国、加拿大、台湾 相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电，给社会和 经济造成了巨大的损失北约轰炸南联盟，使电力系统严重受损。这些由不可抗力引起的电网破 坏无不使人引发出一个重要的思考：提高我国电力系统供电的可靠性和供电质量，虽然主要依靠 电网的改造和技术革新，但如果在电网中有许多分布式电源在运转，供电的可靠性将会大大提高。 对于象军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害 部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电力供应的可靠性和质量要求很高。目前 采用的备用电源效率低、污染严重、电压波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提 供电力，会使供电的可靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。 对于边远地区，负荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大。且电网末端地区 电力质量不稳定对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式电源，更能有效地解决这些地区的 电力供应问题。燃料电池的重量比功率和体积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是 理想的移动电源，适合于各种建设工地、野外作业和临时急用。 ( 4 ) 发展燃料电池发电技术是提高国家能源和电力安全的战略需要 美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一。美、日之所以能在燃料电池技术方面处 于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动密不可分。在目前复杂的国际环境下， 高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的 战略意义，而燃料电池发电技术，正是这种高效清洁的高新发电技术之一。燃料电池突出的优点， 以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在2 l 世纪会起到越来越 重要的作用。 ( 5 ) 发展燃料电池发电技术是电力行业“加强技术创新，发展高科技，形成高新技术产业一的需 要 燃料电池发电技术是电力工业中的高新技术，己受到普遍重视。美国燃料电池发电技术的研 究开发主要由美国能源部组织实施，其中一个重要的目的就是形成新的高技术产业，为美国的经 济注入新的活力。日本的东京电力公司、关西电力公司及其它公用事业单位是日本燃料电池开发 及商业化的主要承担者和推动者，其目的也是为电力公司注入新的经济增长点以获得巨大的经济 效益和社会效益。 国家电网公司处在完成“两型”、“两化”、“进入世界5 0 0 强”的历史时刻，恰逢党中央国务院 号召全国各行业“加强技术创新，发展高科技，实现产业化”的有利时机，在我国电力系统内不失 时机地进行燃料电池发电技术的研究开发是非常必要的。采取引进、消化、吸收和再创新的技术 路线以高起点，在尽可能短的时间内初步形成自主产权的燃料电池发电关键技术，不仅可以使 我国在燃料电池发电技术领域与国外的差距大大缩小，而且，对我国电力系统进行发电系统的结 构调整、技术创新、形成高新技术产业、实现跨越式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意 义。 ( 6 ) 燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景 未来二十年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的不断完善及液化天然气( l n g ) 的广泛 应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。煤层气也是燃料电池的理想燃料。我国丰富 的煤层气资源也将是燃料电池发电的巨大潜在能源之一。燃料电池可与常规燃气一蒸汽联合循环 结合，形成更高效率的发电方式。与煤气化联合循环0 g c c ) 结合，形成数百兆瓦级的大型、高效、 7 东南大学硕士学位论文 低污染的中心发电站，比i c , c c 效率更高，污染更小。 燃料电池可与水电、风电和太阳能发电等结合，在高出力时，利用电解水制氢，低出力时用 燃料电池发电，达到既储能，又高效发电的目的。采取气化或厌氧处理的方法将生物质变为燃料 气，通过燃料电池发电。提高能源转换效率，并降低污染物排放量。对一些经济欠发达但有丰富 的沼气资源的地区，利用燃料电池发电技术有可能更有有效地解决这些地区的电力供应问题。 1 6 本文的工作 燃料电池作为一种高效、清洁的新能源技术，以其无与伦比的优越性已经受到世界各国政府 和科研机构的高度重视，是当今科技界最前沿的研究热点之一。燃料电池涉及到电化学以及电催 化、热力学、膜科学与工程、微尺度传热与传质学、多相流体力学、自动控制等诸多学科，是典 型的学科交叉技术。在新的发展形势下如何将燃料电池大规模地投入运用，特别是实现燃料电池 供电。这一方面取决于燃料电池制造技术的逐步成熟；另一方面电力系统学科的任务将是研