关于燃料电池发电技术调研报告
孔宪文1，桂敏言1，冯玉全2
1.辽宁电力科学研究院，辽宁沈阳110006；
2. 辽宁省电力有限公司，辽宁沈阳110006）
摘要：本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。
关键词：燃料电池发电电网调峰
1．引言
能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。
随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。
1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。
大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。
燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。
2. 燃料电池的特点与原理
由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：
?l 不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；
?不管装置规模大小均能保持高发电效率；
?具有很强的过负载能力；
?通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；
?发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；
?电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；
?用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。
如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。
燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。
燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。
氢-氧燃料电池反应原理
这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：
负极：H2 + 2OH-→2H2O + 2e-
正极：1/2O2 + H2O + 2e-→2OH-
电池反应：H2 + 1/2O2==H2O
另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。
在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：
燃料极：H2 =2H+ + 2e-（1）
空气极：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2）
全体：H2+1/2O2 = H2O （3）
氢氧燃料电池组成和反应循环图
在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O ，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。
引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的
部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。
单电极组装示意图
PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO 量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。
磷酸型燃料电池基本组成和反应原理
磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。
相对PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。
MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。
MCFC工作原理。空气极的O2（空气）和CO2与电相结合，生成CO32-（碳酸离子），电解质将CO32-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H+相结合，放出e-，同时生成H2O和CO2。化学反应式如下：
燃料极：H2 + CO32- = H2O+2e- + CO2（4）
空气极：CO2 + 1/2O2 +2e-=CO32-（5）
全体：H2 + 1/2O2 =H2O （6）
在这一反应中，e-同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO32-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH4在电池内部改质，在电池内部直接生成H2的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO 和H2O反应生成H2，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。
SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2 (氧化锆)，它构成了O2-的导电体Y 2O3（氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3 (氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3 (氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：
燃料极：H2 + O2- = H2O + 2e-（7）
空气极：1/2O2 + 2e- =O2-（8）
全体：H2 + 1/2O2 =H2O （9）
燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。
表1 燃料电池的分类
近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。PAFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC 作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。
美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（PAFC）已达到"电站"阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。
3．燃料电池发电系统
3.1. 利用天然气的发电系统
MCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600℃，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。
另一方面，空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2外，燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2O，将影响发热量，为此通常是先将排出燃料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。
实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有O2、CO2的气体）来除去其发生的热。通常是按600℃供给的气体在700℃下排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即，空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。
来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。
这种系统的效率可达55~60%。在整套出力中MCFC发电量份额占90%。绝大部分的发电量是由MCFC生产的。如果考虑到排气形成的动力回收和若干的附加发电，广义上也可以称为联合发电。
在使用PAFC的情况下，若以煤炭为燃料发电时就不容易了，采用天然气时，其构成类似于MCFC机组，基本上是由电池本体发电。原因是PAFC排出气体温度较低，与其进行附加发电不如作为热电联产电源。
SOFC能和较高温度的排气体构成附加发电系统，由于SOFC不需要CO2的再循环等，结构简单，其发电效率可以达到50~60%。
3.2 利用煤炭的发电系统
以MCFC为例进行介绍。煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用燃料的CO及H2，并在进入MCFC前除去其中含有的杂质（微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响），这种供给MCFC精制煤气，其压力通常高于MCFC的工作
压力，在进入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约700℃）相混合，调整为对电池的适宜温度（约600℃）。该阳极气体的再循环是，将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给O2和CO2是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2及CO变换成H2O和CO2后供给的。
实际的燃料电池，内部电阻会发热，将通过在空气极侧流过的大量的氧化剂气体（阴极气体，即含有O2和CO2的气体）而除去。通常通过调整空气极侧的流量，把以600℃供给的气体在700℃排出。为此采用了阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约700℃的高温。因此，在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到600℃，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。空气极侧的出入口温度，取决于再循环和来自压缩机的供给空气流量和再循环回路中的热交换量。
排热回收系统（末级循环），是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合，其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生，形成汽水循环。
这种机组的发电效率，因煤气化方式和煤气精制方式等的不同而有若干差异。利用煤系统SOFC其构成是复杂的。但若用管道气就简单多了，主要的是采用煤炭气化系统造成的，其效率为45~55%。
4．我国燃料电池的发展状况
我国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。"八五"期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。
我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在PEMFC方面的研究力度。
2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，2001年将提供40kW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华一年前在EVS16 届大会上宣布，中国将在2000 年装出首台燃料电池电动车。我国燃料电池的研究工作已表明：1.中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；2.大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果；3.在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。
但是我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。
此前参与燃料电池研究的有关概况如下：
4.1. PEMFC的研究状况
我国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制,已制造出100W PEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。
中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35W /cm2。
清华大学核能技术设计院1993年开展了PEMFC的研究,研制的单体电池在0.7V时输出电流密度为100mA/cm2，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管式PEMFC的设计，该单位已与德国Karlsrube研究中心建立了一定的协作关系。
天津大学于1994年在国家自然科学基金会资助下开展了PEMFC的研究，主要研究催化剂和电极的制备工艺。
复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。
厦门大学近年来与香港大学和美国的CaseWesternReserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究。
1994年，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC("八五"攻关项目)，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。
北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究，目前单体电池的电流密度为150mA/cm2。
中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC，主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。
天津电源研究所1997年开始PEMFC的研究,拟从国外引进1.5kW的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。
华南理工大学于1997年初在广东省佛山基金资助下开展了PEMFC的研究，与国家科委电动车示范区建设相配合作了一定的研究工作。其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。
中科院电工研究所最近开展了电动车用PEMFC系统工程和运行模式研究，拟与有色金属研究院合作研究PEMFC/光伏电池(制氢)互补发电系统和从国外引进PEMFC装置。
1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5kW的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。
4.2. MCFC的研究简况
国内开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC，90年代初停止了这方面的研究工作。
1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。
90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。
北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。
中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了MCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。
1995年上海交通大学与长庆油田合作开始了MCFC的研究，目标是共同开发5kW～10kW的MCFC。
中国科学院电工研究所在"八五"期间，考察了国外MCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了MCFC电站系统工程关键技术的研究与开发。
4.3. SOFC的研究简况
最早开展SOFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要侧重于SOFC 电极材料和电解质材料的研究。80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。
吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究,组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V，电流密度400mA/cm2，4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。
1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究，从研制材料着手,制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09W/cm2～0.12W/cm2，电流密度为150mA/cm2～180mA/cm2，工作电压为0.60V～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W～30W块状叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。
中国科学技术大学于1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992年在国家自然科学基金会和"863"计划的资助下开始了中温SOFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC，工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200mA/cm2的电流密度。此外,他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。
清华大学在90年代初开展了SOFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉,并开展了平板型SOFC成型和烧结技术的研究,取得了良好效果。
华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究,组装的管状单体电池，用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2，电流密度为17mA/cm2，连续运转140h，电池性能无明显衰减。
中国科学院山西煤炭化学研究所在1994年开始SOFC研究，用超细氧化锆粉在1100℃下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质。该所从80年代初开始煤气化热解的研究，以提供燃料电池的气源。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段，正在镇江市建立工业示范装置。该所还开展了使煤气化热解的煤气在高温下脱硫除尘和甲醇脱氢生产合成气的研究，合成气中CO和H2的比例为1∶2，已有成套装置出售。
中国科学院大连化学物理所于1994年开展了SOFC的研究工作，在电极和电解质材料的研究上取得了可喜的进展。
中国科学院北京物理所于1995年在国家自然科学基金会的资助下，开展了用于SOFC的新型电解质和电极材料的基础性研究。
5．国外燃料电池发展状况
发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。
5.1．磷酸型燃料电池(PAFC)
受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池，PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构（NEDO）进行开发。自1981年起，进行了1000kW现场型PAFC发电装置的研究和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商业用的PAFC发电装置。
富士电机公司是目前日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年，该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置，富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计
88种设备投入使用。下表所示为富士电机公司已交货的发电装置运行情况，到1998年止有的已超过了目标寿命4万小时。
表现场用PAFC燃料电池的运行情况
东芝公司从70年代后半期开始，以分散型燃料电池为中心进行开发以后，将分散电源用11MW机以及200kW机形成了系列化。11MW机是世界上最大的燃料电池发电设备，从1989年开始在东京电力公司五井火电站内建造，1991年3月初发电成功后，直到1996年5月进行了5年多现场试验，累计运行时间超过2万小时，在额定运行情况下实现发电效率43.6%。在小型现场燃料电池领域，1990年东芝和美国IFC公司为使现场用燃料电池商业化，成立了ONSI公司，以后开始向全世界销售现场型200kW设备"PC25"系列。PC25系列燃料电池从1991年末运行，到1998年4月，共向世界销售了174台。其中安装在美国某公司的一台机和安装在日本大阪梅田中心的大阪煤气公司2号机，累计运行时间相继突破了4万小时。从燃料电池的寿命和可靠性方面来看，累计运行时间4万h是燃料电池的长远目标。东芝ONSI已完成了正式商用机PC25C型的开发，早已投放市场。PC25C型作为21世纪新能源先锋获得日本通商产业大奖。从燃料电池商业化出发，该设备被评价为具有高先进性、可靠性以及优越的环境性设备。它的制造成本是$3000/kW，近期将推出的商业化PC25D型设备成本会降至$1500/kW，体积比PC25C型减少1/4，质量仅为14t。明年即2001年，我国就将迎来第一座PC25C型燃料电池电站，它主要由日本的MITI（NEDO）资助的，这将是我国第一座燃料电池发电站。
PAFC作为一种中低温型（工作温度180-210℃）燃料电池，不但具有发电效率高、清洁、无噪音等特点，而且还可以热水形式回收大部分热量。下表给出先进的ONSI公司PC25C型200kW PAFC的主要技术指标。最初开发PAFC是为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。
表ONSI公司PC25C型PAFC主要技术指标
PAFC用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在10-20MW之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量在100MW以上，可以作为中等规模热电厂。PAFC电厂比起一般电厂具有如下优点：即使在发电负荷比较低时，依然保持高的发电效率；由于采用模块结构，现场安装简单，省时，并且电厂扩容容易。
下图为ONSI PC25C型电站：
5.2．质子交换膜燃料电池(PEMFC)
著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技术上全球领先，现在它的应用领域从交通工具到固定电站，其子公司Ballard Generation System被认为在开发、生产和市场化零排放质子交换膜燃料电池上处于世界领先地位。Ballard Generation System 最初产品是250kW燃料电池电站，其基本构件是Ballard燃料电池，利用氢气（由甲醇、天然气或石油得到）、氧气（由空气得到）不燃烧地发电。Ballard公司正和世界许多著名公司合作以使Ballard Fuel Cell 商业化。Ballard Fuel Cell 已经用于固定发电厂：由Ballard Generation System，GPU International Inc.，Alstom SA 和EBARA公司共同组建了Ballard Generation System，共同开发千瓦级以下的燃料电池发电厂。经过5年的开发，第一座250kW发电厂于1997年8月成功发电，1999年9月送至Indiana Cinergy，经过周密测试、评估，并提高了设计的性能、降低了成本，这导致了第二座电厂的诞生，它安装在柏林，250kW输出功率，也是在欧洲的第一次测试。很快Ballard公司的第三座250kW电厂也在2000年9月安装在瑞士进行现场测试，紧接着，在2000年10月通过它的伙伴EBARA Ballard 将第四座燃料电池电厂安装在日本的NTT公司，向亚洲开拓了市场。在不同地区进行的测试将大大促进燃料电池电站的商业化。第一个早期商业化电厂将在2001年底面市。
下图是安装在美国Cinergy的Ballard燃料电池装置(目前正在测试)
下图是安装在柏林的250kW PEMFC燃料电池电站：
在美国，Plug Power公司是最大的质子交换膜燃料电池开发公司，他们的目标是开发、制造适合于居民和汽车用经济型燃料电池系统。1997年，Plug Power 模块第一个成功地将汽油转变为电力。最近，Plug Power 公司开发出它的专利产品Plug Power 7000居民家用分散型电源系统。商业产品在2001年初推出。家用燃料电池的推出将使核电站、燃气发电站面临挑战，为了推广这种产品，1999年2月，Plug Power 公司和GE MicroGen成立了合资公司，产品改称GE HomeGen 7000，由GE MicroGen 公司负责全球推广。此产品将提供7kW的持续电力。GE/Plug公司宣称其2001年初售价为$1500/kW。他们预计5年后，大量生产的燃料电池售价将降至$500/kW。假设有20万户家庭各安装一个7kW的家用燃料电池发电装置，其总和将接近一个核电机组的容量，这种分散型发电系统可用于尖峰用电的供给，又因分散式系统设计增加了电力的稳定性，即使少数出现了故障，但整个发电系统依然能正常运转。
在Ballard公司的带动下，许多汽车制造商参加了燃料电池车辆的研制，例如：Chrysler (克莱斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda (本田)、Nissan (尼桑)、Volkswagen AG(大众)和Volvo(富豪)等，它们许多正在使用的燃料电池都是由Ballard公司生产的，同时，它们也将大量的资金投入到燃料电池的研制当中，克莱斯勒公司最近给Ballard公司注入4亿5千万加元用于开发燃料电池汽车，大大的促进了PEMFC的发展。1997年，Toyota公司就制成了一辆RAV4型带有甲醇重整器的跑车，它由一个25kW的燃料电池和辅助干电池一起提供了全部50kW的能量，最高时速可以达到
125km/h，行程可达500km。目前这些大的汽车公司均有燃料电池开发计划，虽然现在燃料电池汽车商业化的时机还未成熟，但几家公司已确定了开始批量生产的时间表，Daimler-Benz公司宣布，到2004年将年产40000辆燃料电池汽车。因而未来十年，极有可能达到100000辆燃料电池汽车。
PEMFC是一种新型、有远大前途的燃料电池，经过从80年代初到现在的近20年的发展，质子交换膜燃料电池起了翻天覆地的变化。这种变化从其膜电极的演变过程可见一斑。膜电极是PEMFC的电化学心脏，正是因为它的变化，才使得PEMFC呈现了今天的蓬勃生机。早期的膜电极是直接将铂黑与起防水、粘结作用的Tefion微粒混合后热压到质子交换膜上制得的。Pt载量高达10mg/cm2。后来，为增加Pt的利用率，使用了Pt/C催化剂，但Pt的利用率仍非常低，直到80年代中期，PEMFC膜电极的Pt载量仍高达4mg/cm2。80年代中后期，美国Los Alamos 国家实验室（LANL）提出了一种新方法，采用Nafion质子交换聚合物溶液浸渍Pt/C多孔气体扩散电极，再热压到质子交换膜上形成膜电极。此法大大提高了Pt的利用率，将膜电极的载铂量降到了0.4mg/cm2。1992年，LANL对该法进行了改进，使膜电极的Pt载量进一步降低到0.13 mg/cm2。1995年印度电化学能量研究中心（CEER）采用喷涂浸渍法制得了Pt载量为0.1 mg/cm2的膜电极，性能良好。据报道，现在LANL试验的一些单电池中，膜电极上铂载量已降到0.05mg/cm2。膜电极上铂载量的减少，直接可以使燃料电池的成本降低，这就为其商品化的实现准备了条件。
5.3．熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
50年代初，熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）由于其可以作为大规模民用发电装置的前景而引起了世界范围的重视。在这之后，MCFC发展的非常快，它在电池材料、工艺、结构等方面都得到了很大的改进，但电池的工作寿命并不理想。到了80年代，它已被作为第二代燃料电池，而成为近期实现兆瓦级商品化燃料电池电站的主要研究目标，研制速度日益加快。现在MCFC的主要研制者集中在美国、日本和西欧等国家。预计2002年将商品化生产。
美国能源部（DOE）去年已拨给固定式燃料电池电站的研究费用4420万美元，而其中的2/3将用于MCFC的开发，1/3用于SOFC的开发。美国的MCFC技术开发一直主要由两大公司承担，ERC（Energy Research Corporation）（现为Fuel Cell Energy Inc.）和M-C Power公司。他们通过不同的方法建造MCFC堆。两家公司都到了现场示范阶段：ERC1996年已进行了一套设于加州圣克拉拉的2MW的MCFC电站的实证试验，目前正在寻找3MW装置试验的地点。ERC的MCFC燃料电池在电池内部进行无燃气的改质，而不需要单独设置的改质器。根据试验结果，ERC对电池进行了重新设计，将电池改成250kW单电池堆，而非原来的125kW堆，这样可将3MW的MCFC安装在0.1英亩的场地上，从而降低投资费用。ERC预计将以$1200/kW的设备费用提供3MW的装置。这与小型燃气涡轮发电装置设备费用$1000/kW接近。但小型燃气发电效率仅为30%，并且有废气排放和噪声问题。与此同时，美国M-C Power 公司已在加州圣迭戈的海军航空站进行了250kW装置的试验，现在计划在同一地点试验改进75kW装置。M-C Power公司正在研制500kW模块，计划2002年开始生产。
日本对MCFC的研究，自1981年"月光计划"时开始，1991年后转为重点，每年在燃料电池上的费用为12-15亿美元，1990年政府追加2亿美元，专门用于MCFC的研究。电池堆的功率1984年为1kW，1986年为10kW。日本同时研究内部转化和外部转化技术，1991年，30kW级间接内部转化MCFC试运转。1992年50-100kW级试运转。1994年，分别由日立和石川岛播磨重工完成两个100kW、电极面积1m2，加压外重整MCFC。另外由中部电力公司制造的1MW外重整MCFC正在川越火力发电厂安装，预计以天然气为燃料时，热电效率大于45%，运行寿命大于5000h。由三菱电机与美国ERC合作研制的内重整30kW MCFC 已运行了10000h。三洋公司也研制了30kW内重整MCFC。目前，石川岛播磨重工有世界上最大面积的MCFC燃料电池堆，试验寿命已达13000h。日本为了促进MCFC的开发研究，于1987年成立了MCFC研究协会，负责燃料电池堆运转、电厂外围设备和系统技术等方面的研究，现在它已联合了14个单位成为日本研究开发主力。
欧洲早在1989年就制定了1个Joule计划，目标是建立环境污染小、可分散安装、功率为200MW的"第二代"电厂，包括MCFC、SOFC和PEMFC三种类型，它将任务分配到各国。进行MCFC研究的主要有荷兰、意大利、德国、丹麦和西班牙。荷兰对MCFC的研究从1986年已经开始，1989年已研制了1kW级电池堆，1992年对10kW级外部转化型与1kW级内部转化型电池堆进行试验，1995年对煤制气与天然气为燃料的2个250kW系统进行试运转。意大利于1986年开始执行MCFC国家研究计划，1992-1994年研制50-100kW电池堆，意大利Ansodo与IFC签定了有关MCFC技术的协议，已安装一套单电池（面积1m2）自动化生产设备，年生产能力为2-3MW，可扩大到6-9MW。德国MBB公司于1992年完成10kW级外部转化技术的研究开发，在ERC协助下，于1992年-1994年进行了100kW级与250kW级电池堆的制造与运转试验。现在MBB公司拥有世界上最大的280kW电池组体。
资料表明，MCFC与其他燃料电池比有着独特优点：
a．发电效率高比PAFC的发电效率还高；
b．不需要昂贵的白金作催化剂，制造成本低；
c．可以用CO作燃料；
d．由于MCFC工作温度600-1000℃，排出的气体可用来取暖，也可与汽轮机联合发电。若热电联产，效率可提高到80%；
e．中小规模经济性与几种发电方式比较，当负载指数大于45%时，MCFC发电系统成本最低。与PAFC相比，虽然MCFC起始投资高，但PAFC的燃料费远比MCFC高。当发电系统为中小规模分散型时，MCFC的经济性更为突出；
f．MCFC的结构比PAFC简单。
5.4．固体氧化物燃料电池(SOFC)
SOFC由用氧化钇稳定氧化锆（YSZ）那样的陶瓷给氧离子通电的电解质和由多孔质给电子通电的燃料和空气极构成。空气中的氧在空气极/电解质界面被氧化，在空气燃料之间氧的分差作用下，在电解质中向燃料极侧移动，在燃料极电解质界面和燃料中的氢或一氧化碳反应，生成水蒸气或二氧化碳，放出电子。电子通过外部回路，再次返回空气极，此时产生电能。
SOFC的特点如下：
?多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)
?Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)
l 由于是高温动作（600-1000℃），通过设置底面循环，可以获得超过60%效率的高效发电。
?由于氧离子是在电解质中移动，所以也可以用CO、煤气化的气体作为燃料。
?由于电池本体的构成材料全部是固体，所以没有电解质的蒸发、流淌。另外，燃料极空气极也没有腐蚀。l 动作温度高，可以进行甲烷等内部改质。
?与其他燃料电池比，发电系统简单，可以期望从容量比较小的设备发展到大规模设备，具有广泛用途。
在固定电站领域，SOFC明显比PEMFC有优势。SOFC很少需要对燃料处理，内部重整、内部热集成、内部集合管使系统设计更为简单，而且，SOFC与燃气轮机及其他设备也很容易进行高效热电联产。下图为西门子-西屋公司开发出的世界第一台SOFC和燃气轮机混合发电站，它于2000年5月安装在美国加州大学，功率220kW，发电效率58%。未来的SOFC/燃气轮机发电效率将达到60-70%。
被称为第三代燃料电池的SOFC正在积极的研制和开发中，它是正在兴起的新型发电方式之一。美国是世界上最早研究SOFC的国家，而美国的西屋电气公司所起的作用尤为重要，现已成为在SOFC研究方面最有权威的机构。
早在1962年，西屋电气公司就以甲烷为燃料，在SOFC试验装置上获得电流，并指出烃类燃料在SOFC 内必须完成燃料的催化转化与电化学反应两个基础过程，为SOFC的发展奠定了基础。此后10年间，该公司与OCR机构协作，连接400个小圆筒型ZrO2-CaO电解质，试制100W电池，但此形式不便供大规模发电装置应用。80年代后，为了开辟新能源，缓解石油资源紧缺而带来的能源危机，SOFC研究得到蓬勃发展。西屋电气公司将电化学气相沉积技术应用于SOFC的电解质及电极薄膜制备过程，使电解质层厚度减至微米级，电池性能得到明显提高，从而揭开了SOFC的研究崭新的一页。80年代中后期，它开始向研究大功率SOFC电池堆发展。1986年，400W管式SOFC电池组在田纳西州运行成功。1987年，又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3kW级列管式SOFC发电机组，成功地进行连续运行试验长达5000h，标志着SOFC研究从实验研究向商业发展。进入90年代DOE机构继续投资给西屋电气公司6400余万美元，旨在开发出高转化率、2MW 级的SOFC发电机组。1992年两台25kW管型SOFC分别在日本大阪、美国南加州进行了几千小时实验运行。从1995年起，西屋电气公司采用空气电极作支撑管，取代了原先CaO稳定的ZrO2支撑管，简化了SOFC的结构,使电池的功率密度提高了近3倍。该公司为荷兰Utilies公司建造100kW管式SOFC系统，能量总利用率达到75%，已经正式投入使用。目前，Siemens Westinghouse 宣布有两座250kW SOFC示范电厂很快将在挪威和加拿大的多伦多附近建成。下图为西屋公司在荷兰安装的SOFC示范电厂，它可以提供110kW的电力和64kW的热，发电效率达到46%，运行14000h。
另外，美国的其它一些部门在SOFC方面也有一定的实力。位于匹兹堡的PPMF是SOFC技术商业化的重要生产基地，这里拥有完整的SOFC电池构件加工、电池装配和电池质量检测等设备，是目前世界上规模最大的SOFC技术研究开发中心。1990年，该中心为美国DOE制造了20kW级SOFC装置，该装置采用管道煤气为燃料，已连续运行了1700多小时。与此同时，该中心还为日本东京和大阪煤气公司、关西电力公司提供
燃料电池原理与发展 燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。 近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 介绍一下熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述 1.1 燃料电池简述燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，结构如图1-1所示。它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。同汽油发电机相似，它的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐的贮量决定。总体上，燃料电池具有以下特点： (l) 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。 (2) 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。
2020年燃料电池电堆行业分析调研报告 2019年12月
目录 1.燃料电池电堆行业概况及市场分析 (5) 1.1燃料电池电堆市场规模分析 (5) 1.2燃料电池电堆行业结构分析 (5) 1.3燃料电池电堆行业PEST分析 (6) 1.4燃料电池电堆行业特征分析 (8) 1.5燃料电池电堆行业国内外对比分析 (9) 2.燃料电池电堆行业存在的问题分析 (11) 2.1政策体系不健全 (11) 2.2基础工作薄弱 (11) 2.3地方认识不足，激励作用有限 (11) 2.4产业结构调整进展缓慢 (12) 2.5技术相对落后 (12) 2.6隐私安全问题 (12) 2.7与用户的互动需不断增强 (13) 2.8管理效率低 (14) 2.9盈利点单一 (14) 2.10过于依赖政府，缺乏主观能动性 (15) 2.11法律风险 (15) 2.12供给不足，产业化程度较低 (15) 2.13人才问题 (16) 2.14产品质量问题 (16)
3.燃料电池电堆行业政策环境 (18) 3.1行业政策体系趋于完善 (18) 3.2一级市场火热，国内专利不断攀升 (18) 3.3“十三五”期间燃料电池电堆建设取得显著业绩 (19) 4.燃料电池电堆产业发展前景 (21) 4.1中国燃料电池电堆行业市场驱动因素分析 (21) 4.2中国燃料电池电堆行业市场规模前景预测 (21) 4.3燃料电池电堆进入大面积推广应用阶段 (21) 4.4政策将会持续利好行业发展 (22) 4.5细分化产品将会最具优势 (22) 4.6燃料电池电堆产业与互联网等产业融合发展机遇 (23) 4.7燃料电池电堆人才培养市场大、国际合作前景广阔 (24) 4.8巨头合纵连横，行业集中趋势将更加显著 (25) 4.9建设上升空间较大，需不断注入活力 (25) 4.10行业发展需突破创新瓶颈 (26) 5.燃料电池电堆行业发展趋势 (27) 5.1宏观机制升级 (27) 5.2服务模式多元化 (27) 5.3新的价格战将不可避免 (27) 5.4社会化特征增强 (27) 5.5信息化实施力度加大 (28) 5.6生态化建设进一步开放 (28)
xxxxxx有限公司 600kWp分布式光伏发电（自发自用、余电上网）项目 申请报告 xxxxxx有限公司 二〇一六年十一月
目录 第一章项目概况1 建设单位简介1 太阳能资源和气象条件1 建设条件2 建设类型2 装机容量3 太阳能光伏系统的选型布置3 电池阵列运行方式和倾角的选择 5 逆变器的选择6 项目总投资6 预计发电量7 方针接线方案设计9 系统防雷接地方案11 第二章发展规划分析和产业政策分析 12发展规划分析. 12 产业政策分析. 13 第三章建设方案15 可利用建筑屋顶面积情况13 发电计量系统配置方案13 运营维护方案15 第四章进度计划21 第五章保障措施21 组织协调措施21 监督管理措施22 运营管理措施25 检修管理设计26 第六章节能减耗分析21 用能标准和节能规范21 能耗状况和能耗指标分析30 本工程节能分析30 第七章技术经济分析32 综合数据表32 估算范围32 估算依据32 建设投资估算33 资金配套方案34 附图： 项目地理位置图 附件： 营业执照
租赁合同
项目概况 建设单位简介 xxxxxx有限公司位于xxxxxx，注册资本500万元。企业经营范围：光伏发电技术研发；光伏发电工程施工及管理；园林绿化工程、亮化工程、市政工程施工；建筑水电暖安装。本项目太阳能电站的安装地点为豪润果蔬市场建筑物屋顶。 太阳能资源和气象条件 全年平均日照总时数小时，日照百分率为57％。最多为小时（1968年），最少为小时（1964年）。xxx区地处中纬度，太阳辐射能比较丰富。历年平均太阳总辐射量为千卡/平方厘米，5、6月份最多，为千卡/平方厘米，12月份最少，为千卡/平方厘米。 建设条件 经过图纸勘测和设计要求，豪润果蔬市场楼屋顶可用于分布式太阳能光伏发电建设，建筑屋顶周围地形无明显的高大障碍物，光照良
核能发电的优点和缺点 核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外（见轻水堆），其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。 据中国行业发布的《2015年中国核能发电现状调研及发展趋势走势分析报告》显示，中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。从核电发展总趋势来看，中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正在执行，当前发展压水堆，中期发展快中子堆，远期发展聚变堆。具体地说就是，铀资源，采用铀钚循环的技术路线，中期发展快中子增殖反应堆核电站；远期发展聚变堆核电站，从而基本上“永远”解决能源需求的矛盾。 经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。 一．核能发电的优点： 1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因
此核能发电不会造成空气污染。 2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。 3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，暂时没有其他的用途。 4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。 5.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。二．核能发电的缺点： 1.核电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。 2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。 3.核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。 4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。 5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。 6.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。 总的来说，在能源经济方面看来，发展核电不能盲目。要使核能在促进我国社会、经济、环境协调发展方面起作用。需要考虑的因素众多，如核电站布局、核电技术、核电人才等。我国的核电技术储备
三、试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点 燃料电池按燃料电解质的类型来分类的，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类。 3.1 碱性燃料电池（AFC） 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 3.1.1原理 使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。 负极反应：2H2 + 4OH-→ 4H2O + 4e- 正极反应：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。 如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。 3.1.2 特点 低温性能好，温度范围宽，并且可以在较宽温度范围内选择催化剂，但是才用的碱性电解质易受CO2的毒化作用因此必须要严格出去CO2，成本就偏高。 3.2 磷酸燃料电池（PAFC） 磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于
氢燃料电池汽车行业调研分析报告 摘要—— 该氢燃料电池汽车行业调研报告仅针对xx区域分析，时间2016-2017年度。 目前，区域内拥有各类氢燃料电池汽车企业980家，从业人员49000人。截至2017年底，区域内氢燃料电池汽车产值176532.90万元，较2016年148797.12万元增长18.64%。产值前十位企业合计收入76279.72万元，较去年63661.93万元同比增长19.82%。 ...... 过去，我们习惯性地将拉丁美洲、东欧和亚洲大部分地区看做低成本地区，而将美国、西欧和日本看作高成本地区。现今，这已是一种过时的世界观了，工资、技术效率、能源成本、利率和汇率，以及其他因素年复一年的细微变化，悄悄地但也极大地影响了“*”图谱。近十年来，全球的要素价格都不同程度出现上涨，但数字并不是其中关键，重要的是有没有与业绩挂钩，与利润相比，要素价格的上涨是否合理？遗憾的是，“*”的下降已经导致(甚至继续导致)令人悲观的制造业投资回报率。加上隔在科技创新与市场回报之间的玻璃墙，全球制造业将持续面临悲观前景。
第一章宏观环境分析 一、宏观经济分析 1、过去一年，国际环境扑朔迷离，复杂多变，国内发展任务繁重，异常艰巨。我们能够确保经济运行处于合理区间，经济结构调整出现积极变化，实现经济社会持续稳步发展，说到底，与全面深化改革取得重大进展密不可分。一年来，行政体制改革、财税体制改革、户籍制度改革、国有企业混合所有制改革、央企负责人薪酬制度改革、考试招生制度改革、司法体制改革等亮点频频；一批与经济社会密切相关的商品和服务价格有序放开，进一步激发了市场活力；持续推进的简政放权措施和“负面清单”管理，极大地激发了全民创业兴业和带动就业的内在动力。 2、当前经济运行稳中有变，经济下行压力有所加大，部分企业经营困难较多，长期积累的风险隐患有所暴露。对此要高度重视，增强预见性，及时采取对策。当前我国经济形势是长期和短期、内部和外部等因素共同作用的结果。我国经济正在由高速增长阶段转向高质量发展阶段，外部环境也发生深刻变化，一些政策效应有待进一步释放。 二、宏观产业政策
光伏发电技术及应用专业人才需求调研报告 光伏发电技术及应用专业人才需求调研报告 为了充分了解光伏产业的人才需求情况，掌握市场动态，全面推进光伏发电技术及应用专业建设和深化教学改革，提高人才培养质量，能源工程系深入光伏产业相关企业进行实地调研。以就业为导向，从学生就业岗位需求的知识能
力、知识结构情况，结合我院本专业的实际情况，确定专业教学改革思路、培养目标等，提出专业改革建议，满足市场经济对本专业人才方面的要求，为本行业培养合格的高端技能型人才，促进光伏发电技术及应用专业的发展。 一、调研目的与对象 （一）调研目的 为彰显职业教育的特点，通过本次调研收集和分析光伏发电技术及应用专业学生的社会人才需求状况信息，了解社会、行业以及企业对光伏发电技术及应用专业人才知识、技能、素质要求的变化和趋势，为我院光伏发电技术及应用专业设置、招生规模、学生就业指导提供信息，为专业人才培养目标定位、教学计划和课程标准的修订、教学的改革提供依据和帮助，提高我校人才培养质量及毕业生的就业质量。 （二）调研对象 1.武威海润光伏科技有限公司； 2.武威金太阳新能源高新技术集中区； 3.民勤红沙岗能源化工建材工业园区 4.武威荣宝照明科技有限公司
武威航天万源电机制造有限公司5. 6.安徽三安光电有限公司二、调研方法与内容 （一）调研方法 1.网上调研 2.现场参观考察 专家咨询3. 4.座谈 （二）调研内容 1．向企业人力资源部门了解企业总体岗位和光伏发电技术及应用专业涵盖的岗位。 2．访谈车间主管，了解光伏发电技术及应用专业人才成长经历以及在企业总体
技术的地位和作用。 3．对涉及光伏发电技术及应用专业岗位的一线组长进行谈话和调研，了解他们的工作任务、岗位要求等。 4．访谈员工，了解高职毕业生目前所面临的问题和解决这些问题的途经和方法。5．整体了解行业对人才需求的具体要求，以及适合相关岗位的课程。 三、调研分析 （一）行业发展对本专业人才需求的趋势 1．全国主要发达城市及各省人才需求情况 为加快光伏等新能源推广应用与产业发展，国家、甘肃省相继出台了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》、《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》、《甘肃省国民经济和社会发展第十一个五年（2006-2010 年）规划纲要》、加快光伏等新能源推广应用；实施光伏等新能源产业提升战略，紧紧抓住全球光伏产业和市场快速成长的机遇，大力发展光伏终端产品、光伏产 业用装备及材料、半导体照明产品（LED）、光伏发电配套设备及产品，积极支 持硅材料生产新技术的研发及应用。重点发展硅晶体电池、薄膜电池，从硅晶体的下游产品以及薄膜材料到电池组件，实现专业化、规模化、集约化生产，降低生产成本，提高产品竞争力；发展光伏产业生产关键设备，通过消化吸收关键技术，提高自主设计与制造水平。 2. 我市及周边地区，对本专业人才需求趋势 目前武威市已拥有光伏产业企业10余家，产业规模达到年产值80亿元。规模以上企业单晶硅产值武威光伏产业取得迅猛发展，年度，2012年一2011在．35218万元，比上年同期增长105.4％。单晶硅延伸产品产值5452万元（主 要集中在太阳能电池组件制造和光伏发电产品上），同比增长493.9％。 光伏产业是武威市重点培育和发展的新兴产业。近年来，武威市结合本地实际，注重培育以新材料、新能源、新光源等“三新”为代表的新兴产业，全
新能源发电的调研报告 随着全球范围内能源危机的冲击和环境保护及经济持续发展的要求，开发利用新能源和可再生能源成为大多发达国家和部分发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。从70年代开始，我国政府就积极倡导新能源的研究与开发、推广与应用，并坚持讲求效益的方针；1992年世界环境与发展大会后，又提出了因地制宜地开发和推广风能、太阳能、潮汐能、生物质能(垃圾)、地热能等新能源的方针。 当今社会．电力已是现代文明的象征．一个国家的人均用电量往往是该国经济发展水平的标志然而仅仅依靠煤、石油、天然气和核能发电，已面临着资源枯竭和环境污染的双重压力．已不能适应世界人口和经济持续发展的需要人们迫切地呼唤新能源，希望用洁净的、可再生的能源发电来取代煤电、油电、气电和核电。 新能源与可再生能源．是指除常规化石能源和大中型水利发电、核裂变发电之外的太阳能、风能、生物质能、海洋能以及地热能等一次能源这些能源资源丰富、可以再生、清洁干净，是最有前景的替代能源．将成为未来世界能源的基石。 我国自然能资源非常丰富，开发潜力巨大，然而，由于技术、资金以及政策引导等方面的原因，新 能源的开发步伐明显滞后。至2000年底，我国风能、太阳能等新能源发电约为33×104kW，只占我国电力装机总容量的0.4%。因此，推动新能源产业的快速发展，已成当务之急。 自20世纪70年代以来，许多国家开展了对新型可再生能源的研究、开发和利用工作，到目前为止， 除水电外，全世界可再生能源发生的总容量已经接近4×144MW，占全世界总装机容量的1%。其中风力发电装机容量已达到1.8×104MW，太阳能光伏发电装机容量近的1×104MW。美国、日本、澳大利亚等国家和欧盟都制订了相关政策积极发展新能源产业。
简述燃料电池的基本工作原理及主要用途 1.燃料电池的工作原理 燃料电池是一种按电化学原理，即原电池的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。其单体电池是由电池的正极(即氧化剂发生还原反应的阴极)、负极(即还原剂或燃料发生氧化反应的阳极)和电解质构成，燃料电池与常规电池的不同之处在于，它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐内，不受电池容量的限制，工作时燃料和氧化剂连续不断地输入电池内部，并同时排放出反应产物。 以磷酸型燃料电池为例，其反应式为： 燃料极(阳极) H2→2H++2e- 空气极(阴极) 1／2O2+2H++2e-→H2O 综合反应式H2+1／2O2→H2O 以上反应式表示：燃料电池工作时向负极供给燃料(氢)，向正极供给氧化剂(空气)，燃料(氢)在阳极被分解成带正电的氢离子(H+)和带负电的电子(e-)，氢离子(H+)在电解质中移动与空气极侧提供的O2发生反应，而电子(e-)通过外部的负荷电路返回到空气极侧参与反应，连续的反应促成了电子(e-)连续地流动，形成直流电，这就是燃料电池的发电过程，也是电解反应的逆过程。 2. 燃料电池的应用 2.1能源发电 燃料电池电站的每一套设备都包括了一整套采用天然气发电的电力系统。分为以下几个分单元：①燃料电池组②燃气制备③空气压缩机④水再生利用⑤逆变器⑥测量与控制系统。燃料电池组产生的直流电通过逆变器转换成电力系统所需的交流电。各国工业界人士普遍对于燃料电池在发电站的应用前景看好。 2.2汽车动力 目前，各国的汽车时用量均在不断增加，其排放的尾气已成为城市环境的主要污染源之一，特别是发展中国家，由于环境治理的力度不够，这一问题更加突出。于是人们要求开发新型的清洁、高效的能源来解决这一问题。质子交换膜燃料电池的出现，解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问题，使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。这种电池具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点，适合做汽车动力，是目前世界各国积极开发的运输用燃料电池。 2.3家庭用能源 天然气作为一种洁净的能源已经在家庭中被广泛使用，但其主要被用于炊事和生活热水，以天然气为燃料的燃气电池在家庭中的广泛应用在开辟了天然气在家庭中一种新的用途的同时也将解决目前高峰用电紧张的状况。家庭的一切用电无论是电视机、冰箱、空调等家用电气还是电脑等办公设备都可以通过燃料电池来提供电源，作为家庭使用的分散电源，并可同时提供家庭用热水和采暖，这样可将天然气的能量利用率提高到70％～90％。 2.4其它方面的应用 碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本没有红外辐射，而且噪音小，用做潜艇动力，可大大提高其隐蔽性；同时由于它们可在常温下启动工作，且能量密度高，还是理想的航天器工作电源。此外，质子交换膜燃料电池还可用作野外便携式电源。 总之，燃料电池的用途将越来越广泛，它将遍布我们身边的每个角落，成为我们生活中不可缺少的能量来源。
2019年燃料电池产业 分析报告 2019年6月
目录 一、燃料电池产业政策驱动效应显著 (5) 1、交通领域氢能成长性最强 (5) 2、燃料乘用车开始逐步推广，丰田技术领先 (5) 3、补贴政策推进燃料电池行业发展 (6) 4、燃料电池汽车进入快速发展时期 (7) 二、我国燃料电池产业发展潜力巨大 (8) 1、加氢站建设是促进燃料电池大规模应用的关键 (8) 2、当前保有量相对较少，未来发展中国最具成长空间 (10) 3、中国燃料电池汽车未来市场规模广阔 (11) 三、短期看规模化推动燃料电池成本下降 (12) 1、电堆成本占比较高，核心部件有待突破 (12) 2、规模化效应将有助于显著降低成本 (12) 3、催化剂和双极板规模化降本难 (14) 4、压缩机等部件降本空间比较大 (15) 5、氢气环节具有较大降幅空间 (15) 四、各个环节成本测算和横向对比 (16) 1、铂用量仍有下降空间 (16) 2、氯碱制氢产能最大，成本较低 (17) 3、加氢站投资额相对较高 (19) 4、运营环节尚无成本优势 (22) 5、全生命周期成本对比测算 (23)
燃料电池产业政策驱动效应显著。燃料电池具有效率高、持久性好、无污染、环境适应性强的特质，从全球来看，燃料电池主要运用于固定式电源、交通运输和便携式电源三大类领域。全球燃料电池需求快速增长，且交通领域商业化进程正在加速，除商用车外，燃料乘用车开始逐步推广，日本丰田技术领先。中国政策也在积极推动燃料电池行业发展，随着氢燃料电池相关利好政策不断，预计中国燃料电池汽车将进入快速发展阶段。 燃料电池在商用车领域替代空间广阔。作为基础配套设施的加氢站建设是促进燃料电池大规模应用的关键，目前全球加氢站建设量较少，全球主要国家将加快加氢站建设，并制定了对应的规划路线。中国燃料电池产业目前处于萌芽时期，商用车是规模化应用的先锋。2018年中国燃料电池汽车产销均完成1527辆，包括1418 辆燃料电池客车以及109 辆燃料电池货车，而国内商用车销量为437.1万辆，燃料电池汽车渗透率仅0.03%，未来发展空间可观。 短期看规模化推动燃料电池成本下降。燃料电池成本高企是目前大规模推广的主要障碍。燃料电池主要由燃料电池堆、空气供给系统、冷却系统、及氢气检测供给系统等成分构成。其中电堆成本占比最大。随着燃料电池产量的扩大，规模化效应将有助于降低成本。其中膜组件和压缩机将成为规模化效应降本的核心部件。 早期补贴给予加氢站建设动力，全周期成本有赖氢气成本降低。制氢端来看，目前氯碱制氢产能最大，且具备较好的经济性和环保性；加氢站建设来看，目前造成加氢站数量少的最大阻碍是加氢站建设的
德国核能及相关研究调研报告 梅龙伟 一、德国能源结构现状 二、德国核电发展历史及现状 三、德国核相关机构 四、钍、熔盐核能相关研究历史及现状 一、德国能源结构现状 德国电力结构比较均衡，2009年核电占德总电力的23%；占基本负荷电力（由于风电和太阳能没有相应电力储存设备而必须由持续电力供电的部分）的48%；每年可减少1亿至1.5亿吨二氧化碳排放量，相当于德国汽车年均二氧化碳的排放量。 德国上网电价（Feed-in tariff）补贴制度也是许多国家学习的典范，大大促进了风电、光伏发电以及生活垃圾发电产业的发展，优化了能源结构，保护了生态环境。2009年上网电价从低到高分别是：褐煤电2.4分∕千瓦时、核电2.65分∕千瓦时、硬煤电3.35分∕千瓦时、水电4.3分∕千瓦时、天然气气电4.9分∕千瓦时、风电9分∕千瓦时、光伏电54分∕千瓦时。由于切尔诺贝利事故和福岛核事故，德国政府针对核电发展有过三次较大的调整，分别是2001年、2010年和2011年【1】。表1给出了2010年～2012年德国的电力结构，由于2011年关闭了数座核电站，使得核电比例大幅下降，目前德国在役核电站有9座，其总装机容量为12.7GWe，但是鉴于替代方案有限以及电力供应紧张，在未来的10年核电将继续发挥作用。 【1】https://www.doczj.com/doc/b95535971.html,/info/Country-Profiles/Countries-G-N/Germany/
https://www.destatis.de/EN/FactsFigures/EconomicSectors/Energy/Production/Tables/GrossElec tricityProduction.html 二、德国核电发展历史及现状 德国核能研究可以追溯到二战时期，但是真正利用核能发电则是从上世纪60年代初开始的。德国第一座核电站是位于Kahl的沸水堆VAK。德国并网发电的反应堆有多种类型，其核电历史上曾经出现过的反应堆有压水堆（PWR）20座，沸水堆（BWR）11座，高温气冷堆（HTGR）2座，快堆（FBR）1座，重水慢化二氧化碳冷却（HWGCR）一座，加压重水堆（PHWR）1座。目前共有9座核电站在运行，其中7座压水堆，2座沸水堆。表4给出了德国核电史上所有在役和退役的核电站，可以发现有的核电站在不同时期，其堆型是不同的，比如PHILIPPSBURG-1是沸水堆而PHILIPPSBURG-2则是压水堆；KNK I是压水堆而KNK II是快堆等。 表3. 德国退役核电站
燃料电池的工作原理 作者:佚名来源:不详录入:Admin更新时间：2008-8-18 10:07:07点击数：8 【字体：】 燃料电池的一般结构为:燃料（负极）|电解质（液态或固态）|氧化剂（正极）。在燃料电池中,负极常称为燃料电极或氢电极,正极常称为氧化剂电极、空气电极或氧电极。燃料有气态如氢气、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物,液态如液氢、甲醇、高价碳氢化合物和液态金属,还有固态如碳等。按电化学强弱,燃料的活性排列次序为：肼>氢>醇>一氧化碳>烃>煤。燃料的化学结构越简单,建造燃料电池时可能出现的问题越少。氧化剂为纯氧、空气和卤素。电解质是离子导电而非电子导电的材料,液态电解质分为碱性和酸性电解液, 固态电解质有质子交换膜和氧化锆隔膜等。在液体电解质中应用微孔膜,0.2mm～0.5mm厚。固体电解质为无孔膜,薄膜厚度约为20μm。 燃料电池的反应为氧化还原反应,电极的作用一方面是传递电子、形成电流;另一方面是在电极表面发生多相催化反应,反应不涉及电极材料本身,这一点与一般化学电池中电极材料参与化学反应很不相同,电极表面起催化剂表面的作用。 在氢氧燃料电池中,氢和氧在各自的电极反应。氧电极进行氧化反应,放出电子,氢电极进行还原反应,吸收电子,总反应为: O2＋2H2→2H2O 反应结果是氢和氧发生电化学燃烧,生成水和产生电能。由热力学变量可得到以下理论电动势和理论热效率公式： Eo=－(ΔG/2F)=1.23V η=ΔG/ΔH=83.0％ 式中,ΔG和ΔH分别为自由能变化和热焓变化,F是法第常数。
燃料电池工作的中心问题是燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性问题。对于气体电极过程,必需采用多孔气体扩散电极和高效电催化剂,提高比表面,增加反应活性,提高电池比功率。 氢在负极氧化是氢原子离解为氢离子和电子的过程,若用有机化合物燃料,首先需要催化裂化或重整,生成富氢气体,必要时还要除去毒化催化剂的有害杂质。这些反应可在电池内部或外部进行,需附加辅助系统。正极中的氧化反应缓慢,燃料电池的活性主要依赖正极。随着温度升高,氧的还原反应有相当的改善。高温反应有利于提高燃料电池反应活性。 对于燃料电池发电系统,核心部件是燃料电池组,它由燃料电池单体堆集而成,单体电池的串联和并联选择,依据满足负载的输出电压和电流,并使总电阻最低,尽量减小电路短路的可能性。其余部件是燃料预处理装置、热量管理装置、电压变换调整装置和自动控制装置。通过燃料预处理,实现燃料的生成和提纯。燃料电池的运行或起动,有的需要加热,工作时放出相当的热量,由热量管理装置合理地加热或除热。燃料电池工作时,在碱性电解液负极或酸性电解液正极处生成水。为了保证电解液浓度稳定,生成的水要及时排除。高温燃料电池生成水会汽化,容易排除,水量管理装置将实现合理的排水。燃料电池与化学电池一样,输出直流电压,通过电压变换成为交流电送到用户或电网。燃料电池发电系统通过自控装置使各个部件协调工作,进行统一控制和管理。
关于核能的调研报告 引言：随着社会发展，能源问题、环境问题逐渐成为人们生活、科研的焦点，因为这不仅关乎人类自身及其后代的问题，还关乎地球发展问题。而当今社会能源主要来自于C的化合物（如石油，煤等），这些能源存在的主要问题是：不可再生，环境污染。而核能，虽然不是可再生能源，但较之于传统能源，有着巨大的潜力：其所含能量密度高，污染小。核能正逐渐成为人类能源的主体。 调研内容： 核裂变原理及历史 核能（或称原子能）是通过改变质量从原子核释放的能量，符合爱因斯坦质能方程 E=mc2。核能通过三种核反应之一释放：1、核裂变，打开原子核的结合力。2、核聚变，原子的粒子结合在一起。3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。 1938年德国科学家哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。1942年12月2日美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。1957年前苏联建成了世界上第一座核电站------奥布灵斯克核电站，其装机容量为5兆瓦。在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时，原子弹诞生了。人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。核电厂发电的基本原理如下：利用核反应堆中铀燃料核裂变连锁反应所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。除沸水堆外，其他类型的动力堆都是一回路的冷却剂通过堆心加热，在蒸汽发生器中将热量传给二回路或三回路的水，然后形成蒸汽推动汽轮发电机。沸水堆则是一回路的冷却剂通过堆心加热变成70个大气压左右的饱和蒸汽，经汽水分离并干燥后直接推动汽轮发电机。核能发电所使用的的铀235纯度只约占3%－4%，其馀皆为无法产生核分裂的铀238。核反应所放出的热量较燃烧化石燃料所放出的能量要高很多（相差约百万倍），比较起来所以需要的燃料体积比火力电厂少相当多。动力堆的发展最初是出于军事需要，后来，由于核浓缩技术的发展，到1966年，核能发电的成本已低于火力发电的成本。中国大陆的核电起步较晚，80年代才动工兴建核电站。中国自行设计建造的30万千瓦（电）秦山核电站在1991年底投入运行。大亚湾核电站于1987年开工，于1994年全部并网发电。 核电优缺点 核电有着无可比拟的优势：1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。2.核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。 3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。 4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。 5.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。但是，其缺点更不容忽视：1.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对
山东科技大学学士学位论文 摘要 燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，是一种高效的绿色能源，具有功率密度大、高效洁净、运行稳定可靠等优点，日益受到人们的青睐，成为最有前景的能源技术之一。 但燃料电池本机输出电压一般不高，输出的直流电压随着负载的变化有很大的变动范围，因此在燃料电池发电系统中，具有升压稳压功能的功率变换是其重要组成部分。燃料电池输出的电压必须经过具有升压稳压功能的功率变换装置，将不稳定的直流电变换成符合要求的直流或交流电。 本文主要研究了燃料电池发电系统中的直流变换器。首先，本论文介绍了燃料电池的原理、特点和选题意义，并对质子交换膜燃料电池的输出特性做了分析。其次，列举并比较了常见的DC/DC变换器的拓扑结构和性能，借鉴国内外在燃料电池系统中直流变换器上的研究和创新成果，根据燃料电池的输出特性及电动汽车的特点，选用Boost 型电路结构作为直流变换电路。再次，本课题的设计目标：将 5 KW质子交换膜燃料电池组85的输出电压，转换成375V左右的电压，为5KW轻型车辆提供主~ 120 V 动力。根据对Boost电路原理的分析，推导并设置电路主要元件的参数，利用Multisim、Matlab/Simulink软件进行建模和仿真，观察并分析输出电压、纹波电压、开关管电压和电流等波形，分析该方案的可行性和不足之处。 关键词: 燃料电池 DC/DC变换器 Boost电路 Multisim Matlab/Simulink
燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的研究 ABSTRACT Fuel cell is a device which can transform chemical energy directly into electric energy. It is a green energy of high efficiency .which has various advantages such as high efficiency of power generation and density, environment friendly, stability and reliable operation, so it is regarded seriously by more and more people,becoming one of the most promising energy technology. However, the output voltage of the FC is not always very high and varies largely as the load changes.Therefore, power converter is essential in the Fuel cell generation system.which can boost the voltage of the FC and stabilize the voltage of the output of the power converter, in order to get required DC or AC. This paper mainly studies the DC/DC converter of the fuel cell generation system..This paper first introduces the background of selection of this subject, analyses the working theory and the output performance of PEMFC.Then, the paper introduces different innovation in DC/DC converters used in fuel cell system .What is followed is the key part, according to the characteristics of the electric vehicle and fuel cell system, boost circuit is chosed to topologies of DC/DC converter. Meanwhile, the paper presents the development and accomplish the conversion,and given analysis of the working principle of the circuit .The goal of the design is to boost the output voltage of 5KW PEMFC system varing between 85~120 V, to about 375V so that it can be inverted to 220V AC to supply for the light vehicle.With theoretical studying the design,criterions of key circuit parameters are gained,finally the author simulates the boost circuit for fuel cell with the software Multisim and Matlab/Simulink, in the end analyses the output waves,the advantages and disadvantages of this design. Key words:fuel cell DC/DC converter Boost circuit Multisim Matlab/Simulink
对太阳能燃料电池发电技术的调研 报告(doc 25页) 部门： xxx 时间： xxx 整理范文，仅供参考，可下载自行编辑
关于太阳能燃料电池发电技术调研报告 本文概述了太阳能燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用太阳能太阳能燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展太阳能燃料电池发电的具体建议。 1．引言 能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。 随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是太阳能燃料电池发电技术。 1839年英国的Grove发明了太阳能燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧太阳能燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了太阳能燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，太阳能燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的太阳能燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧太阳能燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸太阳能燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。
燃料电池发展综述 摘要本文对燃料电池的基本概念，基本工作原理和特性作了详细介绍，对其工作效率和提高效率的方法作了定量讨论，并着重研究了在中国有广阔应用前景的熔融氧化物燃料电池发电装置的工作情况，提出了改进方案。 关键词燃料电池MCFC 整体煤气化联合循环燃料电池 1 引言能源作为现代人类文明的支柱产业之一，越来越受到人们的高度重视。目前能源利用中存在两大问题： （1）利用效率不高：普通的热力发电效率平均仅为30%－40%，面对日益紧缺的能源现状，提高能源利用效率迫在眉睫。 （2）污染严重：能源消耗中所产生的各种废气已严重污染了环境，给人类和生物生存空间带来严重威胁。面对如此现状，研究开发高效，节能，低污染的"绿色技术"--燃料电池成为当今一大热门话题。 由于成本过高，难以投入实际生产等原因，燃料电池（fuel cell）自从1893 年由英国人W.Grove 发明以后，曾一度被遗忘，直到本世纪60 年代后期也只能被用于阿波罗（Apollo）和双子星座（Gemini）宇宙飞船等特殊场合。可是近年来，由于低价格催化剂的开发，再加上许多一般发电方式不可比拟的优点，燃料电池发电特别是大规模发电厂的建设又重新为人们所重视。一般的火力发电是把燃料转换为热能，驱动气轮机旋转而发电，而燃料电池是把燃料的化学能直接转变为电能的装置，省去了热机的环节。燃料电池比普通发电方式有众多优点：1.不受热机效率（卡诺循环）的限制，从而使循环效率有了质的提高。实际效率可达60%以上。这比普通的蒸汽发电有很大的优越性。2.产物污染少，例如：氢氧燃料电池的最终产物只有水。3.由于无大型旋转机械，故噪音小。目前燃料电池的发展主要有两种趋势：第一是小型化，以适应在汽车和手提电脑内使用，主要以PEMFC 为代表。第二种是形成规模化燃料电池发电厂，以期替代传统的火力发电形成第四代新型能源。这方面主要以熔融碳酸盐型MCFC 为代表。本文将重点对其进行讨论。2 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，肼，烃，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，其原理模型如图 1 所示。比如现在设想一个用氢作燃料，用氧做氧化剂，电解质用氢氧化钾溶液的燃料电池。这个电池的体系可表示为H /KOH/O 这时电池反应为：图 1 燃料电池原理模型负极侧正极侧总反应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，则此燃料电池在标准状态下对外做的最大有用功为：由得：即消耗每kJ ，最大可发出237146kJ 的电能。如反应温度变为500K，根据G=H-TS 得：不同温度下（其它参数不变）燃料电池反应的最大输出电能如图3 所示，可见，随着温度的升高，输出最大有用功略有下降。（2）.开路电压一般电池电动势等于组成电池的两个电极的平衡电极电相位差。如下式: 式中：E 为电池的电动势（V）为正极平衡电极电位（V）为负极平衡电极电位（V）在非标准状态下，电极电位由方程给出其中 a 和分别为电极反应中氧化态和还原态物质活度。对于总反应为的燃料电池有：（1）其中，可见，提高温度可使开路电压和E 提高，如T=273.15 时而当T=900K 时，由式（1）可算得E=1.56v,同时我们看到，T 不变时，与lgP P 成正比，如图 4 所示图4 压力的对数与开路电压线性关系示意图可见：1.单个燃料电池电压很低，实际生产中要采用多个电池串连的电堆（Stack）的方式。2.提高反应温度T 和反应气体压力可提高输出电压，从而