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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，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。
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：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电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=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小于理论值E，定义电压效率，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。
其中底循环（Bottoming Cycle）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。由此可见，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。
目前我国的电力供应以煤为主要燃料，效率低，污染大。为了改变现状，迫切需要发展新型绿色能源，而燃料电池大家族中的一员——MCFC熔融碳酸盐型燃料电池无疑是最佳选择。可见要提高开路电压，必须提高和之入口分压及反应温度。同时电池本体效率（非总体效率）。如认为每消耗1mol释放1.930电量，则T=1000K时则可见燃料电池效率与单体电压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3atm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，并且设想了可能的参数。
设想的燃料电池发电厂基本发电过程如下：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，反应后之剩余气体中含和未反应的，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，反应后之气体进入透平做功，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大量未反应的氢气故首先经分离器分离为76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。在燃料转换器中之反应。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中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=2.46倍，燃料电池大规模发电的优越性可见一斑。
三、 经济性分析
最后，我们再从经济角度分析该套装置的可行性。燃料电池联合循环的经济性分析以装置的单位发电成本价格为标准。装置的年总投资费用为PE:PE=CAP+M+OM；M=FH（式中：CAP装置总资本的年消耗额；M燃料的年消耗；C装置总资本；F燃料能量的消耗率；OM装置运行和维护的年费用；燃料单位能量的价格；H装置的年运行小时数）可得出单位发电价格。（式中：W装置的发电功率)。
四、 结束语
对比上述改进后的燃料电池联合循环和普通发电装置的单位发电价格，燃料电池联合循环由于结合了多项新技术，初期建设的一次性投资大，故CAP项的值较大，可据前面单位发电耗煤量的比较计算可知其M项的值较小；普通发电装置中CAP项的值较小，而M项对应值则大得多。同时，由于燃料电池发电运行稳定，日常维护费用OM低,且由于尾气中无粉尘,等污染物，故不需要高昂的尾气净化费用。因此，燃料电池联合循环的优点就在于其装置循环的效率高，原料的消耗较小，日常运行费用低，但初期投资高是其一大问题。
燃料电池联合循环的运行稳定性同样对整个运营效率也有很大贡献，因为普通发电启停一次要耗电能折合标准煤120～150吨，停运次数增加，加之启动成功率的影响，年均消耗的燃料就要多，最终造成全年平均燃料消耗率偏高。而燃料电池发电由于无大型旋转机械，故障率低，可以连续稳定运转，H值远高于普通发电，导致?降低，故有很大的经济应用前景。
参考文献
【1】 工程热力学题型分析（第二版），朱明善 刘颖 史琳，清华大学出版社，2000，4
【2】 电工高新技术丛书（第一分册），中国电工技术学会，机械工业出版社，2000，4
【3】新电池读本，（日）吉泽四郎等，化学工业出版社，1987；
【4】燃料电池开发和利用的必要性，彭茂公，能源研究与信息，2000，3；
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，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。
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：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电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=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小于理论值E，定义电压效率，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。
其中底循环（Bottoming Cycle）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。由此可见，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。
目前我国的电力供应以煤为主要燃料，效率低，污染大。为了改变现状，迫切需要发展新型绿色能源，而燃料电池大家族中的一员——MCFC熔融碳酸盐型燃料电池无疑是最佳选择。可见要提高开路电压，必须提高和之入口分压及反应温度。同时电池本体效率（非总体效率）。如认为每消耗1mol释放1.930电量，则T=1000K时则可见燃料电池效率与单体电压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3atm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，并且设想了可能的参数。
设想的燃料电池发电厂基本发电过程如下：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，反应后之剩余气体中含和未反应的，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，反应后之气体进入透平做功，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大量未反应的氢气故首先经分离器分离为76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。在燃料转换器中之反应。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中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=2.46倍，燃料电池大规模发电的优越性可见一斑。
三、 经济性分析
最后，我们再从经济角度分析该套装置的可行性。燃料电池联合循环的经济性分析以装置的单位发电成本价格为标准。装置的年总投资费用为PE:PE=CAP+M+OM；M=FH（式中：CAP装置总资本的年消耗额；M燃料的年消耗；C装置总资本；F燃料能量的消耗率；OM装置运行和维护的年费用；燃料单位能量的价格；H装置的年运行小时数）可得出单位发电价格。（式中：W装置的发电功率)。
四、 结束语
对比上述改进后的燃料电池联合循环和普通发电装置的单位发电价格，燃料电池联合循环由于结合了多项新技术，初期建设的一次性投资大，故CAP项的值较大，可据前面单位发电耗煤量的比较计算可知其M项的值较小；普通发电装置中CAP项的值较小，而M项对应值则大得多。同时，由于燃料电池发电运行稳定，日常维护费用OM低,且由于尾气中无粉尘,等污染物，故不需要高昂的尾气净化费用。因此，燃料电池联合循环的优点就在于其装置循环的效率高，原料的消耗较小，日常运行费用低，但初期投资高是其一大问题。
燃料电池联合循环的运行稳定性同样对整个运营效率也有很大贡献，因为普通发电启停一次要耗电能折合标准煤120～150吨，停运次数增加，加之启动成功率的影响，年均消耗的燃料就要多，最终造成全年平均燃料消耗率偏高。而燃料电池发电由于无大型旋转机械，故障率低，可以连续稳定运转，H值远高于普通发电，导致?降低，故有很大的经济应用前景。
参考文献
【1】 工程热力学题型分析（第二版），朱明善 刘颖 史琳，清华大学出版社，2000，4
【2】 电工高新技术丛书（第一分册），中国电工技术学会，机械工业出版社，2000，4
【3】新电池读本，（日）吉泽四郎等，化学工业出版社，1987；
【4】燃料电池开发和利用的必要性，彭茂公，能源研究与信息，2000，3；