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电力工业是现代社会能源供应的核心组成方式，但目前占主导地位的火力发电存在着一些弊病：一是燃料中的化学能必须先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及设备材料的限制，到发电机端所获得的效率只有33%～35%，燃料中一半以上的能量被损失掉；二是传统的能源利用方式给人类的生活环境造成了大量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。
燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能的过程，因不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50%～70%，是继火电、水电、核电之后的第4种发电技术。
燃料电池发电技术正在美、日等发达国家迅速崛起，随着技术的发展，不仅可直接用作分散电源，安装在用户附近，节省输变电投资，未来也可建成以煤为原料的大型中心电站，被视为21世纪非常有发展前途的高效清洁的发电方式之一。
1燃料电池发电的原理与特点
1.1原理
燃料电池发电是在一定条件下使燃料(主要是H2)和氧化剂(空气中的O2)发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。常见的燃料电池有磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池以及质子交换膜燃料电池等。
燃料电池的工作原理因电池种类而异，现以质子交换膜燃料电池为例，介绍燃料电池发电的工作原理。
质子交换膜燃料电池由膜电极组件(Membrane&Electrode Assembly，MEA)、双极板和密封垫片组成。三明治结构的MEA很薄(厚度一般小于1mm)，它由氢电极、质子交换膜和氧电极经热压而成，见图1。
当电池工作时，膜电极内经历下列过程：
a.反应气体在扩散层内扩散；
b.反应气体在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；
c.阳极反应生成的质子在固体电解质(质子交换膜)内传递到对侧，电子经外电路到达阴极，同氧气反应生成水。电极反应式为：
阳极(负极):H2→2H++2e
阴极(正极):1/2O2+2H++2e→H2O
反应物H2和O2经电化学反应后，产生电流，反应产物为水及少量热。
电池反应:H2+1/2O2→H2O
1.2 特点
a.电池直接发电，不受卡诺循环的限制，效率高。理论上，燃料电池的能量转化效率可超过80%，实际发电效率可达50%～70%，超过了火力发电效率。
b.设备可靠性高，对负荷的适应能力强。燃料电池的发电装置由单个电池堆叠成电池组构成，这些电池组是模块结构，自动化程度高。
c.燃料电池可以使用多种初级燃料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油，也可使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾，但需经专门装置对它们重整制取。
d.不排放硫化物(SOx)、氮氧化物(NOx))和二氧化碳(CO2)等有害物质，没有大型旋转机械的噪声，噪音低。
e.建设周期短、应用广，可实行模块化组合，容量可大、可小，布置可集中、可分散，且安装简单，维修方便。
f.占地面积小于1 m2/kW，选址方便。
燃料电池作为一种高效、洁净、方便的发电装置，既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站。
2 国外发展状况
燃料电池已经过100多年的发展历史，目前已开发的燃料电池电站主要有磷酸电池(PAFC)电站、熔融碳酸盐电池(MCFC)电站、固体氧化物电池(SOFC)电站和质子交换膜燃料电池(PEMFC)电站。磷酸电池、熔融碳酸盐电池、固体氧化物电池适于建设大型电站；质子交换膜燃料电池(PEMFC)则主要针对家庭、办公室、住宅区等小型独立电站，还可作为汽车的动力源。
2.1 PAFC电站
PAFC是以磷酸为电解质的燃料电池，为第1代燃料电池电站。20世纪60年代，美国就开始了PAFC现场电站的试验。直到1971年，美国能源部(DOE)委托UTC联合9家电力公司研究并建造2台4.5MW PAFC电站。
东京第1台PAFC电站于1984—1985年试运行，累计发电5000 MWh，效率达37%。20世纪80年代，DOE与美国燃气研究所(GRI)和美国电力科学研究院(EPRI)组织开发40 kW热电联产PAFC电站(PC18型)。同时期，东芝公司也与美国联合技术公司组建国际燃料电池公司(IFC)，并与EPRI、DOE联合开发了11 MW PAFC电站。
1992年，国际燃料电池公司及其子公司ONSI研制了容量为200 kW的PAFC电站，截至1998年9月，已有91个200 kW级PAFC电站在北美、欧洲和亚洲运行，连续运行时间最长达9 506 h，累计运行时间最长达35 000 h，经过大修，电池堆寿命可达40 000 h以上。
目前，PAFC电站的主要试验目标是如何延长寿命。PAFC电站作为开发最早的燃料电池电站，在技术上已经发展成熟，并且已有系列产品出售。
2.2 MCFC电站
MCFC是以熔融碳酸盐为电解质的电池，它的工作温度为600～650℃，具有余热利用率高，无需贵金属催化，可用脱硫煤气为燃料等优点，为第2代燃料电池电站。
1991年，美国能源研究公司(ERC)首先完成了20 kW MCFC电站的试验。1994年，爱姆西电力公司完成了20 kW电站试验，以天然气为燃料，常压运行了1 000多小时。1995年，日本三洋电机以液化石油气为燃料，完成了30 kW直接内部重整MCFC电站的试运行，运行了近12 000 h，发电效率为50%。1996年4月至1997年3月，ERC完成了圣塔克拉2 MW MCFC电站试验，第2代200 kW MCFC电站FA-100-HS也于1998年3月至7月完成试验，运行结果全部达到设计要求。
各国燃料电池研究机构对MCFC电站开发的共同目标是与煤制气技术结合，建设大型电站，但MCFC电站制造成本过高，使MCFC电站应用受到了限制。美国能源部21世纪MCFC电站计划的目标是到2015年前建立费用达400美元/kW，效率达80%以上，这将使得MCFC电站的应用更具有竞争力。
2.3 SOFC电站
SOFC是以固体氧化物作为电解质的电池，它的工作温度为1000℃左右，燃料在电池内部重整，不使用贵金属催化剂，被作为第3代燃料电池电站进行开发。常压运行的小型SOFC效率能达到50%。高压SOFC与汽轮机结合，效率能达到70%。1984年，三菱重工与东京电力株式会社研制SOFC工作电站，该1 kW级SOFC工作电站于1991年运行，运行时间达1 000 h；1996年，10 kW级常压SOFC工作电站连续运行5 000 h。德国西门子公司(Simens AG)于1990年开发了平面式SOFC，1995年完成了10 kW级SOFC工作电站。
1998年，由威斯亭豪斯公司与荷兰的EDB和丹麦的ELSAM公司共同研制的100 kW级SOFC工作电站在荷兰阿纳姆运行，发电效率为43%，燃料利用率为80%。西门子公司计划在2010年批量生产250 kW级的SOFC电站。世界各国知名能源公司竞相开发SOFC工作电站，主要是因为该燃料电池若与燃气轮机等其他发电方式结合运行，有可能获得比MCFC更高的发电效率。
2.4 PEMFC电站
PEMFC已经成功应用于汽车动力源上，但是在建设小型发电站上遇到很大的困难。20世纪90年代，也有将其用于小型发电站的计划，但PEMFC的工作温度低，余热利用困难，对燃料纯度要求高，用昂贵的金属Pt作为催化剂，成本高，因此一直未作为重点发展的方向。
3 我国的开发现状
我国是世界上研究燃料电池较早的国家之一，20世纪70年代初期的技术水平与国际水平相差无几，此后在近20年内燃料电池的研究工作处于停滞状态，远远落后于国际先进水平。20世纪90年代初，燃料电池被列入国家“九五”科技攻关项目，至今发展较好，取得了阶段性的成果。随着研究机构和经费投入的不断增加，首个5～10 kW级的氢能燃料电池电站在上海问世，现已投入市场。
燃料电池发电技术的应用在国内越来越受到重视，华能集团在“十二五”期间的发展战略中提出了进行100 MW级新型煤制氢、氢能发电、燃料电池发电的工业规模示范，并进行试验和验证。2004年，中日合作在番禺建成了利用猪的排泄物制沼气发电的200 kW磷酸燃料电池电站，并进行了试运行。2006年，该电站总结了核心燃料电池的运行数据，并进行分析得到电站的最优运行方案，这对我国燃料电池电站的研究与开发起到了示范作用。
4 我国的发展前景
被称为第4代发电方式的燃料电池发电方式，由于燃料利用效率可达70%，不排放有害气体(PAFC不排放任何气体)，容量可根据需要而定，所以受到世界各国的极大关注。各国政府都在这方面增加研发资金，推进其商业化进程。
在我国发展燃料电池尤其重要，能解决目前我国发电行业能源利用率低的问题，促进我国的发电产业向高科技化迈进，并提高国际竞争力，同时也是能源向多元化发展的一个途径。
另外，稀土元素因其特殊的物质结构而具有优异的物理、化学性能，利用稀土元素对燃料电池电解质、电极和催化剂进行改性，可大大提高燃料电池的发电性能。而我国稀土资源占世界已知储量的80%，品种全、品质优，为发展MCFC和SOFC技术提供了十分有利的条件。
以天然气和净化煤气为燃料的MCFC和SOFC发电效率高达55%～65%，而利用余热与微型燃气轮机联合循环发电已能使其发电效率达70%以上，是一种优良的区域性供电电站。热电联供时，燃料利用率高达80%以上。21世纪，这种区域性、环境友好的、高效的发电技术将会发展成为一种重要的供电方式。
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