正值夏季用电高峰，燃料电池“黑科技”或将助力节能减排

炎炎夏日，为确保夏季用电高峰的电力供应，作为“发电主力”的“黑金”—煤炭，迎来了show time。

图一：煤炭被誉为“黑金”，是发电主力，图为煤场斗轮机（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

不过，作为一种高碳燃料，传统的燃煤发电一方面能量转化率低，另一方面又会产生大量的二氧化碳，让人既爱又恨。面对夏天旺盛的用电需求，如何既能保证电力稳定供应，又达到节能降碳的目标呢？科学家有哪些高招呢？

01 传统燃煤发电的能量转化效率与碳排放

电是现代工业的基础，是当代最普遍的能量形式。但电是一种典型的二次能源——电本身不产生能量，而是其他能源的一种转化形式。如：

燃煤发电厂利用煤炭燃烧产生的蒸汽通过涡轮发电机将机械能转变为电能；风力发电是将风能转变为机械能，再转变为电能；核能发电是将原子核裂变产生的热转能量转化为机械能再转化为热能；燃气发电的原理也类似，涉及能量的二次转化，即“热能→机械能→电能”。

图二：燃煤发电厂（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

根据热力学第二定律，所有能量都不可能100%转化，转化中都会有能量损耗。普通的内燃机由于需要经历热机的过程，受卡诺循环的限制，传统燃煤发电的整体能量转化效率大约只有30%左右[1]，会造成大量的能量耗损。

同时，传统燃煤发电会释放大量的二氧化碳。据估算，1吨标准煤燃烧产生2.6吨二氧化碳，用煤炭燃烧发电，每发1度电大约就排放0.785千克二氧化碳[2]。

除了较低的能量转化效率与较高的碳排放，传统燃煤发电还有一个明显的缺点：所产生的电不能大规模存储，必须即发即用。

02 燃料电池的发明与“节能减排”

为了解决传统燃煤电机能量转化率低、碳排放高且不能存储的问题，英国科学家Grove在1839年将燃料燃烧与电池直接联合起来，减少了中间的能量损耗最大的涡轮发电过程，发明了燃料电池[1]。

燃料电池不同于传统水力、风力、燃煤发电等需要通过机械能或化学能的转变，而是将燃料的化学能直接转化为电能，因此不受卡诺循环的限制，能源转化效应更高。理论上其热转化效率可达到100%，但在实际中考虑到各种技术限制因素，热转化效率一般为 40%~60%[1]，如果将余热充分利用，热转化效率可以达80%以上[1]。

图三：燃料电池氢站概念图（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

燃烧所需燃料要求广泛，只要含有氢原子的物质，如天然气、石油、煤炭，或是沼气、酒精、甲醇等都可以作为燃料，其反应产物一般只有水和二氧化碳，很少排放 NOx和 SOx等有害气体。相比涡轮电机，燃料电池二氧化碳的排放也减少了40%以上[1]。同时，由于装置不含或少含的运动部件，比传统发电机组安静，其故障率与维修成本更低。因此，无论从节约能源还是保护生态环境的角度，燃料电池都是极具发展前途的发电技术，被誉为“21世纪的绿色电站”。

03 两全其美的煤气化燃料电池

煤炭是我国的基础能源，燃煤发电是保证我国电力稳定供应的“压舱石”。在当前的技术条件下，火电依然是我国的主力基础电源，尤其是夏季用电高峰期，火电成为我国电力供应的主力军。在夏季用电高峰期，煤电贡献了我国电力供应的将近70-80%[3]。但是煤炭作为一种高碳燃料，燃煤发电产生大量二氧化碳。

图四：高压铁塔（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

然而，煤气化燃料电池为这一难题提供了可能的解决途径[4]。煤气化燃料电池是将煤气化与高温燃料电池结合的发电技术，通过煤基发电由单纯热力循环发电向电化学发电的技术跨越，实现了煤炭低碳高效灵活发电与低碳排放，极大提高了能量转化效率，降低了二氧化碳的捕集成本，突破了燃煤发电效率提升和二氧化碳近零排放的瓶颈，具有广阔的应用与发展前景。

日前，由国家能源集团直属的研发机构北京低碳清洁能源研究院（简称低碳院）承担的“CO2近零排放的煤气化燃料电池发电系统开发”项目成果已经通过中国煤炭工业协会技术鉴定[5]，下一步将开展更大规模的工程验证与示范，相信不久的将来，这项技术就能走到我们的生活中。届时，低碳且节能的电或许就将不再是镜花水月的两难之选！

参考文献：

[1]侯明,衣宝廉. 燃料电池技术发展现状与展望 [J]. 电化学, 2012, 18 (01): 1-13.

[2]徐向梅. 推动煤炭清洁高效利用[N]. 经济日报, 2022-08-15 (011). https://energy.huanqiu.com/article/49FL2ntCAlE

[3]丁怡婷. 用电高峰，保供持续发力[N]. 人民日报, 2022-08-08 (002). https://www.gov.cn/xinwen/2022-08/08/content_5704557.htm

[4]彭苏萍,杨志宾,熊星宇,等. 固体氧化物电池技术及其在新型电力系统中的应用前景[J]. 新型电力系统, 2023, 1 (01): 66-73.

[5]李初福，杨霞. 国家能源集团煤气化燃料电池发电系统达国际领先水平[N].中国煤炭报, 2022-05-22.

作者：刘汉斌 山西省煤炭地质局高级工程师

审核：杨志宾 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院教授

出品：科普中国