沼氣發(fā)電是隨著沼氣綜合利用技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，它利用工業(yè)、農(nóng)業(yè)或城鎮(zhèn)生活中的大量有機(jī)廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并充分利用發(fā)電機(jī)組的余熱，使綜合熱效率達(dá)75%左右，從而達(dá)到環(huán)保和節(jié)能的目的。

沼氣發(fā)電系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：

1）沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)

與普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)也包括進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹做功、排氣4個(gè)基本過(guò)程。

2）發(fā)電機(jī)

根據(jù)具體情況，可選用外接勵(lì)磁電源配套的感應(yīng)發(fā)電機(jī)和自身作為勵(lì)磁電源的同步發(fā)電機(jī)，與沼氣發(fā)電機(jī)配套使用。

3）廢熱回收裝置

采用水-廢氣熱交換器、冷卻排水-空氣熱交換器及余熱鍋爐等裝置回收利用發(fā)動(dòng)機(jī)排除的余熱（約占燃燒熱量的65%~75%）。通過(guò)該措施，可使機(jī)組能量利用率達(dá)到65%~68%。廢熱回收裝置所回收的余熱可用于消化池料液升溫或采暖。

4）氣源處理

沼氣須進(jìn)行疏水、脫硫化氫處理，將硫化氫含量降到500mg/m³以下，并且要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器使其壓強(qiáng)保持在1470~2940Pa再輸入發(fā)動(dòng)機(jī)使用。為保證安全用氣，在沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管處必須設(shè)置水封裝置，防止水進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

沼氣發(fā)電具有低排放、低污染、節(jié)約能源、廢物資源再利用等優(yōu)點(diǎn)，倍受各國(guó)政府的關(guān)注，因此開(kāi)發(fā)沼氣發(fā)電無(wú)疑是建設(shè)綠色環(huán)保工程的重要措施。

沼氣燃料電池是一種將沼氣化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置，它所用的“燃料”并不燃燒，而是直接產(chǎn)生電能。沼氣燃料電池系統(tǒng)一般由三個(gè)單元組成：燃料處理單元、發(fā)電單元和電流轉(zhuǎn)換單元。

1）燃料處理單元

該單元主要部件是改質(zhì)器，它以鎳為催化劑，將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣。

為了降低CO濃度，在銅和鋅的催化作用下，混合氣體在改質(zhì)器后的變成器中得到進(jìn)一步改良。

2）發(fā)電單元

發(fā)電單元的基本部件由兩個(gè)電極和電解質(zhì)組成，氫氣和氧化劑在兩個(gè)電極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，電解質(zhì)則構(gòu)成電池的內(nèi)回。

3）電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

主要任務(wù)是把直流電轉(zhuǎn)換為交流電。燃料電池產(chǎn)生的水蒸氣，熱量可供消化池加熱或采暖用。排出廢氣的熱量也可用于加熱消化池。

4）燃料電池的效率

與熱機(jī)效率不同，燃料電池能量轉(zhuǎn)換的效率不受內(nèi)燃機(jī)因素的限制，其值等于電池反應(yīng)的吉布斯焓變△G與燃燒反應(yīng)熱△H之比，可達(dá)90%左右。若考慮電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)40%~60%，有廢熱回收的系統(tǒng)總的能量利用率為70%~90%。

燃料電池發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1）維護(hù)管理方便。

2）沒(méi)有或極少有污染物排放。

3）燃料電池工作時(shí)不產(chǎn)生噪音和機(jī)械振動(dòng)。

4）效率高，一般內(nèi)燃機(jī)受卡諾循環(huán)的限制，效率可達(dá)60~80%。

5）模塊結(jié)構(gòu)，積木性強(qiáng)，比功率高，既可集中供電，又可分散供電。

缺點(diǎn)：

1）缺乏長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2）排氣中除H₂S外，還可能含有微量磷廢氣，對(duì)環(huán)境的影響還未知。

沼氣燃料電池是出現(xiàn)的一種清潔、高效、低噪音的電裝置 ，與沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電相比，不僅出電效率和能量利用率高，而且振動(dòng)和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物濃度低，因此是很有發(fā)展前途的沼氣利用工藝。下面以日本某城市污水處理廠為例對(duì)比分析一下沼氣燃料電池與沼氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益，該污水處理廠處理水量為20萬(wàn)m³/d、進(jìn)水SS為120mg/L、SS去除率為90%。

沼氣燃料電池基建投資和運(yùn)行費(fèi)比沼氣發(fā)電高，但發(fā)電量高，年盈利高。至于采取何種沼氣利用方式更利于給企業(yè)帶去可觀的收益，主要還是需要企業(yè)能根據(jù)自身特點(diǎn)和條件因地制宜、合理利用。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，商品能源相對(duì)缺乏，一些鄉(xiāng)村地區(qū)因距離電網(wǎng)較遠(yuǎn)，適宜發(fā)展沼氣發(fā)電站。同時(shí)將垃圾填埋氣用于沼氣發(fā)電，也有利于減少環(huán)境污染。而燃料電池作為21世紀(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的高效、清潔發(fā)電方式，在潔凈煤燃料電站、電動(dòng)汽車、移動(dòng)電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的潛在市場(chǎng)。將沼氣用于燃料電池發(fā)電，是有效利用沼氣資源的一條重要途徑，這對(duì)我國(guó)沼氣利用技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。