燃料電池

　　燃料電池由陽(yáng)極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成，工作原理與普通化學(xué)電池類似，燃料電池在陽(yáng)極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽(yáng)極用過負(fù)載流向陰極構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。

圖示：燃料電池原理示意圖

01根據(jù)電解質(zhì)的種類可分為

　　1. 堿性燃料電池(AFC)

　　氫-氧燃料電池反應(yīng)原理是電解水的逆過程。采用氫氧化鈉溶液作為電解液，這種電解液效率很高(可達(dá)60%~90%)，但對(duì)影響純度的雜質(zhì)，如二氧化碳很敏感。因而運(yùn)行中需采用純態(tài)氫氣和氧氣。這一點(diǎn)限制了將其應(yīng)用于宇宙飛行及國(guó)際工程等領(lǐng)域。

　　2. 聚合物離子膜燃料電池(PEMFC)

　　聚合物離子膜燃料電池原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極即電源正極。采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)，這種電解質(zhì)具有高功率一重量比和低工作溫度，是適用于固定和移動(dòng)裝置的理想材料。

　　3. 磷酸燃料電池(PAFC)

　　磷酸燃料電池中采用的是100%磷酸電解質(zhì)，其常溫下是固體，相變溫度是42℃。很適合用于分散式的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

　　4. 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

　　熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽(yáng)極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。其電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽。工作溫度高達(dá)650℃，這種電池效率很高，但材料需求的要求也高。

　　5. 固體氧化物燃料電池(SOFC)

　　固體氧化物燃料電池屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。

02按燃料類型

　　可分為直接式、間接式和再生式。

　　直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型;

　　間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池;

　　再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學(xué)燃料電池等。

03按燃料類型

　　把堿性燃料電池(AFC，工作溫度為100℃)、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池(PEMFC，也稱為質(zhì)子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內(nèi))稱為低溫燃料電池;

　　把磷酸型燃料電池(PAFC，工作溫度為200℃)稱為中溫燃料電池;

　　把熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC，工作溫度為650℃)和固體氧化型燃料電池(SOFC，工作溫度為1000℃)稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質(zhì)量排氣而進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池。

04按開發(fā)早晚順序

　　把PAFC稱為第一代燃料電池，把MCFC稱為第二代燃料電池，把SOFC稱為第三代燃料電池。這些電池均需用可燃?xì)怏w作為其發(fā)電用的燃料。

01燃料電池優(yōu)勢(shì)

　　1、能量轉(zhuǎn)換效率高。燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率比熱機(jī)和發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率高得多。目前汽輪機(jī)或柴油機(jī)的效率最大值為40%~50%，當(dāng)用熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，其效率僅為35%~40%，而燃料電池的有效能效可達(dá)60%~70%，其理論能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%。其他物理電池，如溫差電池效率為10%，太陽(yáng)能電池效率為20%，均無法與燃料電池相比。

　　2、污染小、噪聲低。燃料電池作為大中型發(fā)電裝置使用時(shí)其突出的優(yōu)點(diǎn)是減少污染排放。對(duì)于氫燃料電池而言，發(fā)電后的產(chǎn)物只有水，可實(shí)現(xiàn)零污染。另外，由于燃料電池?zé)o熱機(jī)活塞引擎等機(jī)械傳動(dòng)部分，故操作環(huán)境無噪聲污染。

　　3、 高可靠性。燃料電池發(fā)電裝置由單個(gè)電池堆疊至所需規(guī)模的電池組構(gòu)成。由于這種電池組是模塊結(jié)構(gòu)，因而維修十分方便。另外，當(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動(dòng)時(shí)，它會(huì)很快響應(yīng)，故無論處于額定功率以上過載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受且效率變化不大。這種優(yōu)良性能使得燃料電池在用電高峰時(shí)刻作為調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能電池使用。

　　4、比能量或比功率高。

　　5、 適用能力強(qiáng)。燃料電池可以使用多種多樣的初級(jí)燃料，如天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油;也可以使用發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料，如褐煤、廢木、廢紙，甚至城市垃圾，但需經(jīng)專門裝置對(duì)它們重整制取。雖然燃料電池有上述種種優(yōu)點(diǎn)，然而由于技術(shù)問題，至今一切已有的燃料電池均還沒有達(dá)到大規(guī)模民用商業(yè)化程度。為此，美、日等國(guó)相繼撥出巨資來發(fā)展燃料電池。

02燃料電池不足

　　1、 燃料電池造價(jià)偏高：車用PEMFC之成本中質(zhì)子交換隔膜(USD300/m2)約占成本之35%;鉑觸媒約占40%，二者均為貴重材料。

　　2、 反應(yīng)/啟動(dòng)性能：燃料電池的啟動(dòng)速度尚不及內(nèi)燃機(jī)引擎。反應(yīng)性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應(yīng)控制參數(shù)來達(dá)到，但提高穩(wěn)定性則必須避免副反應(yīng)的發(fā)生。反應(yīng)性與穩(wěn)定性常是魚與熊掌不可兼得。

　　3、碳?xì)淙剂蠠o法直接利用：除甲醇外，其它的碳?xì)浠衔锶剂暇杞?jīng)過轉(zhuǎn)化器、一氧化碳氧化器處理產(chǎn)生純氫氣后，方可供現(xiàn)今的燃料電池利用。這些設(shè)備亦增加燃料電池系統(tǒng)之投資額。

　　4、氫氣儲(chǔ)存技術(shù)：FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主，車體的載運(yùn)量因而受限，每次充填量?jī)H約2.5~3.5公斤，尚不足以滿足現(xiàn)今汽車單程可跑480~650公里的續(xù)航力。以-253℃保持氫的液態(tài)氫系統(tǒng)雖已測(cè)試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫，使氫維持于液態(tài)，且從隙縫蒸發(fā)而流失的氫氣約為總存量的5%。

　　5、氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足：氫氣在工業(yè)界雖已使用多年且具經(jīng)濟(jì)規(guī)模，但全世界充氫站數(shù)量有限，仍值示范推廣階段。此外，加氣時(shí)間頗長(zhǎng)，約需時(shí)5分鐘，尚跟不上工商時(shí)代的步伐。

　　燃料電池經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在航天飛機(jī)、宇宙飛船及潛艇等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用。而民用方面由于受壽命與成本的制約，至今在電動(dòng)汽車、電站、便攜式電源或充電器等行業(yè)還處于示范階段。未來燃料電池的發(fā)展也受到一些技術(shù)問題的制約，這些問題主要有：氫氣儲(chǔ)存技術(shù)、燃料電池造價(jià)高、氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足等。在國(guó)內(nèi)外各界的積極努力下，高能效、環(huán)境友好的燃料電池技術(shù)，一定會(huì)為整個(gè)能量轉(zhuǎn)化技術(shù)體系做貢獻(xiàn)。