燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能”儲電”而是一個”發(fā)電廠”。

　　定義

　　將燃料具有的化學能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。

　　簡介

　　燃料電池十分復雜，涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等學科的有關理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點?？偟膩碚f，燃料電池具有以下特點：能量轉化效率高;它直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池系統(tǒng)的燃料——電能轉換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。安裝地點靈活;燃料電池電站占地面積小，建設周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分布式電站，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適。負荷響應快，運行質量高;燃料電池在數(shù)秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率。

　　特點與原理

　　由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉換的損失，達到很高的發(fā)電效率。同時還有以下一些特點：

　　不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發(fā)電效率;

　　不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率;

　　具有很強的過負載能力;

　　通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛;

　　發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機組的容量的自由度大;

　　電池本體的負荷響應性好，用于電網(wǎng)調峰優(yōu)于其他發(fā)電方式;

　　用天然氣和煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。

　　如此由燃料電池構成的發(fā)電系統(tǒng)對電力工業(yè)具有極大的吸引力。

　　燃料電池按其工作溫度是不同，把堿性燃料電池(AFC，工作溫度為100℃)、固體高分子型質子膜燃料電池(PEMFC，也稱為質子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內)和磷酸型燃料電池(PAFC，工作溫度為200℃)稱為低溫燃料電池;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量排氣而進行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池。另一種分類是按其開發(fā)早晚順序進行的，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氣體作為其發(fā)電用的燃料。

　　燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池

　　氫-氧燃料電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。電極應為： 負極：H2 +2OH-→2H2O +2e-

　　正極：1/2O2 H2O 2e-→2OH-

　　電池反應：H2 1/2O2==H2O

　　另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

　　燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)、及兩側氣體流路構成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣(氧化劑氣體)能在流路中通過。

　　在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經(jīng)過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子(H )相關，發(fā)生的反應為：

　　燃料極：H2=2H 2e-(1)

　　空氣極：2H 1/2O2 2e-=H2O(2)

　　全體：H2 1/2O2=H2O(3)

　　氫氧燃料電池組成和反應循環(huán)圖

　　在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H 和e-，H 移動到電解質中與空氣極側供給的O2發(fā)生反應。e-經(jīng)由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構成了發(fā)電。并且從上式中的反應式(3)可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應，H2所具有的化學能轉變成了電能。但實際上，伴隨著電極的反應存在一定的電阻，會引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉換成電能的比例。 引起這些反應的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應面積成比。

　　PAFC的電解質為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質為質子導電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進反應，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是對于低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限制。

　　磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質器，把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應器中經(jīng)觸媒劑轉化成H2和CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。

　　相對PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用，而且還具有易于利用其高質量排氣構成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點。

　　MCFC主構成部件。含有電極反應相關的電解質(通常是為Li與K混合的碳酸鹽)和上下與其相接的2塊電極板(燃料極與空氣極)，以及兩電極各自外側流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導電體。電極為鎳系的多孔質體，氣室的形成采用抗蝕金屬。

　　MCFC工作原理。空氣極的O2(空氣)和CO2與電相結合，生成CO23-(碳酸離子)，電解質將CO23-移到燃料極側，與作為燃料供給的H 相結合，放出e-，同時生成H2O和CO2?；瘜W反應式如下：

　　燃料極：H2 CO23-=H2O 2e- CO2(4)

　　空氣極：CO2 1/2O2 2e-=CO23-(5)

　　全體：H2 1/2O2=H2O(6)

　　在這一反應中，e-同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動實現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點是，必須要有有助于反應的CO23-離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內部改質，在電池內部直接生成H2的方法也已開發(fā)出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應生成H2，因此，可以等價地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。

　　SOFC是以陶瓷材料為主構成的，電解質通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構成了O2-的導電體Y2O3(氧化釔)作為穩(wěn)定化的YSZ(穩(wěn)定化氧化鋯)而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復合多孔體構成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同，電解質之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開發(fā)出了為避免應力集中的圓筒型。SOFC的反應式如下：

　　燃料極：H2 O2-=H2O 2e-(7)

　　空氣極：1/2O2 2e-=O2-(8)

　　全體：H2 1/2O2=H2O(9)

　　燃料極，H2經(jīng)電解質而移動，與O2-反應生成H2O和e-?？諝鈽O由O2和e-生成O2-。全體同其他燃料電池一樣由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內部將天然氣主成份CH4改質成H2加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。

　　分類

　　燃料電池可分為很多種類型。按燃料的處理方式的不同，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、放射化學燃料電池等。按照電解質類型的不同，可分為堿型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸鹽型、固體電解質型燃料電池。

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