燃料電池簡(jiǎn)介摘要：燃料電池是一種清潔、高效的能源利用方式，本文主要介紹了燃料電池的工作原理、燃料電池的分類(lèi)和燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，另外，本文還簡(jiǎn)單的介紹了燃料電池的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：燃料電池工作原理固體氧化物燃料電池作為一種新型的發(fā)電方式，發(fā)展燃料電池對(duì)于改善環(huán)境，實(shí)施能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。對(duì)比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題。傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，沒(méi)有多余的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，實(shí)際應(yīng)用上裝置無(wú)論大小發(fā)電效率可達(dá)40%?60%，可以實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒(méi)有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達(dá)80%，裝置為積木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機(jī)供電、大到和火力發(fā)電廠相比，應(yīng)用范圍極為廣泛?；谝陨线@些優(yōu)點(diǎn)，我們可以看出研究燃料電池是很有必要的。1、燃料電池的原理燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學(xué)原理等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實(shí)際過(guò)程是氧化還原反應(yīng)，其工作原理如圖1所示。燃料電池主要由四部分組成，即陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽(yáng)極和陰極通入。燃料氣在陽(yáng)極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場(chǎng)作用下，通過(guò)電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。同時(shí)，由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽(yáng)兩極除傳導(dǎo)電子外，也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飼r(shí)，陽(yáng)極要求有更高的催化活性。陰、陽(yáng)兩極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路，電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。陰極氧化氣電解質(zhì)陰極陽(yáng)極燃料氣圖一：燃料電池工作原理圖陽(yáng)極例如我們常說(shuō)的氫氧燃料電池，如圖二。氫-氧燃料電池反應(yīng)原理實(shí)際上是電解水的逆過(guò)程。電極反應(yīng)負(fù)極：H2-2e--2H+正極：1/2O+2H++2e-lHO22電池總反應(yīng)：H+1/2O=HO在該燃料電池中，2陽(yáng)極供給的燃料氣H2分解成H+和e-，H+移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到陰極，參與陰極的反應(yīng)。一系列的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上面的電池總反應(yīng)式可以看出，由H和O生成的HO,除此以外沒(méi)有其他的2.一2一2..一反應(yīng)，H所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。原則上只要反應(yīng)物H及O不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物HO不斷排出，氫氧燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。222圖二：氫氧燃料電池工作原理2、燃料電池的優(yōu)點(diǎn)（1）發(fā)電效率高燃料電池按電化學(xué)原理等溫地直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，它不像常規(guī)電廠那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)三級(jí)能量轉(zhuǎn)換才能得到電能，因此既沒(méi)有中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換損失，也不受熱力學(xué)卡諾循環(huán)理論的限制，理論上它的發(fā)電效率可達(dá)85%-90%。但實(shí)際上，由于工作時(shí)各種極化的限制，目前各類(lèi)燃料電池的實(shí)際能量轉(zhuǎn)化效率為40%-60%,若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。[1]（2）環(huán)境污染小燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時(shí)，二氧化碳的排放量比熱機(jī)過(guò)程減少40%以上，這對(duì)緩解地球的溫室效應(yīng)是十分重要的。另外，由于燃料電池的燃料氣在反應(yīng)前必須脫硫，而且按電化學(xué)原理發(fā)電，沒(méi)有高溫燃燒過(guò)程，因此幾乎不排放氮和硫的氧化物，減輕了對(duì)大氣的污染。[2]（3）比能量高液氫燃料電池的比能量是鎳鎘電池的800倍，直接甲醇燃料電池的比能量比鋰離子電池（能量密度最高的充電電池）高10倍以上。目前，燃料電池的實(shí)際比能量盡管只有理論值的10%，但仍比一般電池的實(shí)際比能量高很多。（4）噪聲低由于燃料電池按電化學(xué)反應(yīng)原理工作，運(yùn)動(dòng)部件很少。因此，工作時(shí)噪聲很低。（5）負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活由于燃料電池發(fā)電裝置是模塊結(jié)構(gòu)，容量可大可小，布置可集中可分散，且安裝簡(jiǎn)單，維修方便。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(wú)論處于額定功率以上過(guò)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)良性能使燃料電池不僅能向廣大民用用戶提供獨(dú)立熱電聯(lián)供系統(tǒng)，也能以分散的形式向城市公用事業(yè)用戶供電，或在用電高峰時(shí)作為調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能電池使用。[3]燃料范圍廣對(duì)于燃料電池而言，只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料，例如天然氣、石油、煤炭等化石產(chǎn)物，或是沼氣、酒精、甲醇等，因此燃料電池非常符合能源多樣化的需求，可減緩主流能源的耗竭。易于建設(shè)燃料電池具有組裝式結(jié)構(gòu)，安裝維修方便，不需要很多輔助設(shè)施。燃料電池電站的設(shè)計(jì)和制造相當(dāng)方便。3、燃料電池的分類(lèi)燃料電池的類(lèi)型不同，其用途也不同。按其工作溫度是不同，把堿性燃料電池(AFC,工作溫度為100°C)、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池(PEMFC，也稱(chēng)為質(zhì)子膜燃料電池，工作溫度為100C以?xún)?nèi))和磷酸型燃料電池(PAFC,工作溫度為200C)稱(chēng)為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC，工作溫度為650C)和固體氧化型燃料電池(SOFC，工作溫度為1000C)稱(chēng)為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱(chēng)為面向高質(zhì)量排氣而進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)的燃料電池。另一種分類(lèi)是按其開(kāi)發(fā)早晚順序進(jìn)行的，把PAFC稱(chēng)為第一代燃料電池，把MCFC稱(chēng)為第二代燃料電池，把SOFC稱(chēng)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。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(lèi)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。按照電解質(zhì)類(lèi)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(zhì)型燃料電池。[4]固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，具有一般燃料電池的結(jié)構(gòu)。固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質(zhì)，在高溫800-1000C下操作，反應(yīng)氣體不直接接觸[5],因此可以使用較高的壓力以縮小反應(yīng)器的體積而沒(méi)有燃燒或爆炸的危險(xiǎn)。氫燃料電池(RFC)氫燃料電池以氫氣為燃料，與氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后透過(guò)質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能。氫和氧反應(yīng)生成水，不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物，無(wú)污染，發(fā)電效益高。直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池是直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池。膜電極主要由甲醇陽(yáng)極、氧氣陰極和質(zhì)子交換膜(PEM)構(gòu)成。陽(yáng)極和陰極分別由不銹鋼板、塑料薄膜、銅質(zhì)電流收集板、石墨、氣體擴(kuò)散層和多孔結(jié)構(gòu)的催化層組成。其中，氣體擴(kuò)散層起支撐催化層、收集電流及傳導(dǎo)反應(yīng)物的作用，由具有導(dǎo)電功能的碳紙或碳布組成，催化層是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，常用的陽(yáng)極和陰極電極催化劑分別為PtRu/C和Pt/Co直接甲醇燃料電池?zé)o須中間轉(zhuǎn)化裝置，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積能量密度高，還具有起動(dòng)時(shí)間短、負(fù)載響應(yīng)特性佳、運(yùn)行可靠性高，在較大的溫度范圍內(nèi)都能正常工作，燃料補(bǔ)充方便等優(yōu)點(diǎn)。4、燃料電池的開(kāi)發(fā)前景中國(guó)是一個(gè)人口眾多的大國(guó)，隨著現(xiàn)代化事業(yè)的發(fā)展,對(duì)能源的需求將與日俱增。據(jù)報(bào)道，中國(guó)一次能源探明總量的90%為煤炭。在中國(guó)煤炭提供76%的發(fā)電能源和80%的民用商品能源。展望21世紀(jì)，隨著石油資源的日益枯竭，以煤炭為第一能源的狀況將仍然是中國(guó)的基本國(guó)情。目前，由于燃燒技術(shù)的落后，造成我國(guó)煤炭資源的極大浪費(fèi)，同時(shí)也造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。研究并開(kāi)發(fā)可以用凈化煤氣及天然氣為直接燃料的MCFC及SOFC,對(duì)中國(guó)是一種適合國(guó)情的具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義的選擇。[6]參考文獻(xiàn)：衣寶廉.燃料電池一原理.技術(shù).應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.劉潔.燃料電池研究進(jìn)展及發(fā)展探析[M].節(jié)能技術(shù).20