燃料电池技术概念简述

2.1.1.技术简介

2.1.1.1.燃料电池原理

燃料电池是一种能量转换装置。它按电化学原理，即原电池（如日常所用的锌锰干电池）的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。

对于一个氧化还原反应，如：

[O]+ [R]→ P

[O]代表氧化剂，[R]代表还原剂，P代表反应产物。原则上可以把上述反应分为两个半反应，一个为氧化剂[O]的还原反应，一个为还原剂[R]的氧化反应，若e-代表电子，即有：

[R]→[R]+ + e-

[R]+ +[O] + e-→P

[R] +[O]→P

以最简单的氢氧反应为例，即为：

H2→2H+ + 2e-

1/2 O2 + 2H+ +2e-→ H2O

H2 + 1/2 O2→ H2O

如图1-1所示，氢离子在将两个半反应分开的电解质内迁移，电子通过外电路定向流动、

的贮罐中。当它工作时(输出电流并做功时)，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂并同时排出反应产物。因此，从工作方式上看,它类似于常规的汽油或柴油发电机。

由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂,所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体,即气体和液体。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体（如重整气）和某些液体（如甲醇水溶液）。常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和硝酸的水溶液等）。

2.1.1.2.特点

(1) 高效燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。在理论上它的热电转化效率可达85～90%。但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效率均在40～60%的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。

(2) 环境友好当燃料电池以富氢气体为燃料时，富氢气体是通过矿物燃料来制取的，

由于燃料电池具有高的能量转换效率，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱除硫及其化合物，而且燃料电池是按电化学原理发电，不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物，减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了氮的氧化物、硫的氧化物及二氧化碳等的排放。

(3) 安静燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。实验表明，距离40千瓦磷酸燃料电池电站4.6米的噪声水平是60分贝。而兆瓦和11兆瓦的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55分贝的水平。

(4) 可靠性高碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。

2.1.1.

3.分类

迄今已研究开发出多种类型的燃料电池。最常用的分类方法是按电池所采用的电解质分类。据此，可将燃料电池分为：碱性燃料电池，一般以氢氧化钾为电解质。磷酸型燃料电池，以浓磷酸为电解质。质子交换膜燃料电池，以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质。熔融碳酸盐型燃料电池，以熔融的锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质。固体氧化物燃料电池，以固体氧化物为氧离子导体，如以氧化钇稳定的氧化锆膜为电解质。有时也按电池温度对电池进行分类，分为低温（工作温度低于100℃）燃料电池,它包括碱性与质子交换膜燃料电池。中温燃料电池(工作温度在100～300℃)，它包括培根型碱性燃料电池和磷酸型燃料电池。高温燃料电池(工作温度在600～1000℃)，它包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。

各种燃料电池的发展状态见表1-1。

表1-1 燃料电池的技术状态

类型电解质导

电离

子

工作

温度

燃料氧

化剂

技术状态可能的

应用领

域

碱性燃料电池KOH O

H-

50~2

00C

纯氢纯

氧

1～100KW

高度发展。

高效。

航天，

特殊地

面应用

质子交换膜燃料电池

全氟磺

酸膜

H+室温

~100C

氢

气，

重整

氢

空

气

1～300KW

高度发展。

需降低成本。

电汽

车，

潜艇动

力，

可移动

动力源

直接甲醇燃料电池

全氟磺

酸膜

H+室温

~100C

CH3O

H等

空

气

1～1000W

正在开发。

攻关：高活性

醇氧化电催化剂；

阻醇渗透质子交

换膜；微型电池结

构。

微型移

动动力源

磷酸燃料电池H3PO4H+100~

200C

重整

气

空

气

1～2000KW

高度发展。

成本高，余热

利用价值低

特殊需

求，

区域性

供电

熔融碳酸盐燃料电池

(Li,K)

CO3

C

O32-

650~

700C

净化

煤气

天然

空

气

250～2000KW

正在进行现

场实验，需延长寿

区域性

供电