燃料电池的基本原理

Pt基纳米材料的制备及其在甲醇燃料电池中的应用

人类物质文明的飞速发展，导致了对能源的消耗日益增加。能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。为了更有效地利用能源，人们一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的突破，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33-35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就导致了燃料电池发电技术的产生，并使之成为当今研究开发的热点之一[1-5]。

[1] 衣宝廉. 燃料电池——高效环境友好的发电方式. 北京：化学工业出版社, 2000.

[2] “Fuel Cell Handbook,5th Edition”, Re port prepared by EG&G Services, Parsons, Inc. and Science Applications International CorPoration under contract no. DE-AM26-99FT40575 for the U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory, October 2000.

[3] 《燃料电池系统（原文第二版）》, 作者: （英）詹姆斯·拉米尼、安德鲁·迪克斯, 译者: 朱红, 科学出版社, 2006.

[4] Coles, L. R.; Chapel, S. W.; lamucci, J. J., “Valuation of modular generation, storage, and

targeted demand-side management”, IEEE Transactions on Energy Conversion, V olume: 10 Issue:1, Mar 1995, Page(s): 182-187.

[5]梁有伟, 胡志坚, 陈允平. 分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]. 电网技术, 2003, 27(12): 71-88.

1.2 燃料电池概述

燃料电池（Fuel Cell）十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制的学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。它是一种在等温状态下直接将燃料和氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能直接转变为直流电能的电化学装置[1,6]。最常见的燃料为氢[7]，一些碳氢化合物如天然气和醇亦会作为燃料使用。不同于普通的二次电池，燃料电池工作过程是燃料和氧化剂分别在两极上进行电化学反应，由电解质和外电路构成回路，从而将化学能直接转化为电能。因此，它需要稳定的氧化剂和燃料来源，以确保其运作提供不间断的稳定电力。另一方面，燃料电池产电后会产生水和热，基于使用的燃料的不同，有可能产生极少量的二氧化碳和其他物质，对环境的污染比原电池要少，是一种绿色能源。而燃料电池的产电效能普遍介于40-60%，如使用电池释放的热量，可提高产电效能至85%。

1.2.2燃料电池的特点

燃料电池被认为是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换损失，从而达到很高的发电效率。具体的优越性如下：

（1）能量转换效率高

燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。它不通过热机过程，因此不受卡诺循环的限制。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，燃料总利用率可高达80％以上[18-20]，具有较高的效率。

[18] "The PureCell Model 400-Product Overview" UTC Power.Retrieved2011-12-22.

[19] 郭公毅. 燃料电池. 能源出版社,1984.

[20] A. O. 麦克杜格尔. 燃料电池. 国防工业出版社,1983.

（2）响应性、可靠性好

燃料电池发电系统对外路负载变化的响应速度很快，因此不管发电系统是超出额定功率运行还是低于额定功率运行，它都能够承受并且效率变化不大。燃料电池发电装置可以根据用户需要灵活配置输出电压和功率容量，具有很好的积木化特性，采用模块化结构可方便组装和维修。与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，然料电池发电系统内运动零件极少，不会出现燃气涡轮和内燃机转动零件损坏导致的重大事故。套装机组可在线监控，具有自动操作能力[21]。[21] Hoogers, G., Fuel Cell Technology handbook, CRC Press LLC, USA (2003).

（3）比能量高

液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍，直接甲醇燃料电池的比能量比锂电池（能量密度最高的充电电池）高10倍以上。目前电池的实际比能量尽管只有理论值的1 /10左右，但仍比一般电池的实际比能量高得多。

（4）污染小、噪音低

以纯氢作为燃料时，燃料电池的化学反应产物仅为水；以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量也极为有限，几乎没有NOx和SOx排放，CO2的排放也大幅减少。目前，燃料电池的有害气体排放量比美国的国家环保标准低两个数量级。此外，燃料电池系统中没有锅炉、汽轮机等转动部分，它工作时振动很小，噪声污染非常小[22]。[22] 陆天虹, 刑巍. 燃料电池—并不十分遥远的环保型电化学发动机. 产业论坛, 2003, 9: 23.