燃料电池简介及其优缺点

燃料电池简介及其优缺点

姓名：周鹏学号：0909141085班级：09电气工程及其自动化

燃料电池是一种把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置。是继水力、火力、原子能发电方式之后的“第四种发电方式”。

燃料电池一般由燃料极（或称氢极）、空气极（或称氧极）以及夹在这两极之间的电解质构成。工作时，由外部供给电池的氢在燃料极放出电子成为氢离子，氢离子通过电解质后移向空气极，而电子则通过外电路亦到达空气极。在空气极，由外部供给电池的氧，与氢离子及电子进行反应生成水。电能由外电路输出。

燃料电池与我们所熟悉的干电池虽然都是将化学能转换成电能的装置，但它们的最大不同点在于，封存在干电池中参予化学反应的物质终将耗尽，反应停止，也就不能输出电能了；而对于燃料电池，只要外界不断地供给它燃料气体和氧化剂，化学反应就能不间断地进行，它就能不停地输出电能。

现在研制的燃料电池有四种基本类型，即磷酸型、溶融碳酸盐型、固体电解质型及碱型燃料电池。它们是根据电池中所用燃料、氧化剂、电解质的不同以及工作温度和构成方式的差别而划分的。磷酸型燃料电池是用氢的纯度极高的天然气或甲醇作燃料，工作温度为200℃，反应过程用铂作催化剂，发电效率达40％。溶融碳酸盐型燃料电池，使用的天燃气燃料中既含氢也含一氧化碳，还能用含氢纯度低的煤气作燃料，工作温度在600～700℃，化学反应活跃，不用铂等昂贵的催化剂，发电效率可达50％。发电过程可利用所排热能，与汽轮机结合。复合发电，这可使发电效率提高到55％左右；固体电解质型燃料电池中所用的电解质是陶瓷化合物，工作温度可高达800～1000℃，发电效率可达到50％以上；碱性燃料电池是以液氢为燃料，以液氧为氧化剂，成本极高。美国只在“阿波罗”登月飞船和“挑战者”号航天飞机上使用了这种燃料电池。这种燃料电池不仅作为飞船和航天飞机的电源系统，而且也为宇航员提供了不可缺少的生活用水及生命保障系统中所需的冷却用水，这一特点是其他电源所望尘莫及的。

燃料电池从1839年弄清了其发电原理到现在，已经有100多年的历史了。它的发展几经周折，直到本世纪50年代才进入试制阶段。主要因为燃料电池的建设成本太高，运转性能尚不稳定。到了60年代，由于航天任务的需要，燃料电池的研制才有了重大突破。应用于“阿波罗”登月飞船和“挑战者”号航天飞机的燃料电池取得了巨大成功，更引起世界各国对它的重视，把世界性的燃料电池研制活动推向了高潮。将来在整个燃料发电系统的建设成本明显降低，输出功率大大提高，使用寿命大大延长，运转性能更加稳定的时候，城市、山村、工厂、机关乃至家庭的用电，也许就不再依靠大型电站通过远距离输送来的电力，而实现用自己安装的燃料电池来满足用电的需要。

燃料电池作为第四种发电方式的装置，与其他几种发电方式比较起来有以下几个主要优点：

1、燃料电池的优点

1) 节能、转换效率高、不需要石油燃料

a) 除用汽油重整产生氢气外，其他（甲醇、碳氢化合物等）燃料基本不用石油燃料。

由发动机经驱动系统到车轮的综合效率，内燃机汽车为11％左右。以氢气为燃料的FCEV实际效率达到50％～70％；用甲醇为燃料，经过重整产生氢气FCEV，

实际效率达到34％。可见，FCEV的实际效率大大高于内燃机汽车。

b) 内燃机在额定功率附近才有最高效率，而在部分功率输出条件下运转，效率迅速降低。燃料电池在额定功率下的效率可以达到60％，而在部分功率输出条件下运转效率可以达到70％，在过载功率输出条件下运转效率可以达到50～55％。高效率随功率变化的范围很宽，在低功率下运转下率高，特别适合于汽车动力性能的要求。

c) 内燃机过载能力低，在过载运转时容易"熄火"。

燃料电池短时间的过载能力，可以达到额定功率的200％，非常适合汽车在加速和爬坡时动力性能的特征。

综上几点，燃料电池的节能远远超过内燃机，而且稳定性和可靠性高于内燃机。

2) 排放达到零污染

内燃机排放废气中的有害气体，对环境造成的污染是内燃机汽车的致命缺点，尽管采取了各种各样的机内和机外的技术措施，只能是达到“低污染”的水平，由于内燃机汽车的数量庞大，即使是"低污染"也给地球环境带来巨大影响。用氢气作为燃料的燃料电池发动机主要生成物质为水，属于"零污染"。用碳氢化合物作为燃料的燃料电池发动机主要生成物质为水、二氧化碳和一氧化碳等，属于"超低污染"。出于对地球环境保护的要求和谋求新的能源，燃料电池发动机是比较理想的动力装置，并有可能逐渐取代石油作为车辆的主要能源。

3) 车辆性能接近内燃机汽车

内燃机的比功率约为300W/kg，目前燃料电池本体的比功率为700 W/kg，功率密度1000W/L。如果包括燃料电池的重整器、净化器和附属装置在内，比功率为300～350 W/kg，功率密度280W/L。在能量方面燃料电池与内燃机相接近，因此其动力性能可以达到内燃机汽车的水平。

4) 结构简单、运行平稳

a) 燃料电池发动机的能量转换是在静态下完成，结构件构造简单。加工精度要求比内燃机低得多。特别是质子交换膜燃料电池能量转换效率高，能够在80℃得低温条件下起动和运转，对结构件的耐热性能要求也不高。结构件大多数为板状和管件，没有运动零部件和各种摩擦副，没有因零部件磨损引起的故障，维修、保养方便。

b) 燃料电池发动机由多个单体燃料电池串联组成，可以配置成各种不同规格的系列燃料电池发动机组，可以装配在不同用途和不同型号的车辆上。在车辆上可以根据车辆的轴荷分配车辆有效空间的利用等具体情况，灵活、机动地进行总布置。

c) 燃料电池发动机在运行过程中，噪声小、振动小、散热系统比内燃机简单得多、热管理系统也更加简单；产出物不需要进行净化和消声处理，整个燃料电池系统容易实现自动化系统管理。

燃料电池作为一种先进的能源，有着明显的优势，但在我们现今的应用中仍有许多不足之处

1) 燃料种类单一

目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。但燃料种类的单一性，可以建立标准化、统一的供给系统。