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燃料电池

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  • 发布时间:2016/1/24 17:23:20
  • 作者:ly_yinhe
定义
燃料电池(Fuel Cell)是一种将持续通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池区别在于,它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂,只要持续供应,燃料电池就会不断提供电能。
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燃料电池工作原理

  燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成,工作原理与普通化学电池类似,燃料电池在阳极氧化,氧化剂在阴极还原,电子从阳极用过负载流向阴极构成回路,产生电流。

燃料电池原理示意图

图示:燃料电池原理示意图

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燃料电池分类

01根据电解质的种类可分为

  1. 碱性燃料电池(AFC)

  氢-氧燃料电池反应原理是电解水的逆过程。采用氢氧化钠溶液作为电解液,这种电解液效率很高(可达60%~90%),但对影响纯度的杂质,如二氧化碳很敏感。因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。

  2. 聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)

  聚合物离子膜燃料电池原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂,质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源,阳极即电源负极,阴极即电源正极。采用极薄的塑料薄膜作为其电解质,这种电解质具有高功率一重量比和低工作温度,是适用于固定和移动装置的理想材料。

  3. 磷酸燃料电池(PAFC)

  磷酸燃料电池中采用的是100%磷酸电解质,其常温下是固体,相变温度是42℃。很适合用于分散式的热电联产系统。

  4. 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

  熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。工作温度高达650℃,这种电池效率很高,但材料需求的要求也高。

  5. 固体氧化物燃料电池(SOFC)

  固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池,是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。

02按燃料类型

  可分为直接式、间接式和再生式。

  直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型;

  间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池;

  再生式燃料电池中有光、电、热、放射化学燃料电池等。

03按燃料类型

  把碱性燃料电池(AFC,工作温度为100℃)、固体高分子型质子膜燃料电池(PEMFC,也称为质子膜燃料电池,工作温度为100℃以内)称为低温燃料电池;

  把磷酸型燃料电池(PAFC,工作温度为200℃)称为中温燃料电池;

  把熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC,工作温度为650℃)和固体氧化型燃料电池(SOFC,工作温度为1000℃)称为高温燃料电池,并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。

04按开发早晚顺序

  把PAFC称为第一代燃料电池,把MCFC称为第二代燃料电池,把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。

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燃料电池的特点

01燃料电池优势

  1、能量转换效率高。燃料电池能量转换效率比热机和发电机能量转换效率高得多。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为40%~50%,当用热机带动发电机时,其效率仅为35%~40%,而燃料电池的有效能效可达60%~70%,其理论能量转换效率可达90%。其他物理电池,如温差电池效率为10%,太阳能电池效率为20%,均无法与燃料电池相比。

  2、污染小、噪声低。燃料电池作为大中型发电装置使用时其突出的优点是减少污染排放。对于氢燃料电池而言,发电后的产物只有水,可实现零污染。另外,由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部分,故操作环境无噪声污染。

  3、 高可靠性。燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成。由于这种电池组是模块结构,因而维修十分方便。另外,当燃料电池的负载有变动时,它会很快响应,故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行,它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使得燃料电池在用电高峰时刻作为调节的储能电池使用。

  4、比能量或比功率高。

  5、 适用能力强。燃料电池可以使用多种多样的初级燃料,如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油;也可以使用发电厂不宜使用的低质燃料,如褐煤、废木、废纸,甚至城市垃圾,但需经专门装置对它们重整制取。虽然燃料电池有上述种种优点,然而由于技术问题,至今一切已有的燃料电池均还没有达到大规模民用商业化程度。为此,美、日等国相继拨出巨资来发展燃料电池。

02燃料电池不足

  1、 燃料电池造价偏高:车用PEMFC之成本中质子交换隔膜(USD300/m2)约占成本之35%;铂触媒约占40%,二者均为贵重材料。

  2、 反应/启动性能:燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。反应性可藉增加电极活性、提高操作温度及反应控制参数来达到,但提高稳定性则必须避免副反应的发生。反应性与稳定性常是鱼与熊掌不可兼得。

  3、碳氢燃料无法直接利用:除甲醇外,其它的碳氢化合物燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后,方可供现今的燃料电池利用。这些设备亦增加燃料电池系统之投资额。

  4、氢气储存技术:FCV的氢燃料是以压缩氢气为主,车体的载运量因而受限,每次充填量仅约2.5~3.5公斤,尚不足以满足现今汽车单程可跑480~650公里的续航力。以-253℃保持氢的液态氢系统虽已测试成功,但却有重大的缺陷:约有1/3的电能必须用来维持槽体的低温,使氢维持于液态,且从隙缝蒸发而流失的氢气约为总存量的5%。

  5、氢燃料基础建设不足:氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模,但全世界充氢站数量有限,仍值示范推广阶段。此外,加气时间颇长,约需时5分钟,尚跟不上工商时代的步伐。

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燃料电池发展

  燃料电池经过长时间的发展,已经实现了在航天飞机、宇宙飞船及潜艇等特殊领域的应用。而民用方面由于受寿命与成本的制约,至今在电动汽车、电站、便携式电源或充电器等行业还处于示范阶段。未来燃料电池的发展也受到一些技术问题的制约,这些问题主要有:氢气储存技术、燃料电池造价高、氢燃料基础建设不足等。在国内外各界的积极努力下,高能效、环境友好的燃料电池技术,一定会为整个能量转化技术体系做贡献。