酸性電解質燃料電池:簡介,套用前景,燃料電池工作過程,燃料電池的定義及種類,燃料電

燃料電池可以高效地、環境友好地將儲存在燃料中的化學能等溫地轉化為電能，氫是燃料電池的最佳燃料。已開發國家中與汽車、能源相關的大公司均在加速進行燃料電池的開發。專家們預計燃料電池的套用將在未來幾年裡激增，它廣泛用於眾多領域，小到家用電器、手機、筆記本電腦；大到發電站、電動汽車、航空航天等領域。

基本介紹

中文名：酸性電解質燃料電池
外文名：Acid electrolyte fuel cell
學科：能源工程
領域：能源材料
範圍：能源

簡介,套用前景,燃料電池工作過程,燃料電池的定義及種類,燃料電池的特點,燃料電池系統簡介,燃料電池的套用,總結,

簡介

套用前景

燃料電池有著廣闊的套用前景：

1、燃料電池由於其能量轉化效率高、環境污染小，被譽為21世紀的新能源之一，它承載著人類實現高效率和零排放發電的夢想；

2、燃料電池被看作是繼火電、水電和核電之後的第四代發電方式；

3、燃料電池被認為是21世紀首選的高效潔淨的發電技術，如美國把燃料電池列為僅次於基因組計畫和超級材料之後的第三項尖端技術。

新能源技術被認為是新世紀世界經濟發展中最具有決定性影響的領域之一，燃料電池的廣闊套用前景已引起了世界各國的高度重視，已開發國家已投入巨資支持燃料電池技術的研究和開發，我國政府也將燃料電池技術列入國家科技攻關計畫之中。燃料電池及其相關技術的研究與開發已經成為熱點課題，在國防和民用的電力、汽車、通信等研究領域的套用已取得非常有意義的進展。

燃料電池工作過程

傳統電池(如乾電池、蓄電池等)對我們來說並不陌生。該類電池中，化學能直接轉變為電能是靠電池內部自發進行氧化、還原等化學反應，這種反應分別在兩個電極上進行。負極活性物質由電位較負並在電解質中穩定的還原劑組成，如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質由電位較正並在電解質中穩定的氧化劑組成，如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物，氧或空氣，鹵素及其鹽類，含氧酸及其鹽類等。電解質則是具有良好離子導電性的材料，如酸、鹼、鹽的水溶液，有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質等。

簡單說，傳統電池就是一種集能量存儲和轉換於體的裝置。它的主要特點有三點：

1.傳統電池一次只能輸出有限的電能，主要決定於電池內反應物的多少；

2.電極在電池工作過程中會不斷變化，電極本身就是參與或部分參與化學反應；

3.由於前兩個特點，傳統電池的供電電流、壓都是時刻變化的，其工作狀態是不穩定的。

燃料電池的工作原理與傳統電池相同，即燃料中的化學能通過電化學反應直接轉換成電能；同時，燃料電池的工作方式與汽油、柴油發電機有些類似，它也可以不斷地從外部獲得燃料，不斷地輸出電能，不斷地排放反應產物。但燃料電池與汽、柴油機的發電過程是不同的。熱機發電一般要經過這樣的過程：

在以上過程中，燃燒過程會產生污染，熱機轉換過程產生噪聲，每一步轉換都有能量損失，如熱能轉換為機械能時，熱機效率受到卡諾循環的限制。熱機發電過程中能量轉化的環節眾多，這就使得它作為一種獲得電能的方式的競爭性下降。

與熱機發電相比，燃料電池通過其陰陽兩極上發生的電化學反應，直接將化學能轉換為電能，轉換過程沒有燃燒，不使用熱機，也沒有發電裝置，大大減少了從化學能到電能的轉換環節，具有效率高、污染小、噪聲低等突優點。

燃料電池工作原理與傳統電池相同，但燃料電池並不存儲能量，它僅作為一種能量轉化裝置；其工作方式與熱機發電類似，即只要能連續地供應燃料和氧化劑(並且不斷排除產物)，燃料電池就能連續發電，而且電極不被消耗。這樣看來，燃料電池即綜合了傳統電池以及熱機發電兩種獲取電能方式的優點和長處，具有相當強的競爭能力。

燃料電池的定義及種類

燃料電池通常被定義為：只要向電極提供反應物，它就能連續地把供給燃料的化學能轉化為電能(和熱)的電化學裝置或器件。它的本質就是在電池工作過程中，電極和電解質都不被消耗。當然，電極和電解質在使用過程中會逐漸出現破損。

按燃料及其使用方式分類：直接式燃料電池、間接式燃料電池、再生式燃料電池。

按工作溫度的高低分類：低溫燃料電池、中溫燃料電池、高溫燃料電池。

按所用電解質類型來進行分類：鹼性燃料電池(AFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)。

燃料電池的特點

1.效率高

燃料電池利用等溫的電化學反應將化學能轉化為電能，轉化效率可達75%-100%。但實際效率只有40%-60%。儘管如此，其效率依然比火力發電效率(30%-40%)高些，一般也比活塞或渦輪狀內燃機效率要高些。此外，燃料電池另一個顯著特徵就是小型系統的效率與大型系統相當，這對於地區小型熱電聯產系統來說很重要。

2.污染低

燃料電池當以氫氣作為燃料時，唯一的產物是水，實現零污染排放。這正是燃料電池套用於汽車的最大優點，也是減少汽車廢氣排放甚至在城市消除廢氣的需要。

但要指出的是，在生產氫氣時還是要產生和排放二氧化碳。但即使使用由化石燃料(如天然氣)經過重整後獲得的氫氣或富氫氣體，其制氫過程中所排放的二氧化碳量也較少，遠遠少於火力發電所排放的量。

3.噪聲低

火力、水力、核電均需要大型渦輪機，因此會產生大的噪聲。而燃料電池由於只有極少數的運動部件，噪聲很低，這個特點對於其便攜化和將其建在居民區、辦公區創造了前提條件；此外由於燃料電池只有極少數的運動部件，因此其可靠性和穩定性都相當高。

4.機動靈活、使用範圍廣

由兩個電極夾一層電解質，就構成了燃料電池的基本單元，即單電池。將這些基本單元組裝起來就構成了電池組，再將電池組集塊集合起來就構成了燃料發電裝置，根據需要靈活組裝，建設成本低，周期短。

燃料電池系統簡介

燃料電池發電系統的核心是電池堆，此外燃料電池系統還包括了很多其他功能各異的系統和部件，系統設計和完成是一個非常複雜的過程。這些輔助系統的設計將影響燃料電池的製作成本、運行狀態、複雜性、可靠性、壽命和實用性。

一般來說燃料電池系統包括以下幾個重要子系統：

① 燃料子系統：負責燃料的存儲、處理和運輸；

② 燃料電池子系統：主要是指燃料電池堆；

③ 熱管理子系統：冷卻和進行餘熱利用；

④ 電力轉換子系統：直流、交流轉換，調整和穩定電壓；

⑤ 電池自動監視系統：對燃料電池整個系統工作狀態進行監視。

燃料電池的高效工作離不開這些子系統的密切配合，在工作的過程中其中的任一子系統出現故障或問題，都會對整個燃料電池系統工作的可靠性、壽命以及實用性起到重大影響。

燃料電池的套用

燃料電池有幾種不同的類型，各種燃料電池的技術特點、套用范同有別，其發展程度也不同。燃料電池的主要套用包括分散式電站、運輸工具動力、移動式電源以及其他用途。

1.分散式電站

在過去的幾年中，電力工業正發生著結構變化，集中供熱正受到分散式供電的挑戰。電力工業是壟斷性產業，南於規模效益，發電廠的規模都很大，而且遠離用戶，電力通過高壓線及變電站輸送到用戶。分散式發電站，包括汽輪機發電站、內燃機發電站、太陽能發電站、風力發電站、燃料電池發電站等，與用戶距離很近，有利於降低成本、改進服務。燃料電池是用於分散式供電系統的，它效率高、污染低、噪聲低、可靠性高、易於實現自動化，與其他類型電站兼容性強，這些優點使得燃料電池備受關注。

2.運輸工具動力

機車採用內燃機驅動，能量轉換效率大約為30%左右，從燃料到車輪的效率只有15%左右。使用燃料電池系作為動力，能量轉換效率可達50%左右，從燃料到車輪的效率可達25%。

燃料電池是一個電化學反應系統，主要產生電能，並把氫氣和氧氣轉化成水。內燃機則主要產生熱能，只有一少部分變成有用的機械功，而且燃燒尾氣成分複雜，包括NO_x、CO和揮發性有機物(VOC)等，嚴重地影響了空氣的質量。

單就CO₂而論，同樣使用化石燃料，燃料電池取得單位有用功所排放的CO₂量比熱機系統要低得多。

作為交通工具動力的燃料電池，其發展的焦點集中在PEMFC的身上，主要是因為PEMFC具備低溫快速啟動、無電解液腐蝕溢漏問題等交通動力所必須具備的特點。

有樣車測試表明，燃料電池為動力的公共汽車的最高時速和爬坡能力與柴油發動機公共汽車相當，而加速性能還優於柴油發動機。

3.移動式(攜帶型)電源

簡單來講，人們對攜帶型電源的要求就是體積小、質量輕、工作可靠，而且提供的電能要儘量多，持續供電時間儘量長。

常用的鋰電池的能量密度提升空間已經不大。燃料電池密度大，數倍於鋰電池，可通過加注燃料快速“充電”。因此，燃料電池成為了攜帶型電源的最具潛力的代表。

實現燃料電池商業化的手段是尋找市場突破口。市場是多樣化的，有些市場對商品的性能要求高，對價格的承受能力也較高。攜帶型電源就屬於這種市場，它可望與價格也較高的其他攜帶型電源競爭。與蓄電池相比，燃料電池電流密度大，效率高；與柴油發電機相比，燃料電池無污染無噪聲。

攜帶型燃料電池一般是指功率在1-1000W之間的小型燃料電池，可用於照明、通訊、微型電器等，攜帶型燃料電池除具備高效潔淨的特點外，還具備以下特點：操作簡便、壽命長、啟動快、體積小、質量輕、可靠性高、安全性好等；其最大的特點是能量密度大而且可通過加注燃料快速“充電”。

總結

燃料電池作為一種高效潔淨的電源，擁有如此多的優點，必然有著廣闊的套用前景。但事實是，在1838年發現燃料電池原理，1842年發明第一個燃料電池之後，160多年過去了，燃料電池這項技術仍主要用於空間和國防。

酸性電解質燃料電池