燃料电池*概述

　　燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

　　燃料电池十分复杂，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等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点： (1)能量转化效率高　他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。

　　(2)有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低　CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。

　　(3)燃料适用范围广。

　　(4)积木化强　规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。

　　(5)负荷响应快，运行质量高　燃料电池在数秒钟内就可以从*低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。

　　燃料电池*工作原理

　　具体地说，燃料电池是利用水的电解的 逆反应的"发电机"。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。*初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，现在正发展为直接使用固体的电解质。

　　工作时向负极供给燃料(氢)，向正 极供给氧化剂(空气)。氢在负极分 解成正离子H+和电子e-。氢离子进入 电解液中，而电子则沿外部电路移向 正极。用电的负载就接在外部电路中。 在正极上，空气中的氧同电解液中的 氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。 这正是水的电解反应的逆过程。

　　燃料电池*分类

　　1. 按燃料电池的运行机理 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。

　　2.按电解质的不同，燃料电池分为： 碱性燃料电池(A F C ); 磷酸型燃料电池(PAFC); 固体氧化物燃料电池(SOFC); 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC); 质子交换膜燃料电池(PEMC)等。

　　其中属于碱性燃料电池的只有AFC一种，而其余的 燃料电池均属于酸性燃料电池。可用于汽车的一般 是PEMFC。 在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜 燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用 作为移动电源，适应FCEV使用的要求，更加具有竞争力。

　　燃料电池*特性

　　(1 )可靠性高——磷酸燃料电池和碱性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 )环境友好——以纯氢为燃料时，燃料电池的化学反应物仅为水;以富氢气体为燃料时，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。

　　(3 )安静——燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。

　　(4 ) 高效——它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在 40-60% ;如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达 80% 以上。

　　燃料电池*能量变化

　　为了利用煤或者石油这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则可以用来使汽轮发电机组的磁场在定子线圈中旋转。这样就产生了电流。换句话说，我们是把燃料的化学能转变为热能，然后把热能转换动能，*后转换为电能。在这种双转换的过程中，许多原来的化学能浪费掉了。然而，燃料非常便宜，虽有这种浪费，也不妨碍我们生产大量的电力，而无需昂贵的费用。还有可能把化学能直接转换为电能，而无需先转换为热能。为此，我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成，其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应，电子不是被释出就是被吸收。 一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只要电池中进行化学反应，这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下，当一个电池用完了以后，人们迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，因此，电池能够贮存化学能，并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子。在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果你试图使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力，那么，**就要花成本费数十亿美元。

　　燃料电池*能量转换率高

　　他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。 (2)有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低　CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。 (3)燃料适用范围广。 (4)积木化强　规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。 (5)负荷响应快，运行质量高　燃料电池在数秒钟内就可以从*低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和 电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。

　　燃料电池*应用

　　燃料电池既适合于集中发电，建造大、中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。燃料电池产业的技术发展趋势，主要是在三个级别上针对不同的市场需求而齐头发展， 100W ～ 10KW 电池面向民用，是移动基站、分立电源、潜艇、电动自行车、摩托车、游艇及场地车等的较佳动力源; 10 KW ～ 100KW 电池是电动汽车的**动力源，是整个燃料电池产业发展的方向; 100KW 以上电池是特殊条件下电站动力源，如**、边远地区等用途。

　　燃料电池*电池反应

　　电池反应(电化学反应)有两类：

　　1. 化学电池中，自发反应，化学自由能→ 电能

　　2. 电解池中，外部供电能(包括蓄电池的充电)

　　燃料电池*电极过程

　　在电化学反应过程中，包含：

　　1. 界面上的电极过程：阳极、阴极的氧化、还原 过程;

　　2. 液相传质过程：离子的电迁移、扩散过程等。

　　电极过程的基本历程：

　　1. 反应粒子向电极表面扩散;

　　2. 反应粒子在电极表面上(或表面附近薄液 层中)进行“反应前的转化过程”，如脱 水、表面吸附、先行化学反应等;

　　3. 电极 / 溶液界面上的电子传递(电化学步骤);

　　4. 反应产物在电极表面(或表面附近薄液层中)进行 “反应后的转化过程”，如表面脱附、复合反应、分解、歧化等后续化学反应;

　　5. 产物形成新相 ( 如生成气泡或固相积沉)，并向溶液(或电极内部)扩散，后面将具体分析H+ / H2 电极过程历程。

　　燃料电池*展望

　　燃料电池客车被称为第四代发电方式的燃料电池，由于具有燃料利用效率可达80%、不排放有害气体(PAFC不排放任何气体)、容量可根据需要而定，所以受到了各方面的极大关注。各国家的政府都在这方面增加研发资金，推动其商业化的进程。在近年它首先受到了交通界的重视，作为交通动力装置已被搬上汽车、舰船，几乎同时它受到了国外电力系统的重视。PAFC发电装置已有数万套进入宾馆、家庭运行，PAFC已有了4万多小时的运行记录。

　　中国稀土资源丰富，发展MCFC和SOFC技术具有十分有利的条件。以天然气和净化煤气为燃料的MCFC和SOFC发电效率高达55%～65%，而且还可提供**余热用于联合循环发电，是一种优良的区域性供电电站。热电联供时,燃料利用率高达80%以上。专家们认为它与各种大型中心电站的关系，颇类似于个人电脑与大型中心计算机的关系，二者互为补充。二十一世纪，这种区域性、环境友好的、高效的发电技术有可能发展成为一种主要的供电方式。 *近日本提出2010年普及燃料电池的应用，并向发达欧美国家建议制定**基准和通用规格。随着其生产成本的降低，燃料电池也将在我国获得快速的发展，它将对传统的热机发电构成有利的挑战。

　　展望其对电力系统的影响如下：

　　调峰能力增加 应用氢气做燃料PEMFC已经商业化，在国外容量为3kW、5kW、7kW等热电联用的燃料电池正在源源不断地进入家庭，数百kW的燃料电池正在源源不断地进入旅馆、饭店商厦等场所。这些电力装置同小型光伏发电装置一样可以独立发电，也可与电力网相连。为了获得氢燃料，目前在非纯氢燃料电池前均加了燃料改质器。据专家介绍，碳纳米管储氢技术已获得突破，随着其商业化的发展，实行家庭发电将像用煤气灶与煤气罐配合使用一样方便，购一罐氢气可以发电数月(3kg氢气能量可以使一般轿车行驶500km)。在有煤气或天然气管道的地方，打开气阀就可以发电和供热水。 可以使用天然气、煤气为燃料的MCFC、SOFC发电能力为数千kW发电装置将座落于较大的公用场所，用管道向燃料电池提供燃气为附近的用户提供电力和热能，使城市的发电不再污染环境。成千上万的燃料电池发电装置服役，必将使得电网的调峰能力大大增强，常规的火电厂，由于存在有较大污染，因此让其远离城区带基本负荷。在缺乏调峰手段和缺乏调峰电量的东北电网加大燃料电池的入网量，必将大大地提高未来电网的调峰能力。

　　节约配电网的建设费用 中国有许多偏远的山村和海岛，远离电网或处在电网的末端，用电量不大。从商业角度考虑，架设高电压等级的线路是不合算的，但不架设又难以实现村村通电的目标。有了燃料电池，用当地生物质气体为燃料，再配合当地的风能、太阳能等，就可以满足当地的长期的电能需求。这样可以使投资更加合理，又提高电网的经济效益。

　　提高电网的**性 电网均采用高压长距离输电的方式使偏僻山区的水电和坑口、路口以及海口处的火电输送到负荷中心地带。中外近年多次电网事故证明，在地震、水灾、暴风、冰雪、雷电等自然灾害面前，这种系统往往是十分脆弱的。而星罗棋布的燃料电池加入到电网中供电，将会大大提高电网的**性。在某个远距离的基本负荷电源跳闸时，燃料电池可以对电网起到一定的支承作用，保证重要用户的电能需求。随着MCFC、SOFC技术的突破、天然气管线的铺通和大型煤气化技术的解决，届时人们会看到，对于大规模的应用化石能源的电力系统来说，变长距离输电为长距离输气，应用大中小相结合的各种燃料电池靠近负荷供电供热会更经济、更**。

　　电网管理 燃料电池发电将增加管理的复杂性。一是燃料电池发的均是直流电，需变频后入网，如此将需要对谐波进行控制;二是价格管理，每一个小的系统与电网均有电量交换，需要进行合理的价格管理，这与其他新能源入网问题一样(如太阳能、风能、生物质能发电)，入网电量小，管理量不小。