【摘 要】在能源問(wèn)題成為世界核心問(wèn)題的今天，燃料電池作為一種新型能源應(yīng)用方式得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文首先介紹了燃料電池的原理和特點(diǎn)，然后對(duì)燃料電池的分類(lèi)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，最后簡(jiǎn)要介紹了其主要應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】燃料電池;原理;分類(lèi);應(yīng)用

0.引言

時(shí)至今日，世界經(jīng)濟(jì)大體上仍然是化石燃料依賴(lài)型的，石油、煤和天然氣占世界初級(jí)能源消費(fèi)總量的85％左右，剩下的部分主要是水電和核電，真正的可再生清潔能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能等所占比例不到３％。世界能源需求仍在以1.5％～2％的年率增長(zhǎng)，而地質(zhì)學(xué)家預(yù)測(cè)說(shuō)，石油和天然氣價(jià)格將大幅度上升，再也不會(huì)回落。

燃料電池的出現(xiàn)與發(fā)展，給便攜式電子設(shè)備帶來(lái)一場(chǎng)深刻的革命，并且還會(huì)波及到汽車(chē)業(yè)，住宅，以及社會(huì)各方面的集中供電系統(tǒng)。在21世紀(jì)中它將會(huì)把人類(lèi)由集中供電帶進(jìn)一種分散供電的新時(shí)代。燃料電池供電，沒(méi)有二氧化碳的排放，可減輕溫室效應(yīng)使全球氣候變暖問(wèn)題，它解決了火力發(fā)電使全球環(huán)境污染的問(wèn)題，它是一個(gè)純正的綠色清潔能源。

1.燃料電池的原理

1.1 燃料電池的組成和工作原理

燃料電池的基本組成：陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外電路。燃料電池中的電解質(zhì)有不同的種類(lèi)。燃料電池是靠氫氧結(jié)合成水的反應(yīng)來(lái)發(fā)電的，因而不會(huì)產(chǎn)生氮氧化物（NOX）和碳?xì)浠衔铮℉C）等易對(duì)空氣造成污染的物質(zhì)。它由三部分組成：陰極、陽(yáng)極和電解液。

燃料電池有著幾個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)：

（1）燃料電池在工作時(shí)必須有能量（燃料）輸入，才能產(chǎn)出電能。

（2）燃料電池所能夠產(chǎn)生的電能只和燃料的供應(yīng)有關(guān)，只要供給燃料就可以產(chǎn)生電能，其放電是連續(xù)進(jìn)行的。

（3）燃料電池本體的質(zhì)量和體積并不大，但需要一套燃料儲(chǔ)存裝置或燃料轉(zhuǎn)換裝置和附屬設(shè)備才能獲得氫氣，而這些燃料儲(chǔ)存裝置或燃料轉(zhuǎn)換裝置和附屬設(shè)備的質(zhì)量和體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)燃料電池本身。

1.2 燃料電池中的催化作用

燃料電池中的電催化作用是用來(lái)加速燃料電池化學(xué)反應(yīng)中電荷轉(zhuǎn)移的一種作用，一般發(fā)生在電極與電解質(zhì)的分界面上。 催化劑是一類(lèi)可產(chǎn)生電催化作用的物質(zhì)。電催化劑可以分別用于催化陽(yáng)極和陰極反應(yīng)。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優(yōu)選不同的催化劑。

評(píng)價(jià)催化劑的主要技術(shù)指標(biāo)為穩(wěn)定性、電催化活性、電導(dǎo)率和經(jīng)濟(jì)性。

2.燃料電池的特點(diǎn)

由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒(méi)有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。同時(shí)還有以下一些特點(diǎn)：

不管是滿(mǎn)負(fù)荷還是部分負(fù)荷均能保持高發(fā)電效率；不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率； 具有很強(qiáng)的過(guò)負(fù)載能力； 通過(guò)與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；用天然氣和煤氣等為燃料時(shí)，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性?xún)?yōu)。

此外，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，不受卡諾效率限制；清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機(jī)等大型設(shè)備、沒(méi)有SOx、NOx氣體和固體粉塵的排放；可靠性和操作性良好，噪聲低；所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。

3.燃料電池的分類(lèi)

燃料電池可依據(jù)其工作溫度、所用燃料的種類(lèi)和電解質(zhì)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。按照工作溫度，燃料電池可分為高、中、低溫型三類(lèi)。按燃料來(lái)源，燃料電池可分為直接式燃料電池(如直接甲醇燃料電池)，間接式燃料電池(如甲醇通過(guò)重整器產(chǎn)生氫氣，然后以氫氣為燃料電池的燃料)和再生類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。依據(jù)電解質(zhì)的不同，可將燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MC

FC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。

3.1直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池是以甲醇為燃料，通過(guò)與氧結(jié)合產(chǎn)生電流的，優(yōu)點(diǎn)是直接使用甲醇，省去了氫的生產(chǎn)與存儲(chǔ)。其電化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程又可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。直接燃料電池主要是甲醇在陽(yáng)極被電解為氫和二氧化碳，氫通過(guò)質(zhì)子膜到陰極與氧氣反應(yīng)并同時(shí)產(chǎn)生電流。間接燃料電池是先將甲醇進(jìn)行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過(guò)質(zhì)子膜電解槽反應(yīng)而獲得供給汽車(chē)動(dòng)力的電能。這種燃料電池以甲醇為能量來(lái)源，手機(jī)，筆記本電腦將不再用充電。

3.2固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池采用固體氧化物作為電解質(zhì)，除了高效，環(huán)境友好的特點(diǎn)外，它無(wú)材料腐蝕和電解液腐蝕等問(wèn)題；在高的工作溫度下電池排出的高質(zhì)量余熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料適用范圍廣，不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣（甲烷）、煤汽化氣，碳?xì)浠衔?、NH3、H2S等作燃料。這類(lèi)電池最適合于分散和集中發(fā)電。

3.3堿性燃料電池

再生氫氧燃料電池將水電解技術(shù)(電能+2H2O→2H2+O2)與氫氧燃料電池技術(shù)(2H2+O2→H2O+電能)相結(jié)合 ，氫氧燃料電池的燃料 H2、氧化劑O2可通過(guò)水電解過(guò)程得以“再生”， 起到蓄能作用?？梢杂米骺臻g站電源。采用氫氧化鉀溶液作為電解液。這種電解液效率很高（可達(dá)60-90％），但對(duì)影響純度的雜質(zhì)，如二氧化碳很敏感。因而運(yùn)行中需采用純態(tài)氫氣和氧氣。這一點(diǎn)限制了將其應(yīng)用于宇宙飛行及國(guó)際工程等領(lǐng)域。

3.4質(zhì)子交換膜燃料電池

燃料電池工程中心研究雙效催化劑和雙效氧電極的制備方法，研制薄層電極并制備膜電極三合一組件，降低電極鉑擔(dān)量。目前電極的鉑擔(dān)量已降至0.02mg/cm2。同時(shí)進(jìn)行固體電解質(zhì)的水電解技術(shù)開(kāi)發(fā)，已掌握水電解用膜電極的制備技術(shù)。

3.5熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫電池（600～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、無(wú)污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等）、余熱利用價(jià)值高和電池構(gòu)造材料價(jià)廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，是下一世紀(jì)的綠色電站。

4.燃料電池的應(yīng)用

燃料電池技術(shù)因具備低污染、高能源轉(zhuǎn)換效率的特性，更能滿(mǎn)足人類(lèi)高效、環(huán)保的需求。它具有更高的能源密度。緊急備用發(fā)電機(jī)、住宅用熱電共生系統(tǒng)、UPS、分布式發(fā)電系統(tǒng)、軍事國(guó)防、太空與運(yùn)輸工具領(lǐng)域、機(jī)器人、筆記型計(jì)算機(jī)、PDA、手機(jī)等便攜電子產(chǎn)品、便攜電源、搬運(yùn)工具、電動(dòng)輔助/代步車(chē)等。采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)。這種電解質(zhì)具有高功率一重量比和低工作溫度。是適用于固定和移動(dòng)裝置的理想材料。

質(zhì)子交換膜燃料電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì)，無(wú)電解質(zhì)腐蝕問(wèn)題，能量轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)污染，可室溫快速啟動(dòng)。質(zhì)子交換膜燃料電池在固定電站、電動(dòng)車(chē)、軍用特種電源、可移動(dòng)電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是電動(dòng)車(chē)的最佳驅(qū)動(dòng)電源。它已成功地用于載人的公共汽車(chē)和奔馳轎車(chē)上。

5.小結(jié)

高效、潔凈的燃料電池必將在未來(lái)的高效、清潔發(fā)電技術(shù)中占有一席之地。但是，資金、技術(shù)、觀念、基礎(chǔ)設(shè)施上還有許多需要克服的困難。油價(jià)飆升、電價(jià)太貴，燃料電池成為未來(lái)家庭能源供應(yīng)相對(duì)便宜的選擇，也是目前最令人滿(mǎn)意的解決方案。在固定電站、電動(dòng)車(chē)、軍用特種電源、可移動(dòng)電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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