燃料电池发展史

燃料电池

简单地说，燃料电池(Fuel Cell)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”。燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。

燃料电池的特点

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最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

燃料电池原理 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。

为了了解它的价值，让我们分别研究一下“燃料”和“电池”这两个词。

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，蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。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，一天就要花成本费数十亿美元。

燃 料 电 池

一、概述

1．1 原理、特点、分类与应用

1．1．1 原理

燃料电池是一种能量转换装置。它按电化学原理，即原电他(如日常所用的锌锰干电池)的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。

对于一个氧化还原反应，如：

[O] + [R] → P

式中，[O] 代表氧化剂，[R]代表还原剂，P代表反应产物。原则上可以把上述反应分为两个半反应，一个为氧化剂[O]的还原反应，一个为还原剂[R]的氧化反应，若e-代表电子．即有：

[R] → [R] + + e-

[R] + + [O] + e- → P

→ [O] + [R] →

P

如图1—1所示，氢离子在将两个半反应分开的电解质内迁移，电子通过外电路定向流动、作功，并构成总的电的回路。氧化剂发生还原反应的电极称为阳极，其反应过程称为阴极过程，对外电路按原电池定义为正极。还原剂或燃料发生氧化反应的电极称为阳极，其反应过程称阳极过程，对外电路定义为负极。

燃料电池与常规电池不用，它的燃料和氧化剂不是储存在电池，而是储存在电池外部的储罐中。当它工作(输出电流并做功)时，需要不间断地向电他内输入燃料和氧化剂，并同时排出反应产物。因此，从工作方式上看，它类似于常规的汽油或柴油发电机。

由于燃料电他工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体(即气体和液体)。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体(如重整气)和某些液体(如甲醇水溶液)。常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧化氢和硝酸的水溶液等)。

1．1．2 特点

(1)高效 燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。在理论上它的热电转化效率可达85％一90％。但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效率均在40％一60％的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80％以上。

燃料电池

摘 要本文从燃料电池的历史、基本工作原理、燃料电池的特点、燃料电池的应用四个方面介绍了燃料电池,基于现在全球资源短缺和环境污染的现状,我们可以预见到燃料电池将有很广阔的发展前景。

关键词燃料电池;分类;特点;应用

0引言

高度依赖于化石燃料为主要能源已经导致了严重的能源危机,中东各石油输出大国纷纷宣布石油将在几十年内耗尽,目前中国甚至已经有超过30%的石油依赖进口!能源短缺已经成为各国发展经济所面临的一个棘手的难题。另一方面,使用化石燃料引起了全球变暖,酸雨形成等严重的城市空气污染。利用化石燃料发电和用做交通燃油是引发环境污染的主要原因。利用可再生资源所产生的氢,具有清洁无污染,高效,可再生和资源丰富等优点,正在逐步取代化石燃料成为能源舞台上的主角。燃料电池(Fuel Cell,FC)是一种新兴的化学电源,具有转换效率高,清洁无污染,噪音低等优点,是未来发电的发展方向。

1燃料电池的现代发展史

燃料电池的历史可以追溯到第19世纪英国法官和科学家Willianl -Robert

Grove爵士的工作。1839年,Grove所进行的电解作用实验—使用电将水分解成氢和氧—是人们后来称之为燃料电池的第一个装置 。然而燃料电池的现代发展史起始于20世纪60年代初期 。当时 ,美国政府的新机构—国家航空和宇宙航行局(NASA)正寻找为其即将进行的一系列无人航天飞行提供动力的方法。由于使用干电池太重 ,太阳能价格昂贵 ,而核能又太危险 。 最后 ,直到20世纪90年代 ,也就是 Grove试验之后的150多年 ,一种廉价的、 清洁的、可再生的能源最终变成了事实。2年后 ,Ballard和 Daimler Benz公司都生产出每升1kW 的燃料电池组。

2燃料电池的原理

燃料电池是一种等温进行,将储存在燃料,氧化剂中的化学能高效、清洁地转换成直流电的发电装置。其工作原理与化学电源类似,由电极作为电化学反应的场所,阳极催化燃料(氢)的氧化反应 ,阴极催化氧化剂的还原反应。导电离子通过电解质到达另一个电极,与通过外电路到达该电极的电子以及该电极处生成的离子结合生成水和热。当外电路接上负载时燃料电池便可以带动负载做功。

2019年第1期新型燃料电池技术

氢是一种替代燃料，按重量计算，它的能量含

量很高。它大量储存在水、碳氢化合物和其他有机

物中。氢可以从多种多样的资源中产生，包括化石

燃料、生物质和水电解，以及风能、太阳能或电网电

力。氢气的环境影响和能源效率取决于它是如何

产生的。氢和燃料电池可以广泛应用。由于燃料

电池可以独立于电网，因此对于数据中心、电信塔、

医院、应急响应系统甚至国防军事应用等关键负载

功能来说，它们也是一个有吸引力的选择。燃料电

池与电池类似，它们不是燃烧产生电能。与今天的

汽油车类似，燃料电池电动汽车在一箱氢燃料上的

行驶里程可以超过300英里。他们可以在几分钟内

补充燃料，而且加燃料体验几乎和加油站一样。由

于发动机(即燃料电池)没有移动部件，永远不需要

换润滑油。

1氢燃料电池技术未来的可持续性[1]

Kumar讨论了一些关键的能源、环境和可持续性

问题，以及氢和燃料电池技术作为这些问题的潜在解

决方案之一的作用。氢是一种特别吸引人的运输燃

料。它是产生污染最少的燃料，可以在任何有水和清

洁电力的地方生产。用太阳能电解水或可再生生物

质气化制氢，然后用于燃料电池电动汽车(FCEV)的燃

料循环将产生很少或根本不会产生局部的、区域的或

全球污染。氢燃料电池汽车将结合电池动力电动汽

车(BPEVS)的最佳特性—零排放、高效、安静运行、长

寿命—内燃发动机汽车(ICEVs)的长距离和快速加油

时间。如果燃料电池技术如预期的那样发展，那么氢

燃料电池汽车将和太阳能电池汽车有一个重大的进

步，它们将比氢燃料电池汽车更清洁和更高效，比氢

燃料电池汽车有更短的加油时间和更低的生命周期

成本。作者将揭示用燃料电池取代现有发电源的可

能性。

燃料电池的类型主要取决于它们所使用的电解

质的类型。而电解液的类型又决定了操作温度，不同

类型的操作温度差别很大。高温燃料电池的工作温

度在1100华氏度(600摄氏度)以上，这些高温使得轻

烃燃料(如甲烷)在有水存在的情况下自发地内部转化为氢和碳。