什么是燃料电池概念

1. 什么是燃料电池概念

燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子,电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构

2. 什么是“燃料电池”？

什么是氢燃料电池，对我们生活有哪些好处？

3. 什么是燃料电池？

燃料电池是一种把燃料中的化学能转变为电能和热能的装置，主要由燃料、氧化剂、电极和电解质4部分组成。燃料一般采用氢、甲醇、氨、乙二醇、烃、肼和天然气。氧化剂是空气和氧气，电极分别为阳极(燃料极)和阴极(氧化剂极)，电解质可用液态、固态和熔融态的电解质。
目前，世界各国的燃料电池主要有以下4种类型：
磷酸型燃料电池。这种电池也被称为第一代燃料电池，它使用纯度极高的氢作燃料，在200℃的高温下运转，发电率达40％左右，可代替火力发电站和海上岛屿发电站。但由于它在燃烧的过程中需要使用铂催化剂，这种催化剂在发电的过程中会形成结块，从而缩短了该电池的使用寿命。另外，由于成本较高，因而难于推广。
熔融碳酸盐型燃料电池，也称第二代燃料电池。它使用的燃料是天然气，不仅含有氢，还含有一氧化碳，它还可使用煤气等含氢纯度低的燃料。溶融碳酸盐型燃料电池的发电率可达50％左右，如果将这种燃料电池构成的发电系统，利用高温排热，与汽轮机或蒸汽轮机相结合的话，发电率还可进一步提高到55％左右。另外，由于它在发电的过程中化学反应异常活跃，因而不需要使用催化剂。
固体电解质型燃料电池，也被称为第三代燃料电池。由于它使用的电解质是陶瓷化合物，因而可在800℃~1000℃的高温下运转，发电率可达到50％以上。目前，这种燃料电池已用于实际之中。
碱型燃料电池。由于它必须使用纯氢作燃料，因而它的成本极高。目前，它的使用仅限于宇宙开发方面，如果要用于一般发电或民用方面，只能到氢能时代才能实现。
在各种由其他形式的能转换成电能的发电形式中，燃料电池的转换率最高，理论上讲可达100％，实际上已达80％。可见，燃料电池有着广阔的发展前途。
燃料电池是把燃料的化学能直接转化为电能的发电装置。所用的燃料是氢、甲醇、乙醇、烃、氨及天然气等，再有氧化剂、电极、电解质就行。以磷酸电解质电池为例，把燃料氢供给燃料极，氢就被催化离解成氢离子并释放出电子，氢离子通过电解质磷酸水溶液、电子通过外电路分别到达氧化剂极，氢离子、电子和氧化剂(空气中的氧)反应生成水。在电子流通过外电路时，就向负载输出了电能。这个原理和普通电池的发电原理相似。所不同的是，普通电池的反应物是预先放入电池内，一旦反应物耗尽，电池就报废了；燃料电池则不同，它的燃料和氧化剂可以连续不断地输入，所以它就能连续不断地供电。
燃料电池结构简单，工作可靠，维修方便，无污染，在宇航、潜艇、灯塔和无线电台等场合已开始应用，只是成本高一些。

4. 燃料电池的主要构成？

燃料电池的主要构成组件为：电极（Electrode）、电解质隔膜（Electrolyte Membrane）与集电器（Current Collector）等。 (福建亚南集团为清洁能源解决方案供应商，致力于氢能燃料电池产业化的企业。亚小南为您解答4000-080-999)
1、电极 
燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。 
电极主要可分为两部分，其一为阳极（Anode），另一为阴极（Cathode），厚度一般为200－500mm；其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。 
目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（简称YSZ）及熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFC）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）与质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极等。 [4]  
2、电解质隔膜 
电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂（LiAlO3）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂－钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。 
3、集电器 
集电器又称作双极板（Bipolar Plate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。

5. 什么是燃料电池？

天然气研究项目中的其他先导内容就是燃料电池的开发。燃料电池通过化学反应将氢、天然气或甲醇等转换为电能和热能。在此过程中，燃料并不发生燃烧，所以，燃料电池对环境保护是有好处的，因为它们实际上没有污染物的排放，一个接在燃料处，一个接在氧化剂处，它们被电解液隔离开。燃料电池根据电极之间所使用的电解液而得名。共有四种类型：质子交换膜（PEM）、熔融碳酸盐（MCFC）、固体氧化物（SOFC）和磷酸（PAFC）。
PEM燃料电池可以在相对较低温度下（大约200°　F）运行。这使得它们具备了快速的优点，也是使它们能够很好地适应运输的条件。它们也可被用于居民和商用建筑物。这一特殊技术所青睐的燃料是纯净气体氢，但是磷酸燃料电池与商业用途有着最为密切的关系。它们已经被用在医院、育儿室、办公楼、学校、公共电力部门和军事基地。
MCFC燃料电池可以在一个平均温度为1200℉的工作条件下运行。小型燃料电池不适合在高温条件下工作，所以这些电池正在被用在发电量从250kW到10MW的发电装置里面。它们还可以被用于基本负载配电系统中、商业和工业领域，以及经过改良的天然气和其他烃类为燃料的发电装置中。
SOFC燃料电池可在1800℉条件下工作，以金属和没有液体的陶瓷材料为主制成。此类电池的使用寿命期望比其他的燃料电池长些，因为其他燃料电池都使用液体，所以或多或少地都具有腐蚀性。如果有足以保证可以防止碳的形成，则SOFC燃料电池将可以直接应用甲烷作为燃料。它们就像MCFC燃料电池一样，使用经过改良的天然气。
对于燃料电池而言，有多种燃料可供选择，而早期的技术和燃料电池依然在使用，一旦天然气的商业化更具经济性，它们将极有可能以燃料电池的形式占据更大的市场份额。随着燃料电池技术的进一步发展，它将可能成为连接电力与天然气工业的一条重要纽带。
对于SOFC燃料电池技术而言，最大的潜力在SOFC/GT循环中的燃气轮机，如此设计，其发电效率可达70%～75%，而且排放物是极少的。这类系统依然在研发中，在先导试验工厂建成之前一直在进行着研发工作。
美国天然气协会首先提出用蒸汽改造天然气，使之应用于PAFC和PEM固定式发电装置。这一观点已被国际燃料电池协会（ONSI）所采纳，该组织的第一个固定式磷酸燃料电池于20世纪70年代研制成功。ONSI目前依然在使用天然气的蒸汽改造技术。PAFC和PEM系统用加氢脱硫化作用技术（这是一种少量氢和天然气混合，然后通过一个加热的镍或钴—钼的氧化催化剂的技术流程）。所有的硫都会被加热的锌的氧化物层所吸收。接着，从这种改造炉生成的气体流通过更多的催化剂，用以减少气体中的碳化物组分从而达到燃料电池所需要的标准。这项技术已经被很好地证实，也正在为一些大型工业系统所接受。为了降低燃料电池系统的价格，研究人员们正在进行减少所需的改造物品的尺寸。
燃料电池开发的费用在过去十年中已明显下降了，但燃料电池工业依然需要政府的支持，还需要投入更多的研究并加大开发力度。这项技术表明，它可以应用于固定式发电、移动式发电、输送式发电以及空间与军事用途。燃料电池最早是为美国宇航局（NASA）的空间计划而研制的。这种电池的应用已经很好地商业化了。
1998年，全世界的燃料电池交易额已经超过8000万美元，而且还将大幅度的增加。预计到2008年，全世界燃料电池的投资可接近40亿美元，到2010年，预计增长速率可达40%。最大的市场份额拥有者应该是PAFC燃料电池。
正在为大型固定式应用开发多种燃料电池技术，其功率为1～2MW，特别是PAFC、　SOFC和MCFC技术。PAFC的商业化程度最高，已经有100多套设备投入使用。绝大多数在热电联产系统中使用。
超级燃料电池是一项正在美国联邦政府能源技术中心的化石能源部的能源办公室进行研发的技术（表10.1）。这些电池将能够提供极高的燃料—电能转换率，同时，这种发电技术对环境污染也是微乎其微的。设计中的燃料电池系统的主要优点如下：

表10.1　简单循环的超级燃料电池与替换物的比较
（1）史无前例的天然气燃料效率，当使用设在底部的燃气轮机技术时，其热值低于80%，或者，使用简单循环技术时，热值低于70%。
（2）超级清洁（无燃烧）技术，具有极大的潜力——仅输出纯净的CO2气体而绝无其他排放物。
（3）在发电、工业、商业和运输部门的市场营销中，小型与大型部门都可适用。
（4）具有减少温室气体排放和增加经济竞争力的潜力。
超级燃料电池技术理念允许固态燃料电池组合有一个操作温度和操作温度窗，并有望获得一套发电厂系统的最大经济效益。这种类型的系统使用多阶段固态组合去将热量和较高的运行温度与接下来的下游燃料电池相连接，避免了昂贵的热交换冷却程序（图10.6）。此举可以减少热的需求量并提高热的结合，从而可使一座发电厂在使用天然气时，其效率达82%。这种超级燃料电池10年的费用为100美元/kW，比目前使用的发电系统的费用减少了80%。

图10.6　超级燃料电池发电厂的设计理念
目前研发工作的目标在于降低燃料电池的生产费用。这一举措正在通过增加发电强度和输出以及提高生产技术来完成。生产过程中所使用的原材料也正在减少，将电池制作的更小更轻，以减少生产成本。燃料电池技术通常使用昂贵的电子配件与催化剂，所以研究人员正在努力工作，力图发现减少这些材料使用的方法。燃料电池的发电强度在过去的几年中明显地增加。高电力密度是重要的，尤其对那些移动式发电或输送电力的应用来说，在这些情况下，发电器材的大小与重量都必须尽可能地减少。
在发电厂中，将燃料电池与燃气轮机结合的潜力也正在研发之中。高温燃料电池与燃气轮机的结合能够将化石燃料转换为电能，其发电效率可达70%。当今最好的燃气轮机的发电效率标准值才为60%　。
那些显示出未来可以降低生产成本的技术正在吸引着各种公司的兴趣与研究投资，从电力供应公司到汽车制造厂商，这将使燃料电池可能最终成为一种重要的发电方式，并占有相当大的市场份额。

6. 请问什么是燃料电池？

简单地说，燃料电池（Fuel\r\nCell）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。\r\n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%.\r\n（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，五机械振动。\r\n（3）燃料适用范围广\r\n（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\r\n（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。\r\n为了了解它的价值，让们分别研究一下”燃料“和”电池“这两个词。\r\n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，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，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。\r\n燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它是一种电池，但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行化学反应。这些燃料的化学能也通过一个步骤就变为电能，比通常通过两步方式的能量损失少得多。于是，可以为人类提供的电量就大大地增加了。\r\n目前，燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展，即碱性燃料电池（Alkaline\r\nFuel\r\nCell，AFC）、磷酸盐型燃料电池（Phosphoric\r\nAcid\r\nFuel\r\nCell，PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（Molten\r\nCarbonate\r\nFuel\r\nCell，MCFC）、固体氧化物型燃料电池（Solid\r\nOxide\r\nFuel\r\nCell，SOFC）、固体聚合物燃料电池（Solid\r\nPolymer\r\nFuel\r\nCell，SPFC，又称为质子交换膜燃料电池，Proton\r\nExchange\r\nMembrane\r\nFuel\r\nCell，PEMFC）、及生物燃料电池（BEFC）。按工作温度它们又分为高、中、低温型燃料电池。工作温度从室温到373K（100℃）的为常温燃料电池，如SPFC;工作温度在373K（100℃）~573K（300℃）之间的为中温燃料电池，如PAFC;工作温度在873K（600℃）以上的为高温燃料电池，如MCFC和SOFC.\r\n燃料电池实质上是以控制氢弹爆炸的观念设计，太空船上的燃料电池是用来聚集星际旅行之间的氢气所产生的能量之用。太空船的太阳能板所聚集的电磁和太阳能将会转换成电能，而电能会用来慢慢地将存放在燃料电池内的氢置换成燃料。燃料电池也内含了一小部份受控制量的可进行核分裂的物质，这些物质依序用来与氢核进行核反应。核反应在燃料电池内进行，在太空旅程中提供高能量并加速离子引擎来推进太空船。在最后的旅程阶段，燃料电池提供了燃料火箭动力所需的氢。这整个过程受控在强大的电磁下，它能提供能量并且避免过量的能量外泄导致反应炉核心融毁。核反应的一项副产物——热能，则被燃料电池的外壁吸收并转换成供给电脑、维生系统和其他必要功用的电能。\r\n经过多年的探索，最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。它的工作原理是：将氢气送到负极，经过催化剂（铂）的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子（质子）可穿过质子交换膜（即固体电解质），在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得，只要不断给负极供应氢，并及时把水（蒸汽）带走，燃料电池就可以不断地提供电能。

7. 燃料电池的特点？

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

8. 什么是燃料电池？

所谓“燃料电池”，从原理上讲，和传统的化学电池基本相同，也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是：传统电池的内部物质事先充填好，化学反应结束后，不能再供电；而燃料电池进行化学反应所用的物质是由外部不断充填的，因此，它能够源源不断地发电。这是燃料电池最显著的特征。