燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池工作原理是：氫氣或其他燃料進入到陽極，并在電極和電解質(zhì)的界面上發(fā)生氧化與氧氣還原的電化學反應，產(chǎn)生電流，輸出電能。

 

燃料電池是繼熱能發(fā)電、水力發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。利用電化學反應把燃料電池中燃料的化學能（即吉布斯自由能）直接轉(zhuǎn)換成電能，這樣不會受卡諾循環(huán)效應的限制，所以效率高；此外，燃料電池用燃料和氧氣作為反應物，有害氣體（SOX，NOX）的排放量極少；由于在整個過程中，沒有機械傳動，所以無噪聲污染。因此，從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

 

到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種技術(shù)和結(jié)構(gòu)類型的燃料電池，但是根據(jù)電解質(zhì)的不同，一般分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五大類。其中前三種類型工作溫度不大于200℃，又稱做低溫燃料電池，MCFC和SOFC的工作溫度大于650℃，叫做高溫燃料電池。

 

2燃料電池系統(tǒng)組成及特點

 

2.1組成

 

燃料電池PAFC的結(jié)構(gòu)最為典型，主要由四部分組成，分別是呈多孔狀態(tài)、涂有催化劑的陽極、陰極、隔離電極的離子導電電解質(zhì)、集流體（圖1）。單電池產(chǎn)生的電壓很低（表1），所以需要鈀電池串聯(lián)成電池堆來提高電壓。燃料電池整裝機組由電池組、重整器與熱交換器（廢熱回收）、直流-交流轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控器一起構(gòu)成。PAFC、AFC和MCFC使用液態(tài)電解質(zhì)，兩個電極呈氣、液、固三相接觸，而SOFC和PEMFC使用固態(tài)電解質(zhì)僅呈兩相接觸，故在結(jié)構(gòu)上有所不同。

 

2.2特點

 

2.2.1高能量轉(zhuǎn)換效率

 

燃料電池屬于一種能源轉(zhuǎn)換工具，可以將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能而不用經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)換、機械能轉(zhuǎn)換，所以不受熱機原理中卡諾循環(huán)的限制，能達到40%以上的發(fā)電效率，如PAFC的發(fā)電效率為42%，MCFC的發(fā)電效率大于60%，比傳統(tǒng)的火電廠高的多。此外，燃料電池在發(fā)電的同時還生產(chǎn)熱水和低溫蒸汽，電/熱比大于1.0，多呈汽電共生形式，其總的能量轉(zhuǎn)換效率高達90%。

 

2.2.2可靠性好

 

由于不需要經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)換，機械能轉(zhuǎn)換等復雜能量轉(zhuǎn)化，所以電池內(nèi)運動零件很少，不會出現(xiàn)內(nèi)燃機轉(zhuǎn)動零件和燃氣渦輪損壞等導致的嚴重事故。套裝機組可以在線監(jiān)控，可以自動操作。

 

2.2.3利于環(huán)保

 

燃料電池與普通電廠相比，極大的降低了CO2排放，大幅度減少粉塵、SO2和NOx的排放，改善空氣質(zhì)量，同時水的消費和廢水排放大幅度降低。此外，燃料電池轉(zhuǎn)動機件少，消除了普通電廠的噪聲源。因為不需要燃燒，所以占地面積小，安全可靠，這種發(fā)電方式適合設(shè)置在城區(qū)作電源。以汽電共生方式可同時向旅館、餐廳、辦公樓、醫(yī)院、百貨公司提供電力和熱量大約需要40～1000kW的燃料電池；3～20kW的燃料電池可供住宅使用，高溫燃料電池對熱電廠的競爭力更高。可以在孤立的邊遠市鎮(zhèn)、礦區(qū)及軍隊哨所建立這種潔凈的小型汽電共生系統(tǒng)來提供電力、熱水、暖氣與空調(diào)，如新疆等地的油氣田，實用價值很高。

 

2.2.4穩(wěn)定性高

 

由于受負載因素及容量變化的影響不大，所以效率穩(wěn)定。負載追隨迅速，可提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定度。

 

2.2.5燃料選擇范圍大

 

柴油、輕油、煤氣、天然氣、液化天然氣、沼氣、含氫廢氣等皆可使用。

 

2.2.6建廠時間短

 

廠址選擇限制少、占地面積小，建廠時間不超過兩年，可靠近用戶建立現(xiàn)場發(fā)電裝置，減少了輸電系統(tǒng)的費用。

 

由于燃料電池存在造價偏高、冷機啟動時間長、長期使用的實驗數(shù)據(jù)缺少、電池組壽命比機組壽命短等問題，所以要想實現(xiàn)商品化氦需要進一步努力。除PAFC以外其它技術(shù)尚不夠成熟。

 

3燃料電池的市場分析

 

燃料電池作為一種能量轉(zhuǎn)換率高，循環(huán)壽命長的清潔型新能源，在電動汽車、分散電站、備用及輔助電源、便攜式電源、可移動電源、特殊場合動力源及軍用領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。燃料電池應用主要歸納為三方面。

 

3.1交通運輸

 

電動汽車，包括大型公共汽車、貨車、小臥車、汽車等，要求在動力系統(tǒng)中的重量、成本、壽命、一次加燃料行駛距離等方面均能優(yōu)于或等于現(xiàn)代內(nèi)燃機式汽車。同時也包括船舶，如潛艇、貨船等。它的特點就是用燃料電池裝備的潛艇沒有紅外信號排放，所以不易被對方發(fā)現(xiàn)。德國、瑞典均在發(fā)展這類潛艇。將來還可以發(fā)展電動火車頭，可建成完全省去架空導線的電氣化鐵路。就電動汽車而言，燃料電池汽車在乘客空間，運行里程，運行安全及造價方面都足以與傳統(tǒng)汽車競爭。此外,它還具有燃料效能高和噪音、污染小的優(yōu)點，是未來汽車發(fā)展的重要方向之一。

 

3.2固定式電站

 

目前燃料電池適合中、小型燃料電站，根據(jù)科學家的預測，未來的電網(wǎng)系統(tǒng)很可能是現(xiàn)有的大電網(wǎng)和中小燃料電站共存狀態(tài)。大電網(wǎng)系統(tǒng)有其優(yōu)越性的同時，也存在無法避免的缺陷，因為高電壓長距離輸電時有6%一8%的損失，如熱量損失等。如果利用分散的中小型燃料電站，建立在公寓、大學校園、醫(yī)院、超級市場等處，就可以減少大電網(wǎng)送電損失（輸氫損失一般僅為3%）。據(jù)資料報導，像美國這樣電力工業(yè)已很發(fā)達的情況下，對燃料電池的市場需要依然很大（約為17000MW以上），所以說中小型分散電站，有其獨特的優(yōu)越性。作為人口大國，我國亦將是這樣。現(xiàn)在，美國lPugoPwer公司已推出一種家用3kw-5kw級的燃料處理器