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。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。

 

到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種技術和結構類型的燃料電池，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的結構最為典型，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-交流轉換裝置、監(jiān)控器一起構成。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，故在結構上有所不同。

 

2.2特點

 

2.2.1高能量轉換效率

 

燃料電池屬于一種能源轉換工具，可以將燃料的化學能直接轉換為電能而不用經(jīng)過熱能轉換、機械能轉換，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，其總的能量轉換效率高達90%。

 

2.2.2可靠性好

 

由于不需要經(jīng)過熱能轉換，機械能轉換等復雜能量轉化，所以電池內(nèi)運動零件很少，不會出現(xiàn)內(nèi)燃機轉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?？梢栽诠铝⒌倪呥h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?，F(xiàn)在，美國lPugoPwer公司已推出一種家用3kw-5kw級的燃料處理器（實際上就是將天然氣加工成氫的裝置）PEMFC發(fā)電裝置，估計所發(fā)電量的成本可比利用電網(wǎng)降低20%?？梢韵胂螅鋬?yōu)越性是很明顯的，其市場也不可忽視。