燃料电池是一种电化学的发电装置,不同于常规意义上的电池。燃料电池等温地按照电化学方式,直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程,因此不受到卡诺循环的限制,能量转化效率高(40%～60%)；环境友好,几乎不排放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少40%以上。正是由于这些突出的优越性,燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视,被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。
燃料电池的最佳燃料为氢。当地球上化石燃料逐渐减少时,人类赖以生存的能量将是核能和太阳能。那时,可以用核能、太阳能发电,以电解水的方法来制取氢。利用氢作为载能体,采用燃料电池技术,将氢与大气中的氧转化为各种用途的电能,如汽车动力、家庭用电等,那时的世界即进入氢能时代。
燃料电池的历史可以追溯到19世纪英国法官和科学家威廉·格罗夫(William Robert Grove)爵士的工作。1839年,格罗夫进行了电解实验——使用电将水分解成氢和氧。格罗夫推想,如果将氧和氢反应,就有可能使电解过程逆转产生电。为了证实这一理论,他将两条铂金带分别放入两个密封的瓶中,一个瓶中盛有氢,另一个瓶中盛有氧。当将这两个盛器浸入稀释的硫酸溶液时,电流开始在两个电极之间流动,气体的瓶中生成了水。为了升高所产生的电压,格罗夫将几个这种装置串联起来,终于得到了所谓的“气体电池”。
从该实验开始,迄今对燃料电池的研究已经有近170年的历史。1889年英国人Mond和Langer首先采用燃料电池名称,他们用空气和工业煤气制造了第一个实用的装置,并获得0.2A/cm2的电流密度。20世纪初,W.H.Nemst和F.Haber对碳的直接氧化式燃料电池进行了许多研究。20世纪中叶以来,燃料电池的研究得到迅速发展。20世纪50年代末,英国剑桥大学的培根教授用高压氢、氧气体演示了功率为5kW的燃料电池,工作温度为150℃。随后,建造了一个6kW的高压氢氧燃料电池的发电装置。进入60年代。由美国通用电气公司把该系统加以发展,成功地给阿波罗等登月飞船提供电力。随后,几兆瓦级的磷酸燃料电池的发电装置也研制成功,在日本东京湾附近示范。现在,200多台磷酸燃料电池电站在世界各地示范运行。日本前首相小泉纯一郎成为燃料电池轿车的第一位乘客。其官邸则使用质子交换膜燃料电池热电联供电站；燃料电池公共汽车在欧美十几个城市和中国北京进行预商业化示范；上千台燃料电池热电联供电站在日本的家庭示范工作,燃料电池已经站在商业化的门前。
2.燃料电池的原理
对于一个氧化还原反应,如
[O]+[R]→P
式中 [O]——氧化剂；
[R]——还原剂；
P——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,另一个为还原剂[C]的氧化反应,若e-代表电子,即有
以最简单的氢氧反应为例,即为
如图8.1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、做功,并构成总的电的回路。氧化剂发生还原反应的电极称为阴极。其反应过程称为阴极过程,对外电路按照原电池定义为正极。还原剂或燃料发生氧化反应的电极称为阳极,其反应过程称为阳极过程,对外电路定义为负极。
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图8.1 燃料电池工作原理示意图
燃料电池与常规电池不同,它的燃料和氧化剂不是储存在电池内,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,需要不间断地向电池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。
由于燃料电池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)。
3.燃料电池的特点
(1)高效。燃料电池按照电化学原理,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%～90%。但实际上,电池在工作时,由于受到各种极化的限制,目前各类电池实际的能量转化效率均在40%～60%的范围内。若实现热电联供,燃料的总利用率可以高达80%以上。
(2)环境友好。当燃料电池以富氢气体为燃料时,富氢气体是通过矿物燃料来制取的,由于燃料电池具有高的能量转换效率,所以其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上,这对于缓解地球的温室效应是十分重要的。
由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱除硫及其化合物,而且燃料电池是按照电化学原理发电。不经过热机的燃烧过程,所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物,减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时,它的化学反应产物仅为水,从根本上消除了氮氧化物、硫氧化物和二氧化碳等的排放。
(3)安静。燃料电池按照电化学原理工作,运动部件很少。因此它工作时安静,噪声很低。实验结果表明,距离40kW磷酸燃料电池电站4.6m的噪声水平是60d B。而4.5MW和11MW的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55d B的水平。
(4)可靠性高。碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠,可以作为各种应急电源和不间断电源使用。
4.燃料电池的分类
迄今已经研究开发出多种类型的燃料电池。最常用的分类方法是按照电池所采用的电解质分类。据此,可以将燃料电池分为碱性燃料电池,一般以氢氧化钾为电解质；磷酸型燃料电池,以浓磷酸为电解质；质子交换膜燃料电池。以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质；熔融碳酸盐型燃料电池。以熔融的锉-钾碳酸盐或铿-钠碳酸盐为电解质；固体氧化物燃料电池,以固体氧化物为氧离子导体,如以氧化性稳定的氧化锆膜为电解质。有时也按照电池温度对电池进行分类,分为低温(工作温度低于100℃)燃料电池,包括碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池；中温燃料电池(工作温度在100～300℃),包括培根型碱性燃料电池和磷酸型燃料电池；高温燃料电池(工作温度在以600～1000℃),包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。
5.燃料电池的应用
燃料电池是电池的一种,它具有常规电池(如锌锰干电池)的积木特性,即可由多台电池按照串联、并联的组合方式向外供电。因此,燃料电池既适用于集中发电,也以可用作各种规格的分散电源和可移动电源。
以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池已经成功地应用于载人航天飞行,作为Apollo登月飞船和航天飞机的船上主电源,证明了燃料电池高效和高可靠性。
以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池,至今已经有近百台。PC25(200kW)作为分散电站,在世界各地运行。不但为燃料电池电站运行取得了丰富的经验。而且证明燃料电池的高度可靠性,可以用做不间断电源。
质子交换膜燃料电池可以在室温快速启动,并可以按照负载要求,快速改变输出功率,它是电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源的最佳候选者。
以甲醇为燃料的直接甲醇型燃料电池是单晶电源、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。固体氧化物燃料电池可以与煤的气化构成联合循环,特别适宜于建造大型、中型电站。若将余热发电也计算在内,则其燃料的总发电效率可以达到70%～80%。熔融碳酸盐燃料电池可以采用净化煤气或天然气作为燃料,适宜于建造区域性分散电站。若将它的余热发电与利用均考虑在内,则燃料的总热电利用效率可以达到60%～70%。燃料电池的工作原理表明,当燃料电池发电机组以低功率运行时,它的能量转化效率不仅不会像热机过程那样降低,反而略有升高。因此,一旦采用燃料电池组向电网供电,那么如今令人头痛的电网调峰问题将得到解决。
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