燃料电池及新材料 燃料电池作为一种高效、清洁动力，现在已到达准商品化 或商品化阶段，本文介绍了以下几种典型燃料电池：AFC、 PAFC、PEMFC、MCFC、SOFC 的开展概略及运用价值。此外， 翔实介绍了它们的材料组成及特性，仔细分析了它们的商场 价值以及我国燃料电池往后的开展趋势。 1 导言 燃料电池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设备。燃料电池作业原理是：氢气或其 他燃料进入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氧化与 氧气复原的电化学反响，发生电流，输出电能。 燃料电池是继热能发电、水力发电和原子能发电之后的 第四种发电技能。运用电化学反响把燃料电池中燃料的化学 能（即吉布斯自由能）直接转化成电能，这样不会受卡诺循 环效应的约束，所以功率高；此外，燃料电池用燃料和氧气 作为反响物，有害气体（SOX，NOX）的排放量很少；由于在 整个过程中，没有机械传动，所以无噪声污染。因而，从节 约动力和维护生态环境的视点来看，燃料电池是一种很有发 展出路的发电技能。 到现在为止，现已呈现了很多种技能和结构类型的燃料 电池，可是依据电解质的不同，一般分为碱性燃料电池 （AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐电池（MCFC）、 固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子沟通膜燃料电池（PEMFC） 等五大类。其间前三种类型作业温度不大于 200℃，又称做 低温燃料电池，MCFC 和 SOFC 的作业温度大于 650℃，叫做 高温燃料电池。 2 燃料电池体系组成及特色 2.1 组成 燃料电池 PAFC 的结构最为典型，首要由四部分组成， 分别是呈多孔状况、涂有催化剂的阳极、阴极、阻隔电极的 离子导电电解质、集流体（图 1）。单电池发生的电压很低 （表 1），所以需求钯电池串联成电池堆来进步电压。燃料 电池整装机组由电池组、重整器与热沟通器（废热收回）、 直流-沟通转化设备、监控器一同构成。PAFC、AFC 和 MCFC 运用液态电解质，两个电极呈气、液、固三相触摸，而 SOFC 和 PEMFC 运用固态电解质仅呈两相触摸，故在结构上有所不 同。五种燃料电池的作业特性见表 1。 2.2 特色 2.2.1 高能量转化功率 燃料电池归于一种动力转化东西，能够将燃料的化学能 直接转化为电能而不必通过热能转化、机械能转化，所以不 受热机原理中卡诺循环的约束，能到达 40%以上的发电功率， 如 PAFC 的发电功率为 42%，MCFC 的发电功率大于 60%，比传 统的火电厂高的多。此外，燃料电池在发电的一起还出产热 水和低温蒸汽，电/热比大于 1.0，多呈汽电共生方法，其总 的能量转化功率高达 90%。 2.2.2 可靠性好 由于不需求通过热能转化，机械能转化等杂乱能量转 化，所以电池内运动零件很少，不会呈现内燃机滚动零件和 燃气涡轮损坏等导致的严重事故。套装机组能够在线监控， 能够主动操作。 2.2.3 利于环保 燃料电池与一般电厂比较，极大的下降了 CO2 排放，大 起伏削减粉尘、SO2 和 NOx 的排放，改进空气质量，一起水的 消费和废水排放大起伏下降。此外，燃料电池滚动机件少， 消除了一般电厂的噪声源。由于不需求焚烧，所以占地面积 小，安全可靠，这种发电方法合适设置在城区作电源。以汽 电共生方法可一起向旅馆、餐厅、办公楼、医院、百货公司 供给电力和热量大约需求 40～1000kW 的燃料电池；3～20kW 的燃料电池可供住所运用，高温燃料电池对热电厂的竞赛力 更高。能够在孤立的遥远市镇、矿区及戎行哨卡树立这种洁 净的小型汽电共生体系来供给电力、热水、暖气与空调，如 新疆等地的油气田，实用价值很高。 2.2.4 安稳性高 由于受负载要素及容量改变的影响不大，所以功率稳 定。负载跟随敏捷，可进步电力体系安稳度。 2.2.5 燃料挑选规模大 柴油、轻油、煤气、天然气、液化天然气、沼气、含氢 废气等皆可运用。 2.2.6 建厂时刻短 厂址挑选约束少、占地面积小，建厂时刻不超越两年， 可接近用户树立现场发电设备，削减了输电体系的费用。 由于燃料电池存在造价偏高、冷机发动时刻长、长时间使 用的试验数据短少、电池组寿数比机组寿数短等问题，所以 要想完成商品化氦需求进一步尽力。除 PAFC 以外其它技能 尚不行老练。 3 燃料电池的商场分析 燃料电池作为一种能量转化率高，循环寿数长的清洁型 新动力，在电动轿车、涣散电站、备用及辅佐电源、便携式 电源、可移动电源、特别场合动力源及军用范畴有着宽广的 运用远景。燃料电池运用首要概括为三方面。 3.1 交通运输 电动轿车，包含大型公共轿车、卡车、小卧车、轿车等， 要求在动力体系中的分量、本钱、寿数、一次加燃料行进距 离等方面均能优于或等于现代内燃机式轿车。一起也包含船 舶，如潜艇、货船等。它的特色便是用燃料电池配备的潜艇 没有红外信号排放，所以不易被对方发现。德国、瑞典均在 开展这类潜艇。将来还能够开展电动火车头，可建成完全省 去架空导线的电气化铁路。就电动轿车而言，燃料电池轿车 在乘客空间，运转路程，运转安全及造价方面都足以与传统 轿车竞赛。此外,它还具有燃料效能高和噪音、污染小的优 点，是未来轿车开展的重要方向之一。 3.2 固定式电站 现在燃料电池合适中、小型燃料电站，依据科学家的预 测，未来的电网体系很可能是现有的大电网和中小燃料电站 共存状况。大电网体系有其优越性的一起，也存在无法防止 的缺点，由于高电压长距离输电时有 6%一 8%的丢失，如热 量丢失等。假如运用涣散的中小型燃料电站，树立在公寓、 大学校园、医院、超级商场等处，就能够削减大电网送电损 失（输氢丢失一般仅为 3%）。据材料报道，像美国这样电力 工业已很兴旺的情况下，对燃料电池的商场需求仍然很大 （约为 17000MW 以上），所以说中小型涣散电站，有其共同 的优越性。作为人口大国，我国亦将是这样。现在，美国 lPugoPwer 公司已推出一种家用 3kw-5kw 级的