燃料電池(Fuel Cell)

燃料電池是一種將燃料和氧化劑中存在的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣被分別送入燃料電池，從而產生奇妙的電力。從外表上看，它有正極和負極以及電解質，就像蓄電池一樣，但本質上它不能“儲存電力”，而是一個“發電廠”。

釋義

一種將燃料的化學能直接轉化為電能的發電設備。

簡介

燃料電池非常復雜，涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統和自動控制等理論，具有發電效率高、環境污染少的優點。一般來說，燃料電池具有以下特點：能量轉換效率高；它直接將燃料的化學能轉化為電能，而不經過燃燒過程，因此不受卡諾循環的限制。燃料電池系統的燃料電能轉換效率為45%~60%，而火力發電和核電的效率約為30%~40%。安裝位置靈活；燃料電池發電站占地面積小，建設周期短。電站的電源可以根據需要通過電池組進行組裝，非常方便。燃料電池非常適合作為集中式發電站或分布式發電站，或者作為住宅區、工廠和大型建筑中的獨立發電站。負荷響應快，運行質量高；燃料電池可以在幾秒鐘內從最低功率變為額定功率。

特點和原理

由于燃料電池可以將燃料的化學能直接轉化為電能，它不會像往常一樣改變鍋爐、汽輪機和發電機的能量形式，因此可以避免中間轉換的損失，并實現高發電效率。同時，還存在以下一些特征：

在滿負荷或部分負荷下可以保持高的發電效率；

無論設備的尺寸如何，都可以保持高的發電效率；

具有較強的過載能力；

通過與燃料供應裝置相結合，可以應用多種燃料；

發電輸出由電池組的輸出和組數決定，機組容量的自由度較大；

該電池體具有良好的負載響應，在電網調峰方面優于其他發電方式。

當使用天然氣和煤氣作為燃料時，NOX和SOX的排放量較小，并且環境兼容性良好。

這樣一種由燃料電池組成的發電系統對電力行業具有巨大的吸引力。

根據燃料電池工作溫度的不同，堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體聚合物質子膜燃料電池（PEMFC，也稱質子膜燃料細胞，工作溫度在100℃以內）和磷酸燃料電池（PAFC，工作溫度200℃）被稱為低溫燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC，工作溫度650℃）和固體氧化燃料電池（SOFC，工作溫度1000℃）被稱為高溫燃料電池，高溫燃料電池也被稱為為為高質量排氣而聯合開發的燃料電池。另一種分類是根據其發展的順序進行的。PAFC稱為第一代燃料電池，MCFC稱為第二代燃料電池和SOFC稱為第三代燃料電池。所有這些電池都需要使用可燃氣體作為發電燃料。

燃料電池的原理是一種電化學裝置，其組成與普通電池相同。它的單電池由正極和負極（負極是燃料電極，正極是氧化劑電極）和電解質組成。不同之處在于，普通電池中的活性物質儲存在電池中，從而限制了電池容量。燃料電池本身的陽極和陰極不包含活性物質，而只是催化轉換元件。因此，燃料電池是一種名副其實的將化學能轉化為電能的能量轉換機器。當電池工作時，燃料和氧化劑從外部供應以進行反應。原則上，只要不斷輸入反應物，不斷去除反應產物，燃料電池就可以持續發電。這里，以氫氧燃料電池為例來解釋燃料電池。

氫氧燃料電池的反應原理這個反應是電解水的反過程。電極應為：負極：H2+2OH-→2H2O+2當量-

正極：1/2O2 H2O 2e-→2小時-

電池反應：H2 1/2O2==H2O

此外，只有燃料電池體不能工作，必須有一套相應的輔助系統，包括反應物供應系統、除熱系統、排水系統、電氣性能控制系統和安全裝置。

燃料電池通常由形成離子導體的電解質板、布置在電解質板兩側的燃料電極（陽極）和空氣電極（陰極）以及兩側的氣體流動路徑組成。氣體流動路徑的功能是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能夠通過流動路徑。

在實際的燃料電池中，由于電解質的不同，通過電解質并與反應相關的離子的類型也不同。PAFC和PEMFC之間的反應與氫離子（H）有關，反應如下：

燃料電極：H2=2H2e-（1）

空氣電極：2h1/2o2e-=H2O（2）

全部：H2 1/2O2=H2O（3）

氫氧燃料電池的組成和反應循環圖

在燃料電極中，所供應的燃料氣體中的H2分解為H和e-，并且H移動到電解質中以與在空氣電極側供應的O2反應。E—通過外部負載回路，然后返回空氣極側，參與空氣極側的反作用。一系列的反應有助于電子不間斷地通過外部回路，從而構成發電。從上式中的反應式（3）可以看出，H2和O2產生的H2O沒有其他反應，H2所具有的化學能轉化為電能。但事實上，隨著電極的反應，存在一定的電阻，這會導致產生一些熱能，從而降低轉化為電能的比例。引起這些反應的一組電池被稱為模塊，產生的電壓通常小于一伏。因此，為了獲得大的輸出，有必要使用元件多層疊加的方法來獲得高電壓堆疊。對于模塊之間的電氣連接以及燃料氣和空氣之間的分離，采用了在上下表面上具有氣流路徑的稱為分離器的部件。PAFC和PEMFC的分離器均由碳材料制成。堆棧的輸出是確定的……

通過總電壓和電流的乘積，電流與電池中的反應面積成比例。

PAFC的電解質是濃磷酸水溶液，而PEMFC的電解質是質子導電聚合物膜。電極都是由多孔碳制成的。為了促進反應，使用Pt作為催化劑，燃料氣中的CO會引起中并降低電極性能。因此，在PAFC和PEMFC的應用中，尤其是在低溫下工作的PEMFC，必須限制燃料氣中的CO含量。

磷酸燃料電池的基本組成和反應原理如下：將燃料氣或城市燃氣加入蒸汽，送至重整器，將燃料轉化為H2、CO和蒸汽的混合物，并在變換反應器中通過催化劑將CO和水進一步轉化為H2和CO2。以這種方式處理的燃料氣體進入燃料堆的負電極（燃料電極），同時，氧氣被輸送到燃料堆的正電極（空氣電極）進行化學反應，并且通過催化劑的作用快速產生電能和熱能。

與PAFC和PEMFC相比，高溫燃料電池MCFC和SOFC不需要催化劑，以CO為主要成分的煤氣化氣體可以直接用作燃料，并且很容易利用其高質量的廢氣形成聯合循環發電。

MCFC主要組件。它包含與電極反應有關的電解質（通常是與Li和K混合的碳酸鹽），從上到下連接到它的兩個電極板（燃料電極和空氣電極），以及用于分別在兩個電極外部循環燃料氣體和氧化劑氣體的氣室和電極夾。電解質在MCFC的工作溫度約為600~700℃時處于熔融狀態，形成離子導體。電極為鎳基多孔體，氣室由耐腐蝕金屬制成。

MCFC的工作原理。空氣電極的O2（空氣）和CO2與電結合產生CO23-（碳酸根離子），電解質將CO23-移動到燃料電極側，燃料電極側與作為燃料供應的H結合釋放e-，同時產生H2O和CO2。化學反應式如下：

燃料電極：H2CO23-=H2O2-CO2（4）

空氣電極：CO2 1/2o2e-=CO23-（5）

全部：H2 1/2O2=H2O（6）

在這種反應中，與PAFC的情況一樣，e-從燃料電極釋放，并通過外回路返回到空氣電極，燃料電池通過外回路中e-的不間斷流動發電。此外，MCFC的最大特點是它必須含有有助于反應的CO23-離子，因此提供的氧化劑氣體必須含有碳酸氣體。此外，還開發了將催化劑填充到電池中，從而在電池內部改性作為天然氣主要成分的CH4，并在電池內部直接產生H2的方法。然而，當燃料是煤氣時，其主要成分CO與H2O反應生成H2。因此，CO可以等效地用作燃料。為了獲得更大的輸出，隔膜通常由鎳和不銹鋼制成。

SOFC主要由陶瓷材料組成，通常使用ZrO2_2（氧化鋯）作為電解質，它構成O2-的Y2O3（氧化釔）作為穩定的YSZ（穩定的氧化鋯）。在電極中，燃料電極由Ni和YSZ復合多孔體制成，空氣電極由LaMnO3（鑭錳氧化物）制成。使用LaCrO3（氧化鑭鉻）作為隔膜。為了避免不同的電池形狀和電解質之間不同的熱膨脹引起的裂紋，開發了在較低溫度下工作的SOFC。電池的形狀不僅像其他燃料電池一樣是扁平的，而且是圓柱形的，以避免應力集中。SOFC的反應式如下：

燃料電極：H2 O2-=H2O 2e-（7）

空氣電極：1/2O2 2e-=O2-（8）

全部：H2 1/2O2=H2O（9）

燃料電極，H2通過電解質并與O2-反應生成H2O和e-。空氣電極從O2和e-中產生O2-。與其他燃料電池一樣，H2O是由H2和O2產生的。在SOFC中，由于其在高溫下工作，天然氣的主要成分CH4可以在沒有其他催化劑的情況下直接升級為H2進行利用，而氣體的主要成分CO可以直接用作燃料。

分類

燃料電池可以分為許多類型。根據燃料處理方法的不同，可分為直接型、間接型和再生型。根據溫度的不同，直接燃料電池可分為三種類型：低溫、中溫和高溫。間接類型包括重整燃料電池和bi……

燃料電池。再生燃料電池包括光、電、熱和放射化學燃料電池。根據電解質類型的不同，可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、聚合物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體電解質燃料電池。燃料電池是一種將燃料和氧化劑中存在的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣被分別送入燃料電池，從而產生奇妙的電力。從外表上看，它有正極和負極以及電解質，就像蓄電池一樣，但本質上它不能“儲存電力”，而是一個“發電廠”。

釋義

一種將燃料的化學能直接轉化為電能的發電設備。

簡介

燃料電池非常復雜，涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統和自動控制等理論，具有發電效率高、環境污染少的優點。一般來說，燃料電池具有以下特點：能量轉換效率高；它直接將燃料的化學能轉化為電能，而不經過燃燒過程，因此不受卡諾循環的限制。燃料電池系統的燃料電能轉換效率為45%~60%，而火力發電和核電的效率約為30%~40%。安裝位置靈活；燃料電池發電站占地面積小，建設周期短。電站的電源可以根據需要通過電池組進行組裝，非常方便。燃料電池非常適合作為集中式發電站或分布式發電站，或者作為住宅區、工廠和大型建筑中的獨立發電站。負荷響應快，運行質量高；燃料電池可以在幾秒鐘內從最低功率變為額定功率。

特點和原理

由于燃料電池可以將燃料的化學能直接轉化為電能，它不會像往常一樣改變鍋爐、汽輪機和發電機的能量形式，因此可以避免中間轉換的損失，并實現高發電效率。同時，還存在以下一些特征：

在滿負荷或部分負荷下可以保持高的發電效率；

無論設備的尺寸如何，都可以保持高的發電效率；

具有較強的過載能力；

通過與燃料供應裝置相結合，可以應用多種燃料；

發電輸出由電池組的輸出和組數決定，機組容量的自由度較大；

該電池體具有良好的負載響應，在電網調峰方面優于其他發電方式。

當使用天然氣和煤氣作為燃料時，NOX和SOX的排放量較小，并且環境兼容性良好。

這樣一種由燃料電池組成的發電系統對電力行業具有巨大的吸引力。

根據燃料電池工作溫度的不同，堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體聚合物質子膜燃料電池（PEMFC，也稱質子膜燃料細胞，工作溫度在100℃以內）和磷酸燃料電池（PAFC，工作溫度200℃）被稱為低溫燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC，工作溫度650℃）和固體氧化燃料電池（SOFC，工作溫度1000℃）被稱為高溫燃料電池，高溫燃料電池也被稱為為為高質量排氣而聯合開發的燃料電池。另一種分類是根據其發展的順序進行的。PAFC稱為第一代燃料電池，MCFC稱為第二代燃料電池和SOFC稱為第三代燃料電池。所有這些電池都需要使用可燃氣體作為發電燃料。

燃料電池的原理是一種電化學裝置，其組成與普通電池相同。它的單電池由正極和負極（負極是燃料電極，正極是氧化劑電極）和電解質組成。不同之處在于，普通電池中的活性物質儲存在電池中，從而限制了電池容量。燃料電池本身的陽極和陰極不包含活性物質，而只是催化轉換元件。因此，燃料電池是一種名副其實的將化學能轉化為電能的能量轉換機器。當電池工作時，燃料和氧化劑從外部供應以進行反應。原則上，只要不斷輸入反應物，不斷去除反應產物，燃料電池就可以持續發電。這里，以氫氧燃料電池為例來解釋燃料電池。

氫氧燃料電池的反應原理這個反應是電解水的反過程。電極應為：負極：H2+2OH-→2H2O+2當量-

正極：1/2O2 H2O 2e-→2小時-

電池反應：H2 1/2O2==H2O

此外，只有燃料電池體不能工作，必須有一套相應的輔助系統，包括反應物供應系統、除熱系統、排水系統、電氣性能控制系統和安全裝置。

燃料電池通常由形成離子導體的電解質板、布置在電解質板兩側的燃料電極（陽極）和空氣電極（陰極）以及兩側的氣體流動路徑組成。氣體流動路徑的功能是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能夠通過流動路徑。

在實際的燃料電池中，由于電解質的不同，通過電解質并與反應相關的離子的類型也不同。PAFC和PEMFC之間的反應與氫離子（H）有關，反應如下：

燃料電極：H2=2H2e-（1）

空氣電極：2h1/2o2e-=H2O（2）

全部：H2 1/2O2=H2O（3）

氫氧燃料電池的組成和反應循環圖

在燃料電極中，所供應的燃料氣體中的H2分解為H和e-，并且H移動到電解質中以與在空氣電極側供應的O2反應。E—通過外部負載回路，然后返回空氣極側，參與空氣極側的反作用。一系列的反應有助于電子不間斷地通過外部回路，從而構成發電。從上式中的反應式（3）可以看出，H2和O2產生的H2O沒有其他反應，H2所具有的化學能轉化為電能。但事實上，隨著電極的反應，存在一定的電阻，這會導致產生一些熱能，從而降低轉化為電能的比例。引起這些反應的一組電池被稱為模塊，產生的電壓通常小于一伏。因此，為了獲得大的輸出，有必要使用元件多層疊加的方法來獲得高電壓堆疊。對于模塊之間的電氣連接以及燃料氣和空氣之間的分離，采用了在上下表面上具有氣流路徑的稱為分離器的部件。PAFC和PEMFC的分離器均由碳材料制成。堆棧的輸出是確定的……

通過總電壓和電流的乘積，電流與電池中的反應面積成比例。

PAFC的電解質是濃磷酸水溶液，而PEMFC的電解質是質子導電聚合物膜。電極都是由多孔碳制成的。為了促進反應，使用Pt作為催化劑，燃料氣中的CO會引起中并降低電極性能。因此，在PAFC和PEMFC的應用中，尤其是在低溫下工作的PEMFC，必須限制燃料氣中的CO含量。

磷酸燃料電池的基本組成和反應原理如下：將燃料氣或城市燃氣加入蒸汽，送至重整器，將燃料轉化為H2、CO和蒸汽的混合物，并在變換反應器中通過催化劑將CO和水進一步轉化為H2和CO2。以這種方式處理的燃料氣體進入燃料堆的負電極（燃料電極），同時，氧氣被輸送到燃料堆的正電極（空氣電極）進行化學反應，并且通過催化劑的作用快速產生電能和熱能。

與PAFC和PEMFC相比，高溫燃料電池MCFC和SOFC不需要催化劑，以CO為主要成分的煤氣化氣體可以直接用作燃料，并且很容易利用其高質量的廢氣形成聯合循環發電。

MCFC主要組件。它包含與電極反應有關的電解質（通常是與Li和K混合的碳酸鹽），從上到下連接到它的兩個電極板（燃料電極和空氣電極），以及用于分別在兩個電極外部循環燃料氣體和氧化劑氣體的氣室和電極夾。電解質在MCFC的工作溫度約為600~700℃時處于熔融狀態，形成離子導體。電極為鎳基多孔體，氣室由耐腐蝕金屬制成。

MCFC的工作原理。空氣電極的O2（空氣）和CO2與電結合產生CO23-（碳酸根離子），電解質將CO23-移動到燃料電極側，燃料電極側與作為燃料供應的H結合釋放e-，同時產生H2O和CO2。化學反應式如下：

燃料電極：H2CO23-=H2O2-CO2（4）

空氣電極：CO2 1/2o2e-=CO23-（5）

全部：H2 1/2O2=H2O（6）

在這種反應中，與PAFC的情況一樣，e-從燃料電極釋放，并通過外回路返回到空氣電極，燃料電池通過外回路中e-的不間斷流動發電。此外，MCFC的最大特點是它必須含有有助于反應的CO23-離子，因此提供的氧化劑氣體必須含有碳酸氣體。此外，還開發了將催化劑填充到電池中，從而在電池內部改性作為天然氣主要成分的CH4，并在電池內部直接產生H2的方法。然而，當燃料是煤氣時，其主要成分CO與H2O反應生成H2。因此，CO可以等效地用作燃料。為了獲得更大的輸出，隔膜通常由鎳和不銹鋼制成。

SOFC主要由陶瓷材料組成，通常使用ZrO2_2（氧化鋯）作為電解質，它構成O2-的Y2O3（氧化釔）作為穩定的YSZ（穩定的氧化鋯）。在電極中，燃料電極由Ni和YSZ復合多孔體制成，空氣電極由LaMnO3（鑭錳氧化物）制成。使用LaCrO3（氧化鑭鉻）作為隔膜。為了避免不同的電池形狀和電解質之間不同的熱膨脹引起的裂紋，開發了在較低溫度下工作的SOFC。電池的形狀不僅像其他燃料電池一樣是扁平的，而且是圓柱形的，以避免應力集中。SOFC的反應式如下：

燃料電極：H2 O2-=H2O 2e-（7）

空氣電極：1/2O2 2e-=O2-（8）

全部：H2 1/2O2=H2O（9）

燃料電極，H2通過電解質并與O2-反應生成H2O和e-。空氣電極從O2和e-中產生O2-。與其他燃料電池一樣，H2O是由H2和O2產生的。在SOFC中，由于其在高溫下工作，天然氣的主要成分CH4可以在沒有其他催化劑的情況下直接升級為H2進行利用，而氣體的主要成分CO可以直接用作燃料。

分類

燃料電池可以分為許多類型。根據燃料處理方法的不同，可分為直接型、間接型和再生型。根據溫度的不同，直接燃料電池可分為三種類型：低溫、中溫和高溫。間接類型包括重整燃料電池和bi……

燃料電池。再生燃料電池包括光、電、熱和放射化學燃料電池。根據電解質類型的不同，可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、聚合物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體電解質燃料電池。

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