燃料電池優(yōu)缺點，燃料電池技術(shù)原理

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導讀：燃料電池優(yōu)缺點，燃料電池技術(shù)原理

大家都知道現(xiàn)在是互聯(lián)網(wǎng)時代更是科技強盛的時代，越來越多的汽車被生產(chǎn)出來越來越多的高科技被發(fā)現(xiàn)越來越多的疾病被 成功治療。這個時代的強大帶給了我們太多的便捷也創(chuàng)造很多，就比如電池我們常常見到的無非就是遙控的電池電動自行車的電瓶，但是小編想對各位小伙伴們說你不了解的還有很多，就比如我們今天要介紹的燃料電池，廢話不多說小編就為大家介紹一下燃料電池優(yōu)缺點吧。

燃料電池優(yōu)缺點：優(yōu)缺點

優(yōu)點：燃料電池是一種直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。從理論上來講,只要連續(xù)供給燃料,燃料電池便能連續(xù)發(fā)電,已被譽為是繼水力、火力、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。

發(fā)電效率高

燃料電池發(fā)電不受卡諾循環(huán)的限制。理論上,它的發(fā)電效率可達到85% ～90%,但由于工作時各種極化的限制,目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%～ 60%。若實現(xiàn)熱電聯(lián)供,燃料的總利用率可高達80%以上。

環(huán)境污染小

燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時,二氧化碳的排放量比熱機過程減少40%以上,這對緩解地球的溫室效應是十分重要的。另外,由于燃料電池的燃料氣在反應前必須脫硫,而且按電化學原理發(fā)電,沒有高溫燃燒過程,因此幾乎不排放氮和硫的氧化物,減輕了對大氣的污染。

比能量高

液氫燃料電池的比能量是鎳鎘電池的800倍,直接甲醇燃料電池的比能量比鋰離子電池(能量密度最高的充電電池)高10倍以上。目前,燃料電池的實際比能量盡管只有理論值的10%,但仍比一般電池的實際比能量高很多。

噪音低

燃料電池結(jié)構(gòu)簡單,運動部件少,工作時噪聲很低。即使在11MW級的燃料電池發(fā)電廠附近,所測得的噪音也低于55dB。

燃料范圍廣

對于燃料電池而言,只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料,例如天然氣、石油、煤炭等化石產(chǎn)物,或是沼氣、酒精、甲醇等,因此燃料電池非常符合能源多樣化的需求,可減緩主流能源的耗竭。

可靠性高

當燃料電池的負載有變動時,它會很快響應。無論處于額定功率以上過載運行或低于額定功率運行,它都能承受且效率變化不大。由于燃料電池的運行高度可靠,可作為各種應急電源和不間斷電源使用。

易于建設(shè)

燃料電池具有組裝式結(jié)構(gòu),安裝維修方便,不需要很多輔助設(shè)施。燃料電池電站的設(shè)計和制造相當方便。

缺點：(1)價格昂貴。燃料電池的價格是其他發(fā)電機組(內(nèi)燃機、燃氣輪機)的2—10倍。目前最先進的燃料電池系統(tǒng)的價格相當于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的價格。

(2)對燃料的要求很高。有些燃料電池只能用氫氣，有些燃料電池雖然能夠用天然氣，但必須脫硫，往往需要非常高效的過濾器，并且要經(jīng)常更換。

(3)維護比較專業(yè)。燃料電池的維護與其他的發(fā)電機組有很大不同，目前這方面的專業(yè)維護人員非常缺乏。燃料電池發(fā)生故障之后，往往只能運回生產(chǎn)廠家進行維修，還無法做到現(xiàn)場更換電池堆。

(4)燃料電池目前還處于研發(fā)階段，還不能做到規(guī)模生產(chǎn)。市場上已有的一些產(chǎn)品進入商業(yè)化的時間還很短。

燃料電池優(yōu)缺點：燃料電池

燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為同時沒有機械傳動部件，故沒有噪原料，排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見，從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

燃料電池優(yōu)缺點：技術(shù)原理

燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池

氫-氧燃料電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。電極應為： 負極：H2 +2OH-→2H2O +2e-

正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-

電池反應：H2+1/2O2==H2O

另外，只有燃料電池本體還不能工作，

必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

燃料電池通常由形成離子導電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。

在實用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H+）相關(guān)，發(fā)生的反應為：

燃料極：H2==2H++2e-（1）

空氣極：2H++1/2O2+2e-==H2O（2）

全體：H2+1/2O2==H2O（3）

在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-，H+移動到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應。e-經(jīng)由外部的負荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應。一系例的反應促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應，H2所具有的化學能轉(zhuǎn)變成了電能。但實際上，伴隨著電極的反應存在一定的電阻，會引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。 引起這些反應的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應面積成比。

PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進反應，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是對于低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限制。

磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。

相對PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用，而且還具有易于利用其高質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點。

MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應相關(guān)的電解質(zhì)（通常是為Li與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。

MCFC工作原理。空氣極的O2（空氣）和CO2與電相結(jié)合，生成CO32-（碳酸離子），電解質(zhì)將CO32-移到燃料極側(cè)，與作為燃料供給的H+相結(jié)合，放出e-，同時生成H2O和CO2。化學反應式如下：

燃料極：H2+CO32-==H2O+CO2+2e-（4）

空氣極：CO2+1/2O2+2e-==CO32-（5）

全體：H2+1/2O2==H2O（6）

在這一反應中，e-同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動實現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點是，必須要有有助于反應的CO32-離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)部直接生成H2的方法也已開發(fā)出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應生成H2，因此，可以等價地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。

SOFC是以陶瓷材料為主構(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構(gòu)成了O2-的導電體Y2O3（氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同，電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開發(fā)出了為避免應力集中的圓筒型。SOFC的反應式如下：

燃料極：H2+O2-==H2O+2e-（7）

空氣極：1/2O2+2e-==O2-（8）

全體：H2+1/2O2==H2O（9）

燃料極，H2經(jīng)電解質(zhì)而移動，與O2-反應生成H2O和e-?？諝鈽O由O2和e-生成O2-。全體同其他燃料電池一樣由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)成H2加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。

大家看完了小編的介紹之后大家是不是對于燃料電池優(yōu)缺點這個問題有了一定的了解了呢！相信大家看完了小編的介紹就算沒有太認真看完的小伙伴們也會對于燃料電池有了一定基本的了解了。世界這么大雖然我們沒辦法都走遍但我們可以多看看，讓我們的腦子來一場旅行吧。最后希望小編今天的介紹能夠幫助到大家。