燃料電池,干電池,蓄電池的主要差別

【專家解說】：干電池 常用的一種是碳－鋅干電池（圖3）。負極是鋅做的圓筒，內有氯化銨作為電解質，少量氯化鋅、惰性填料及水調成的糊狀電解質，正極是四周裹以摻有二氧化錳的糊狀電解質的一根碳棒。電極反應是：負極處鋅原子成為鋅離子（Zn++），釋出電子，正極處銨離子(NH嬃)得到電子而成為氨氣與氫氣。用二氧化錳驅除氫氣以消除極化。電動勢約為1.5伏。 蓄電池 種類很多，共同的特點是可以經(jīng)歷多次充電、放電循環(huán)，反復使用。 概述 簡單地說，燃料電池(Fuel Cell)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。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。燃料電池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。 [編輯本段]燃料電池的特點 燃料電池十分復雜，涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等學科的有關理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點。總的來說，燃料電池具有以下特點： （1）能量轉化效率高 他直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料—電能轉換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。 （2）有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低 CO2排放因能量轉換效率高而大幅度降低，無機械振動。 （3）燃料適用范圍廣 （4）積木化強 規(guī)模及安裝地點靈活，燃料電池電站占地面積小，建設周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分布式電，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適 （5）負荷響應快，運行質量高 燃料電池在數(shù)秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率，而且電廠離負荷可以很近，從而改善了地區(qū)頻燃料電池原理率偏移和電壓波動，降低了現(xiàn)有變電設備和電流載波容量，減少了輸變線路投資和線路損失。 [編輯本段]“燃料”和“電池” 為了了解它的價值，讓我們分別研究一下“燃料”和“電池”這兩個詞。 為了利用煤或者石油這樣的燃料來發(fā)電，必須先燃燒煤或者石油。它們燃燒時產(chǎn)生的能量可以對水加熱而使之變成蒸汽，蒸汽則可以用來使渦輪發(fā)電機在磁場中旋轉。這樣就產(chǎn)生了電流。換句話說，我們是把燃料的化學能轉變?yōu)闊崮?，然后把熱能轉換為電能。在這種雙轉換的過程中，許多原來的化學能浪費掉了。然而，燃料非常便宜，雖有這種浪費，也不妨礙我們生產(chǎn)大量的電力，而無需昂貴的費用。還有可能把化學能直接轉換為電能，而無需先轉換為熱能。為此，我們必須使用電池。這種電池由一種或多種化學溶液組成，其中插入兩根稱為電極的金屬棒。每一電極上都進行特殊的化學反應，電子不是被釋出就是被吸收。一個電極上的電勢比另一個電極上的大，因此，如果這兩個電極用一根導線連接起來，電子就會通過導線從一個電極流向另一個電極。這樣的電子流就是電流，只要電池中進行化學反應，這種電流就會繼續(xù)下去。手電筒的電池是這種電池的一個例子。在某些情況下，當一個電池用完了以后，人們迫使電流返回流入這個電池，電池內會反過來發(fā)生化學反應，因此，電池能夠貯存化學能，并用于再次產(chǎn)生電流。汽車里的蓄電池就是這種可逆電池的一個例子。在一個電池里，浪費的化學能要少得多，因為其中只通過一個步驟就將化學能轉變?yōu)殡娔?。然而，電池中的化學物質都是非常昂貴的。鋅用來制造手電筒的電池。如果你試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來為整個城市準備電力，那么，一天就要花成本費數(shù)十億美元。 燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結合在一起的裝置。它是一種電池，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來進行化學反應。這些燃料的化學能也通過一個步驟就變?yōu)殡娔?，比通常通過兩步方式的能量損失少得多。于是，可以為人類提供的電量就大大地增加了。 目前，燃料電池按電解質劃分已有6個種類得到了發(fā)展，即堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell,AFC）、磷酸鹽型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）、固體氧化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）、固體聚合物燃料電池（Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又稱為質子交換膜燃料電池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）、及生物燃料電池（BEFC）。按工作溫度它們又分為高、中、低溫型燃料電池。工作溫度從室溫到373K(100℃)的為常溫燃料電池，如SPFC；工作溫度在373K(100℃)～573K(300℃)之間的為中溫燃料電池，如PAFC；工作溫度在873K(600℃)以上的為高溫燃料電池，如MCFC和SOFC。 燃料電池實質上是以控制氫彈爆炸的觀念設計，太空船上的燃料電池是用來聚集星際旅行之間的氫氣所產(chǎn)生的能量之用。太空船的太陽能板所聚集的電磁和太陽能將會轉換成電能，而電能會用來慢慢地將存放在燃料電池內的氫置換成燃料。燃料電池也內含了一小部份受控制量的可進行核分裂的物質，這些物質依序用來與氫核進行核反應。核反應在燃料電池內進行，在太空旅程中提供高能量并加速離子引擎來推進太空船。在最后的旅程階段，燃料電池提供了燃料火箭動力所需的氫。這整個過程受控在強大的電磁下，它能提供能量并且避免過量的能量外泄導致反應爐核心融毀。核反應的一項副產(chǎn)物——熱能，則被燃料電池的外壁吸收并轉換成供給電腦、維生系統(tǒng)和其他必要功用的電能。 經(jīng)過多年的探索，最有望用于汽車的是質子交換膜燃料電池。它的工作原理是：將氫氣送到負極，經(jīng)過催化劑（鉑）的作用，氫原子中兩個電子被分離出來，這兩個電子在正極的吸引下，經(jīng)外部電路產(chǎn)生電流，失去電子的氫離子（質子）可穿過質子交換膜（即固體電解質），在正極與氧原子和電子重新結合為水。由于氧可以從空氣中獲得，只要不斷給負極供應氫，并及時把水（蒸汽）帶走，燃料電池就可以不斷地提供電能。 世界上最小的燃料電池——直徑只有3毫米 美國科學家最近研制出世界上最小的燃料電池，這種電池的直徑只有3毫米，可以產(chǎn)生0.7伏的電壓并能持續(xù)供電30個小時，這種燃料電池可以在不消耗電的情況下發(fā)電，它由四個部分組成。上一層是儲水池，下層是一個裝有金屬氫化物的燃料堂，中間以一層薄膜隔開，在金屬氫化物的燃料堂下放，還有一組電極。薄膜上還有許多小孔，使得儲水池中的水分子可以以水蒸氣的形式進入燃料堂，水分子進入燃料堂后，與金屬氫化物發(fā)生生化學反應幷產(chǎn)生氫氣。氫氣隨之會充滿整個燃料堂，幷向上沖擊薄膜。阻止水流繼續(xù)流入，然后氫氣會在燃料堂下層的電極處發(fā)生化學反應，形成電流。 新電池體積非常的小，規(guī)模為 3x3x1毫米。而且沒有重力。其表現(xiàn)張力可以控制水流，這意味著即使處于移動的旋轉狀態(tài)下，也能夠很好的工作。因此它最適用于一些小電器?，F(xiàn)在，這種電池可以產(chǎn)生0.7伏電壓和一毫安電流，電燃料可以持續(xù)30小時左右。 [編輯本段]燃料電池的發(fā)明 雖然燃料電池這個名詞出現(xiàn)在人們 眼前的時間并不長，但它的歷史已經(jīng)可以追溯到100多年前了。在1889年，Ludwig Mond和Charles Langer兩位化學家想用空氣和工業(yè)煤氣制造一個實用的能提供電能的裝置，“燃料電池”一詞也就隨著他們的發(fā)明而誕生了?，F(xiàn)代燃料電池技術興起于20世紀60年代，為了給航天飛機尋找高效能的電能裝置， 美國宇航局跟GE公司合作開發(fā)了第一個現(xiàn)代意義上的燃料電池—質子交換膜燃料電池，這也是燃料電池商用化的開始。此后，歷經(jīng)40多年的發(fā)展，燃料電池的家族越發(fā)的人丁興旺，而應用領域也遍及各處。 [編輯本段]中國燃料電池技術的發(fā)展現(xiàn)狀 中國早在20世紀50年代就開展燃料電池方面的研究。中國在燃料電池關鍵材料、關鍵技術的創(chuàng)新方面取得了許多突破。中國政府十分注重燃料電池的研究開發(fā)，陸續(xù)開發(fā)出百瓦級-30kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動汽車等。燃料電池技術特別是質子交換膜燃料電池技術也得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出60kW、75kW等多種規(guī)格的質子交換膜燃料電池組，開發(fā)出電動轎車用凈輸出40kW、城市客車用凈輸出100kW燃料電池發(fā)動機，使中國的燃料電池技術跨入世界先進國家行列。 在當今全球能源緊張、油價高漲的時代，尋找新能源作為化石燃料的替代品是當務之急。因為氫能的優(yōu)勢明顯，清潔、高效，因此得到各國政府的大力支持，加上各種能源動力企業(yè)對燃料電池的發(fā)展信心十足，所以燃料電池未來市場將有巨大的上升空間。 盡管現(xiàn)在燃料電池的市場需求相當小，預計在隨后的十年間，隨著技術進步與規(guī)模經(jīng)濟效益，燃料電池的生產(chǎn)成本與使用成本將下降，競爭力提高，燃料電池潛在的市場將會逐步發(fā)展起來?，F(xiàn)在對于便攜式燃料電池的需求相當少，但便攜式燃料電池市場將是從現(xiàn)在到2011年甚至更長時間增長最快的市場。應用于消費電子產(chǎn)品的燃料電池系統(tǒng)在最近幾年中就會商業(yè)化。 [編輯本段]燃料電池技術分類 燃料電池的種類按不同的方法可大致分類如下： 1. 按燃料電池的運行機理分。 分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。 2. 按電解質的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質。 因此，燃料電池可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。在燃料電池中，磷酸燃料電池(PAFC)、質子交換膜燃料電池（PEMFC）可以冷起動和快起動，可以用作為移動電源，適應FCEV使用的要求，更加具有競爭力。 3. 按燃料類型分。 有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機燃料，汽油、柴油和天然氣等氣體燃料，有機燃料和氣體燃料必須經(jīng)過重整器"重整"為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。 4. 按燃料電池工作溫度分。 有低溫型，溫度低于200℃；中溫型，溫度為200～750℃；高溫型，溫度高于750℃。 在常溫下工作的燃料電池，例如質子交換膜燃料電池（PEMFC），這類燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學能絕大部分都能轉化為電能，只產(chǎn)生少量的廢熱和水，不產(chǎn)生污染大氣環(huán)境的氮氧化物。不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質量較輕。但催化劑鉑（Pt）會與工作介質中的一氧化碳（CO）發(fā)生作用后產(chǎn)生"中毒"現(xiàn)象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑（Pt）的價格很高，增加了燃料電池的成本。 另一類是在高溫（600～1000℃）下工作的燃料電池，例如熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），這類的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復合廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大，質量重，只適合用于大功率的發(fā)電廠中。 最實用的燃料電池是以氫或含富氫的氣體燃料，但是在自然界是不能直接獲得氫的，燃料電池氫的；來源通常是以石油燃料、甲醇、乙醇、沼氣、天然氣、石腦油和煤氣中，經(jīng)過重整、裂解等化學處理后來制取含富氫的氣體燃料。氧化劑則采用氧氣或空氣，最常見的是用空氣作為氧化劑。