請(qǐng)問(wèn)什么是燃料電池？

【專家解說(shuō)】：簡(jiǎn)單地說(shuō)，燃料電池（Fuel\r\nCell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能”儲(chǔ)電“而是一個(gè)”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。\r\n燃料電池十分復(fù)雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等學(xué)科的有關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，燃料電池具有以下特點(diǎn)：（1）能量轉(zhuǎn)化效率高　他直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)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(zhuǎn)換效率在45%~60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%~40%.\r\n（2）有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低　CO2排放因能量轉(zhuǎn)換效率高而大幅度降低，五機(jī)械振動(dòng)。\r\n（3）燃料適用范圍廣\r\n（4）積木化強(qiáng)　規(guī)模及安裝地點(diǎn)靈活，燃料電池電站占地面積小，建設(shè)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?zé)o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(dú)立電站都非常合適\r\n（5）負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高　燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率，而且電廠離負(fù)荷可以很近，從而改善了地區(qū)頻率偏移和電壓波動(dòng)，降低了現(xiàn)有變電設(shè)備和電流載波容量，減少了輸變線路投資和線路損失。\r\n為了了解它的價(jià)值，讓們分別研究一下”燃料“和”電池“這兩個(gè)詞。\r\n為了利用煤或者石油這樣的燃料來(lái)發(fā)電，必須先燃燒煤或者石油。它們?nèi)紵龝r(shí)產(chǎn)生的能量可以對(duì)水加熱而使之變成蒸汽，蒸汽則可以用來(lái)使渦輪發(fā)電機(jī)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了電流。換句話說(shuō)，們是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后把熱能轉(zhuǎn)換為電能。在這種雙轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，許多原來(lái)的化學(xué)能浪費(fèi)掉了。然而，燃料非常便宜，雖有這種浪費(fèi)，也不妨礙們生產(chǎn)大量的電力，而無(wú)需昂貴的費(fèi)用。還有可能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，而無(wú)需先轉(zhuǎn)換為熱能。為此，們必須使用電池。這種電池由一種或多種化學(xué)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(jìn)行特殊的化學(xué)反應(yīng)，電子不是被釋出就是被吸收。一個(gè)電極上的電勢(shì)比另一個(gè)電極上的大，因此，如果這兩個(gè)電極用一根導(dǎo)線連接起來(lái)，電子就會(huì)通過(guò)導(dǎo)線從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。這樣的電子流就是電流，只要電池中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這種電流就會(huì)繼續(xù)下去。手電筒的電池是這種電池的一個(gè)例子。在某些情況下，當(dāng)一個(gè)電池用完了以后，人們迫使電流返回流入這個(gè)電池，電池內(nèi)會(huì)反過(guò)來(lái)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，電池能夠貯存化學(xué)能，并用于再次產(chǎn)生電流。汽車?yán)锏男铍姵鼐褪沁@種可逆電池的一個(gè)例子。在一個(gè)電池里，浪費(fèi)的化學(xué)能要少得多，因?yàn)槠渲兄煌ㄟ^(guò)一個(gè)步驟就將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｈ欢?，電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來(lái)制造手電筒的電池。如果試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來(lái)為整個(gè)城市準(zhǔn)備電力，那么，一天就要花成本費(fèi)數(shù)十億美元。\r\n燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結(jié)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(lái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些燃料的化學(xué)能也通過(guò)一個(gè)步驟就變?yōu)殡娔埽韧ǔＭㄟ^(guò)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。\r\n目前，燃料電池按電解質(zhì)劃分已有6個(gè)種類得到了發(fā)展，即堿性燃料電池（Alkaline\r\nFuel\r\nCell，AFC）、磷酸鹽型燃料電池（Phosphoric\r\nAcid\r\nFuel\r\nCell，PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（Molten\r\nCarbonate\r\nFuel\r\nCell，MCFC）、固體氧化物型燃料電池（Solid\r\nOxide\r\nFuel\r\nCell，SOFC）、固體聚合物燃料電池（Solid\r\nPolymer\r\nFuel\r\nCell，SPFC，又稱為質(zhì)子交換膜燃料電池，Proton\r\nExchange\r\nMembrane\r\nFuel\r\nCell，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.\r\n燃料電池實(shí)質(zhì)上是以控制氫彈爆炸的觀念設(shè)計(jì)，太空船上的燃料電池是用來(lái)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(yáng)能板所聚集的電磁和太陽(yáng)能將會(huì)轉(zhuǎn)換成電能，而電能會(huì)用來(lái)慢慢地將存放在燃料電池內(nèi)的氫置換成燃料。燃料電池也內(nèi)含了一小部份受控制量的可進(jìn)行核分裂的物質(zhì)，這些物質(zhì)依序用來(lái)與氫核進(jìn)行核反應(yīng)。核反應(yīng)在燃料電池內(nèi)進(jìn)行，在太空旅程中提供高能量并加速離子引擎來(lái)推進(jìn)太空船。在最后的旅程階段，燃料電池提供了燃料火箭動(dòng)力所需的氫。這整個(gè)過(guò)程受控在強(qiáng)大的電磁下，它能提供能量并且避免過(guò)量的能量外泄導(dǎo)致反應(yīng)爐核心融毀。核反應(yīng)的一項(xiàng)副產(chǎn)物——熱能，則被燃料電池的外壁吸收并轉(zhuǎn)換成供給電腦、維生系統(tǒng)和其他必要功用的電能。\r\n經(jīng)過(guò)多年的探索，最有望用于汽車的是質(zhì)子交換膜燃料電池。它的工作原理是：將氫氣送到負(fù)極，經(jīng)過(guò)催化劑（鉑）的作用，氫原子中兩個(gè)電子被分離出來(lái)，這兩個(gè)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(zhì)子）可穿過(guò)質(zhì)子交換膜（即固體電解質(zhì)），在正極與氧原子和電子重新結(jié)合為水。由于氧可以從空氣中獲得，只要不斷給負(fù)極供應(yīng)氫，并及時(shí)把水（蒸汽）帶走，燃料電池就可以不斷地提供電能。