燃料電池是繼水電、火電、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)，在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。燃料電池在幾乎沒(méi)有污染的情況下連續(xù)運(yùn)行。燃料電池的單位重量的電能輸出大，并且單位重量的輸出功率大。本文將介紹燃料電池的工作原理和分類(lèi)，并分析燃料電池和鋰離子電池的特點(diǎn)和比較。

 

燃料電池是如何工作的

燃料電池包含兩個(gè)電極，正極和負(fù)極，分別填充電解質(zhì)，兩個(gè)電極之間的間隙由可滲透膜組成。氫氣從負(fù)極進(jìn)入燃料，氧氣（或空氣）從正極進(jìn)入電池。通過(guò)催化劑的作用，負(fù)極中的氫原子分解為氫質(zhì)子和電子。

其中，質(zhì)子進(jìn)入電解質(zhì)，被氧“吸引”到膜的另一側(cè)，電子通過(guò)外部電路形成電流，然后到達(dá)正極。在正極催化劑的作用下，氫、質(zhì)子、氧和電子反應(yīng)形成水分子。這與水的電解正好相反，所以水是燃料電池唯一的排放物。利用這一原理，燃料電池在工作時(shí)可以不斷地向外界傳輸電力，是一種“發(fā)電機(jī)”。

 

 

燃料電池的類(lèi)型

 

根據(jù)燃料電池電解液

1.堿性燃料電池（AFC）：堿性燃料電池效率高，發(fā)展非常成熟，但其工作條件需要隔離CO2，其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在航空航天領(lǐng)域。

2.磷酸燃料電池（PAFC）：磷酸燃料電池技術(shù)被稱(chēng)為第一代燃料電池，是最接近商業(yè)燃料電池的技術(shù)，但磷酸燃料電池需要使用貴金屬鉑催化劑，成本高，工作溫度不夠高，廢熱利用價(jià)值低。

3.熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）：熔融碳酸鹽燃料細(xì)胞被稱(chēng)為第二代燃料電池。由于其工作溫度高，對(duì)電池材料的要求也很高。

4.固體氧化物燃料電池（SOFC）：固體氧化物燃料細(xì)胞被稱(chēng)為第三代燃料電池。它具有較高的工作效率，被認(rèn)為是最適合熱電聯(lián)產(chǎn)的，具有良好的性能。由于其工作溫度高，對(duì)電池材料的要求也很高。與質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）相比，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)更加明顯，如不使用貴金屬催化劑、燃料選擇性更高、廢熱溫度高、發(fā)電效率高。

5.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）：質(zhì)子交換膜燃油電池技術(shù)在不久的將來(lái)發(fā)展迅速。它使用更薄的聚合物膜作為電解質(zhì)，具有高比功率和低操作溫度。它特別適合作為便攜式電源和新能源汽車(chē)的車(chē)載電源。然而，目前的主要問(wèn)題是成本太高。

直接甲醇燃料電池（DMFC）是一種質(zhì)子交換膜燃料電池。仍處于開(kāi)發(fā)階段的DMFC使用全氟磺酸膜作為電解質(zhì)，其工作溫度為室溫至200°C。用于微型移動(dòng)電源。

 

根據(jù)燃料電池的運(yùn)行機(jī)制

● 酸性燃料電池

● 堿性燃料電池

 

根據(jù)燃料類(lèi)型

● 氫燃料電池

● 甲烷燃料電池

● 甲醇燃料電池

● 乙醇燃料電池

 

燃料電池可以使用什么燃料

燃料電池可以靈活地使用各種類(lèi)型的燃料。雖然氫氣是最常見(jiàn)的燃料來(lái)源（因此俗稱(chēng)氫燃料電池），但富含氫氣的燃料，如天然氣和氨也是可行的。

氫氣：當(dāng)使用太陽(yáng)能、風(fēng)能和水力發(fā)電等可再生電力生產(chǎn)氫氣時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程可以完全是碳中和的。氫燃料電池，使用氫氣作為燃料，在不向空氣中釋放二氧化碳或其他污染物的情況下產(chǎn)生電力、熱量和水。

天然氣：由于綠色氫氣尚未大規(guī)模生產(chǎn)，天然氣仍然是氫氣生產(chǎn)的主要來(lái)源。在這種情況下，燃料電池并非完全無(wú)排放，但它的排放量確實(shí)比石油和煤炭等其他燃料低得多。

氨：氨主要用作農(nóng)業(yè)肥料。近年來(lái)，一些公司致力于開(kāi)發(fā)綠色氨，這種氨可以通過(guò)水電解驅(qū)動(dòng)，通過(guò)替代能源生產(chǎn)氫氣，這使其成為一種替代低碳燃料。

 

 

燃料電池的特點(diǎn)和性能

1.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)電效率可以達(dá)到85%到90%。然而，由于工作過(guò)程中各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率約為40%至60%。如果實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料的總利用率可以高達(dá)80%。

2.減少環(huán)境污染

當(dāng)燃料電池使用天然氣等富氫氣體作為燃料時(shí)，與熱機(jī)過(guò)程相比，二氧化碳的排放減少了40%以上，這對(duì)緩解全球變暖效應(yīng)非常重要。

此外，由于燃料電池的燃料氣在反應(yīng)前必須脫硫，并且根據(jù)電化學(xué)原理發(fā)電，因此沒(méi)有高溫燃燒過(guò)程，因此幾乎沒(méi)有氮和硫氧化物的排放，減少了對(duì)大氣的污染。

3.高比能

液氫燃料電池的比能是鎳鎘電池的800倍，直接甲醇燃料電池的比能是鋰離子電池（能量密度最高的可充電電池）的10倍以上。目前，盡管燃料電池的實(shí)際比能僅為理論值的10%，但仍遠(yuǎn)高于普通電池的實(shí)際比能。

4.低噪音

該燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，運(yùn)行時(shí)噪音低。即使在11MW級(jí)燃料電池發(fā)電廠附近，測(cè)得的噪音也小于55dB。

對(duì)于燃料電池來(lái)說(shuō)，只要含有氫原子的物質(zhì)可以用作燃料，如天然氣、石油、煤炭等化石產(chǎn)品，或者沼氣、酒精、甲醇等，因此，燃料電池非常適合能源多樣化的需求，可以減緩主流能源的枯竭。

 

 

鋰離子電池與燃料電池的比較

燃料電池的工作原理：它的電池在不燃燒的情況下，通過(guò)氫氣和氧氣的化學(xué)作用直接轉(zhuǎn)化為電能，因此不會(huì)產(chǎn)生污染物，燃料利用率非常高。鋰電池的工作原理也是混合動(dòng)力的工作原理?，F(xiàn)在（處于初始階段）的大多數(shù)混合動(dòng)力車(chē)型都使用鋰電池。燃料電池不能儲(chǔ)存電力，也就是說(shuō)，它們立即使用，不加油就沒(méi)有電。換句話說(shuō)，鋰電池將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能再轉(zhuǎn)化為電能，而燃料電池則直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能量。

鋰電池可以儲(chǔ)存電力，易于攜帶，可以用作移動(dòng)電源的電池。鋰電池廣泛應(yīng)用于家用儲(chǔ)能、高爾夫球車(chē)、電動(dòng)輪和其他設(shè)備。鋰電池的常見(jiàn)規(guī)格是12v鋰離子電池。燃料電池誕生于電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車(chē)。這兩種電池都是汽車(chē)最受歡迎的電源。

● 在續(xù)航里程方面，燃料電池更有優(yōu)勢(shì)，幾乎是鋰離子電池的兩倍

● 燃料電池和鋰離子電池對(duì)環(huán)境的影響都很小。前者的燃燒產(chǎn)物是水，不產(chǎn)生汽油/柴油燃燒后產(chǎn)生的溫室氣體。鋰離子電池的放電產(chǎn)物可能是氧化鋰、氫氧化鋰等，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。此外，鋰離子電池是可重復(fù)使用的。

● 燃料電池將比鋰離子電池充電更快。

● 然而，由于鋰電池更加成熟，充電站和電池的成本遠(yuǎn)低于燃料電池。

這兩種類(lèi)型的電池都很有前景，但它們未來(lái)的發(fā)展方向可能不同。鋰電池更適合乘用車(chē)，而氫燃料電池更適合商用車(chē)。鋰離子電池系統(tǒng)更適合取代汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，氫燃料電池系統(tǒng)更適用于取代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。這就是目前技術(shù)研究集中在燃料電池商用車(chē)上的原因。對(duì)于燃料電池和其他電池的比較，也可以參考液流電池與燃料電池。