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你真知道燃料电池的原理吗?

2019-10-25 浏览次数:1,956 次 国际能源研究中心

在1969年随同美国阿波罗飞船登上了月球的电源装置,是以其独特性能而引起世人瞩目的“燃料电池”。随后,到70年代初这种电源才逐步转为民用,并得到了突飞猛进的发展。现在,燃料电池发电技术在美、日等国已进入到商业化阶段,并已制成1万千瓦级的大容量电池,同时还出现了燃料电池——燃气轮机——汽轮发电机联合运转的发电厂。

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所谓“燃料电池”,从原理上讲,和传统的化学电池基本相同,也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是:传统电池的内部物质事先充填好,化学反应结束后,不能再供电;而燃料电池进行化学反应所用的物质是由外部不断充填的,因此,它能够源源不断地发电。这是燃料电池最显著的特征。

燃料电池的工作原理是,作为反应物的原燃料,天然气、石油、甲醇等,经过“燃料改质装置”分离出氢后,进入电池本体,另一端的空气中氧也进入电池本体,分别供给电池的电极,通过电解质使氢氧发生电化学反应,产生电位差,而形成低压直流电输出。

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由于燃料电池是将物质的化学能直接转变为电能,因此其效率较高,按理论计算可以达到90%。但实际上燃料电池在进行化学反应中还有“费功”损耗,因此,最高只能达到60%~70%。

燃料电池主要由燃料、氧化剂、电极、电解液等组成。它所使用的燃料十分广泛,例如,天然气、石油、甲醇、液氨、肼、烃、氢等。这种电池可以根据需要设计不同的容量,主要取决于“单片电池”的数量。单片电池由正极(接空气极板)、负极(接燃料极板)和电解质容器以及上下绝缘隔板4部分组成。根据需要,把单片电池串联起来,就可得到所需电压和功率数。

这种电池的化学反应过程简单地说就是:在负极(氢极)一侧,依靠催化剂(白金电极)使氢(H2)离子化,成为易于反应的(H+)状态,这些分离出的氢离子通过电解液:例如苛性钾(KOH)等输送到正极(氧极即空气极),而被分离开的电子则经过外部电路也移到正极上,电子移动的过程就是产生电流过程,而在正极上氧分子和氢离子化合,产生水——这样一个过程就完成了产生电能的过程。

负极和正极分别由外部连续不断地供应氢(燃料)和氧(空气),这种反应连续不断地进行,在外部电路中电子也不断地流动,这就是我们所需要的电流。

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说起来,燃料电池的基本原理和化学反应机理虽不难懂,但真正作为系统工作,其工艺设计自然也是非常复杂的。

燃料电池所用的电解质对燃料电池的发电性能,特别是效率影响很大。

作为将化学能直接转换成电能的新型发电技术的应用,燃料电池具有许多独特优点。

一是热损耗小,发电效率高,一般可达到40%~50%,最高可望达到60%~70%,而且不受负荷变动的影响。目前,国际上火电厂的效率不超过40%,在我国的燃煤电厂效率才27%~28%。

二是低污染,燃料电池在发电过程中,既不需要锅炉、燃烧器等燃烧设备,也不需要汽轮机等高速旋转设备,因此,既不排放温室效应物质和有毒物质,也没有噪音干扰。

三是原燃料适应性强,燃料电池所用燃料可以多种多样,它都能“消化”,煤、油、气等都可以。

四是用途广,可用于宇宙航天、航空和地面动力供电,适于布置在城乡、海岛、居民区和企业内部热电负荷区。

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