第五章之燃料電池簡介-1

1、LOGO燃料電池燃料電池燃料電池概述燃料電池概述中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院研究背景全球能源消耗的增長全球能源消耗的增長全球全球CO2排放量持續(xù)增長排放量持續(xù)增長全球平均氣溫逐年攀升全球平均氣溫逐年攀升氣候變化帶來災難性后果氣候變化帶來災難性后果 能源短缺能源短缺和和環(huán)境污染環(huán)境污染是是全球所面臨的全球所面臨的巨大挑戰(zhàn)巨大挑戰(zhàn)全球全球CO2排放量排放量中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院使用新能源使用新能源，節(jié)能減排節(jié)能減排已經(jīng)成為大勢所趨，清潔、環(huán)保的已經(jīng)成為大勢所趨，清潔、環(huán)保的可再生能源將得到快速

2、發(fā)展可再生能源將得到快速發(fā)展過去十年，全球新能源領(lǐng)域投資總量過去十年，全球新能源領(lǐng)域投資總量增長迅猛增長迅猛全球新能源產(chǎn)業(yè)投資總量增長趨勢全球新能源產(chǎn)業(yè)投資總量增長趨勢世界能源更替趨勢世界能源更替趨勢中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院全球風力發(fā)電裝機容量增長情況全球風力發(fā)電裝機容量增長情況全球光伏發(fā)電裝機容量增長情況全球光伏發(fā)電裝機容量增長情況中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院國際能源消費經(jīng)過了木材、煤、石油、天然氣到太陽能國際能源消費經(jīng)過了木材、煤、石油、天然氣到太陽能/氫能的更替，整個更替過程使用的燃料

3、氫能的更替，整個更替過程使用的燃料含碳量逐步降低含碳量逐步降低；中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院 以以氫氣氫氣為燃料，不產(chǎn)生碳排放為燃料，不產(chǎn)生碳排放 節(jié)能、環(huán)保、綠色、可再生節(jié)能、環(huán)保、綠色、可再生 氫能：發(fā)展趨勢、各國發(fā)展戰(zhàn)略氫能：發(fā)展趨勢、各國發(fā)展戰(zhàn)略 目前正研究通過光伏等制氫目前正研究通過光伏等制氫 燃料電池燃料電池利用氫氣發(fā)電利用氫氣發(fā)電 氫能的最佳利用氫能的最佳利用 國際研究前沿、熱點國際研究前沿、熱點5.1.燃料電池概述5.1.1 簡介簡介 (1)什么是燃料電池？什么是燃料電池？簡單地說，燃料電池簡單地說，燃料電池1 1(Fuel C

4、ell，簡稱，簡稱FC)是一種將存是一種將存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學裝置。在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學裝置。 作為一種新型化學電源，燃料作為一種新型化學電源，燃料電池是繼火電、水電和核電之電池是繼火電、水電和核電之后的第四種發(fā)電方式與火力后的第四種發(fā)電方式與火力發(fā)電相比，關(guān)鍵的區(qū)別在于燃發(fā)電相比，關(guān)鍵的區(qū)別在于燃料電池的能量轉(zhuǎn)變過程是直接料電池的能量轉(zhuǎn)變過程是直接方式，如圖方式，如圖 1-1 所示所示(2) 燃料電池發(fā)展過程中的重大事件 1839年，格羅夫發(fā)明年，格羅夫發(fā)明“氣體伏打電池氣體伏打電池”，格羅夫也被稱，格羅夫也被稱為為“燃料電池之父燃料電池

5、之父”； 1889年，蒙德和朗格爾改進氫氧年，蒙德和朗格爾改進氫氧“氣體電池氣體電池”并正式確并正式確定其名稱為定其名稱為“燃料電池燃料電池”； 1896年，雅克研制成功第一個數(shù)百瓦（大約年，雅克研制成功第一個數(shù)百瓦（大約300瓦）的煤瓦）的煤燃料電池；燃料電池； 1897年，能斯特發(fā)明年，能斯特發(fā)明“能斯特物質(zhì)能斯特物質(zhì)”-YSZ（85%ZrO2+15%Y2O3),該物質(zhì)是目前廣泛使用的高溫固體氧該物質(zhì)是目前廣泛使用的高溫固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料；化物燃料電池的電解質(zhì)材料； 1899年，施密特發(fā)明第一個空氣擴散電極；年，施密特發(fā)明第一個空氣擴散電極； 1959年，培根和弗洛斯特研制成功

6、年，培根和弗洛斯特研制成功6KW堿性燃料電池堿性燃料電池系系統(tǒng)統(tǒng),并用來驅(qū)動叉車、圓盤鋸和電焊機；并用來驅(qū)動叉車、圓盤鋸和電焊機； 1959年，艾麗斯年，艾麗斯-查爾莫斯公司開發(fā)出第一輛堿性燃料電查爾莫斯公司開發(fā)出第一輛堿性燃料電池拖拉機，可以推動池拖拉機，可以推動3000lb(1lb=0.4536kg)的重物；的重物； 1960年，通用電氣公司開發(fā)成功年，通用電氣公司開發(fā)成功質(zhì)子交換膜燃料質(zhì)子交換膜燃料電池；電池； 1962年，質(zhì)子交換膜燃料電池應用于雙子星座飛船；年，質(zhì)子交換膜燃料電池應用于雙子星座飛船； 1965年，堿性燃料電池用于阿波羅登月飛船；年，堿性燃料電池用于阿波羅登月飛船； 1

7、967年，通用汽車開發(fā)成功第一輛堿性燃料電池電動汽年，通用汽車開發(fā)成功第一輛堿性燃料電池電動汽車車Electrovan； 1970年，科爾地什組裝了第一輛堿性燃料電池年，科爾地什組裝了第一輛堿性燃料電池-鉛酸電池鉛酸電池混合動力轎車；混合動力轎車； 1972年，杜邦公司和格羅特發(fā)明了全氟磺酸質(zhì)子交換膜；年，杜邦公司和格羅特發(fā)明了全氟磺酸質(zhì)子交換膜； 1979年，在美國紐約完成了年，在美國紐約完成了4.5MW磷酸燃料電池磷酸燃料電池電廠的電廠的測試；測試； 1986年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）開發(fā)成功第）開發(fā)成功第一輛磷酸燃料電池公共汽車；一輛磷酸燃料電池公

8、共汽車； (2) 燃料電池發(fā)展過程中的重大事件燃料電池發(fā)展過程中的重大事件 1986年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)成功第一輛磷酸燃年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)成功第一輛磷酸燃料電池公共汽車；料電池公共汽車； 1988年，第一艘堿性燃料電池潛艇在德國出現(xiàn)；年，第一艘堿性燃料電池潛艇在德國出現(xiàn)； 1991年，日本千葉縣的年，日本千葉縣的11MW磷酸燃料電池試驗電廠達到磷酸燃料電池試驗電廠達到設(shè)計功率；設(shè)計功率； 1993年，巴拉德電力系統(tǒng)公司開發(fā)成功第一輛質(zhì)子交換膜年，巴拉德電力系統(tǒng)公司開發(fā)成功第一輛質(zhì)子交換膜燃料電池公共汽車；燃料電池公共汽車； 1996年，美國加利福尼亞州的年，美國加利福尼亞

9、州的2MW 熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池試驗電廠開始供電；試驗電廠開始供電； -(2) 燃料電池發(fā)展過程中的重大事件燃料電池發(fā)展過程中的重大事件5.1.2 燃料電池的構(gòu)造燃料電池燃料電池 陰極陰極 陽極陽極 電解質(zhì)電解質(zhì) 典型的燃料電池的構(gòu)造如右下圖所示在陽極（負極）典型的燃料電池的構(gòu)造如右下圖所示在陽極（負極）上連續(xù)吹充氣態(tài)燃料，如氫氣在陰極（正極）上連續(xù)上連續(xù)吹充氣態(tài)燃料，如氫氣在陰極（正極）上連續(xù)吹充氧氣（或由空氣提供），這樣就可以在電極上連續(xù)吹充氧氣（或由空氣提供），這樣就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學反應，并產(chǎn)生電流由于電極上發(fā)生的反應發(fā)生電化學反應，并產(chǎn)生電流由于電極上發(fā)生的反

10、應大多為多相界面反應，大多為多相界面反應， 為提高反應速率，電極為提高反應速率，電極 一般采用多孔材料各一般采用多孔材料各 種燃料電池的材料也都種燃料電池的材料也都 有各自的特點有各自的特點燃料電池的基本反應5.1.3 燃料電池與電池的區(qū)別（1）相同點：將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，有許多）相同點：將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，有許多相似之處。相似之處。（2）不同點：燃料電池是能量轉(zhuǎn)換裝置）不同點：燃料電池是能量轉(zhuǎn)換裝置 電池是能量儲存裝置。電池是能量儲存裝置。 一次電池：一次電池：化學能儲存在電池物質(zhì)中化學能儲存在電池物質(zhì)中, 當電池放電電時當電池放電電時,電電池物質(zhì)發(fā)生化學反應，直到反應物質(zhì)全部反

11、應消耗完畢，池物質(zhì)發(fā)生化學反應，直到反應物質(zhì)全部反應消耗完畢，電池就再也發(fā)不出電了所以原電池所發(fā)出的最大電能等電池就再也發(fā)不出電了所以原電池所發(fā)出的最大電能等于參與電化學反應的化學物質(zhì)完全反應時所產(chǎn)生的電能于參與電化學反應的化學物質(zhì)完全反應時所產(chǎn)生的電能 二次電池：利用外部供給的電能，使電池反應向逆方向二次電池：利用外部供給的電能，使電池反應向逆方向進行，再生成電化學反應物質(zhì)從能量角度看，就是進行，再生成電化學反應物質(zhì)從能量角度看，就是將外將外部能量充給電池，使其再發(fā)電，實現(xiàn)反復使用的功能部能量充給電池，使其再發(fā)電，實現(xiàn)反復使用的功能燃料電池：從理論上講燃料電池：從理論上講, 只要不斷向其供給

12、燃料只要不斷向其供給燃料(陽極反應陽極反應物質(zhì)，如物質(zhì)，如H2), 及氧化劑及氧化劑(陰極反應物質(zhì)，如陰極反應物質(zhì)，如O2)，就可以連，就可以連續(xù)不斷地發(fā)電續(xù)不斷地發(fā)電,因而其容量是無限的因而其容量是無限的. 實際上，由于元件老實際上，由于元件老化和故障等原因，燃料電池有一定的壽命化和故障等原因，燃料電池有一定的壽命 嚴格地講，燃料電池是嚴格地講，燃料電池是電化學能量發(fā)生電化學能量發(fā)生器器，是以化學反應發(fā)電；一次電池是電化，是以化學反應發(fā)電；一次電池是電化學學能量生產(chǎn)能量生產(chǎn)裝置，可一次性將化學能轉(zhuǎn)變裝置，可一次性將化學能轉(zhuǎn)變成電能；二次電池是電化學能量的成電能；二次電池是電化學能量的儲存裝儲

13、存裝置置，可將化學反應能與電能可逆轉(zhuǎn)換。，可將化學反應能與電能可逆轉(zhuǎn)換。5.1.4 燃料電池的工作原理 雖然燃料電池的種類很多并雖然燃料電池的種類很多并且不同類型的燃料電池的電極反應且不同類型的燃料電池的電極反應各有不同，但都是由各有不同，但都是由陰極陰極陽極陽極電解質(zhì)電解質(zhì)這幾個基本單元構(gòu)成，其工這幾個基本單元構(gòu)成，其工作原理是一致的。作原理是一致的。 中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院由于它是把由于它是把燃料通過化燃料通過化學反應釋出的能量變?yōu)閷W反應釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵鲭娔茌敵觯员环Q為，所以被稱為燃料電池。燃料電池。它是它是利用氫利用氫和氧

14、生成水和氧生成水的過程來產(chǎn)的過程來產(chǎn)生電力的一種裝置。生電力的一種裝置。 燃料電池燃料電池工作原理工作原理: 通過物質(zhì)發(fā)生化學反應時連續(xù)地通過物質(zhì)發(fā)生化學反應時連續(xù)地向其供給活物質(zhì)向其供給活物質(zhì)(起反應的物質(zhì)起反應的物質(zhì))-燃料和氧化劑燃料和氧化劑, 促促使物質(zhì)發(fā)生化學反應時釋出的能量直接將其轉(zhuǎn)換為使物質(zhì)發(fā)生化學反應時釋出的能量直接將其轉(zhuǎn)換為電能。電能。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應的具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應的發(fā)電機發(fā)電機。它由正極、負極和夾在正負極中間的電。它由正極、負極和夾在正負極中間的

15、電解質(zhì)板所組成。解質(zhì)板所組成。工作時向負極供給燃料工作時向負極供給燃料(氫氫H2)，向正極供給氧化劑，向正極供給氧化劑(空空氣氣O2)。氫在負極分解成正離氫在負極分解成正離子子H+和電子和電子e-。氫離子進入氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在就接在外部電路中。在正極正極上上，空氣中的氧同電解液中，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。解反應的逆過程。 燃料氣（氫氣燃料氣（氫氣甲烷等）在陽極催化劑的作甲烷等）在陽

16、極催化劑的作用下發(fā)生用下發(fā)生氧化反應氧化反應，生成陽離子并給出自由電子；，生成陽離子并給出自由電子；氧化物（通常為氧氣）在陰極催化劑的作用下發(fā)氧化物（通常為氧氣）在陰極催化劑的作用下發(fā)生生還原反應還原反應，得到電子并產(chǎn)生陰離子；陽極產(chǎn)生，得到電子并產(chǎn)生陰離子；陽極產(chǎn)生的陽離子或者陰極產(chǎn)生的陰離子通過質(zhì)子導電而的陽離子或者陰極產(chǎn)生的陰離子通過質(zhì)子導電而電子絕緣的電解質(zhì)運動到相對應的另外一個電極電子絕緣的電解質(zhì)運動到相對應的另外一個電極上，生成反應產(chǎn)物并隨未反應完全的反應物一起上，生成反應產(chǎn)物并隨未反應完全的反應物一起排到電池外，與此同時，電子通過外電路由陽極排到電池外，與此同時，電子通過外電路由

17、陽極運動到陰極，使整個反應過程達到物質(zhì)的平衡與運動到陰極，使整個反應過程達到物質(zhì)的平衡與電荷的平衡，外部用電器就獲得了燃料電池所提電荷的平衡，外部用電器就獲得了燃料電池所提供的電能。供的電能。 下面以簡單的酸性電解質(zhì)氫氧燃料電池為例說明燃料下面以簡單的酸性電解質(zhì)氫氧燃料電池為例說明燃料電池的工作原理。電池的工作原理。 氫氣作為燃料被通入燃料電池的陽極，發(fā)生如下氧化氫氣作為燃料被通入燃料電池的陽極，發(fā)生如下氧化電極反應電極反應 H2 + 2H2O 2H3O+ + 2e- 氫氣在催化劑上被氧化成質(zhì)子，與水分子結(jié)合成水合氫氣在催化劑上被氧化成質(zhì)子，與水分子結(jié)合成水合質(zhì)子，同時釋放出兩個自由電子。質(zhì)子

18、，同時釋放出兩個自由電子。 電子通過電子導電的陽極向陰極方向運動，而水合質(zhì)電子通過電子導電的陽極向陰極方向運動，而水合質(zhì)子則通過酸性電解質(zhì)往陰極方向傳遞。在陰極上，氧氣在子則通過酸性電解質(zhì)往陰極方向傳遞。在陰極上，氧氣在電極上被還原，發(fā)生如下電極反應電極上被還原，發(fā)生如下電極反應 O2 + 4H3O+ + 4e- 6H2O 氧氣分子在催化劑的作用下，結(jié)合從電解質(zhì)傳遞過來氧氣分子在催化劑的作用下，結(jié)合從電解質(zhì)傳遞過來的水合質(zhì)子以及外電路傳遞過來的電子，生成水分子?？偟乃腺|(zhì)子以及外電路傳遞過來的電子，生成水分子。總的電池反應為：的電池反應為： 2H2 + O2 2H2O 從此可以看出，燃料電池是

19、一個能量轉(zhuǎn)化裝從此可以看出，燃料電池是一個能量轉(zhuǎn)化裝置，只要外界源源不斷地提供燃料和氧化劑，燃置，只要外界源源不斷地提供燃料和氧化劑，燃料電池就能持續(xù)發(fā)電。料電池就能持續(xù)發(fā)電。 從根本上講，燃料電池與普通一次電池一從根本上講，燃料電池與普通一次電池一樣，是使電化學反應的兩個電極半反應分別在陰樣，是使電化學反應的兩個電極半反應分別在陰極和陽極上發(fā)生，從而在外電路產(chǎn)生電流來發(fā)電極和陽極上發(fā)生，從而在外電路產(chǎn)生電流來發(fā)電的。所不同的是，普通一次電池，例如鋅錳電池，的。所不同的是，普通一次電池，例如鋅錳電池，是一個封閉體系，與外界只有能量交換而沒有物是一個封閉體系，與外界只有能量交換而沒有物質(zhì)交換。換

20、句話說，質(zhì)交換。換句話說，電池本身既作為能量的轉(zhuǎn)換電池本身既作為能量的轉(zhuǎn)換場所也同時作為電極物質(zhì)的儲存容器，場所也同時作為電極物質(zhì)的儲存容器， 當反應物消耗完時電池也就不能繼續(xù)提當反應物消耗完時電池也就不能繼續(xù)提供電能了。而燃料電池是一個供電能了。而燃料電池是一個敞開體系敞開體系，與外界不僅有能量的交換，也存在物質(zhì)的與外界不僅有能量的交換，也存在物質(zhì)的交換。外界為燃料電池提供反應所需的物交換。外界為燃料電池提供反應所需的物質(zhì)，并帶走反應產(chǎn)物。從這種意義上講，質(zhì)，并帶走反應產(chǎn)物。從這種意義上講，某些類型的電池也具有類似燃料電池的特某些類型的電池也具有類似燃料電池的特征，例如鋅空電池，空氣由大氣提

21、供，不征，例如鋅空電池，空氣由大氣提供，不斷更換鋅電極可以使電池持續(xù)工作。斷更換鋅電極可以使電池持續(xù)工作。 5.1.5 燃料電池的類型和各類型的特點 燃料電池的種類很多，分類方法也燃料電池的種類很多，分類方法也有多種。表有多種。表5-1的按電解質(zhì)的種類可分的按電解質(zhì)的種類可分為五種類型的燃料電池。為五種類型的燃料電池。中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院中南大學冶金科學與工程學院表5.1 燃料電池分類及特點燃燃料料電電池池堿性燃料電池（堿性燃料電池（AFC）磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料

22、電池（SOFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）H2/O2質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池 直接甲醇燃料電池（直接甲醇燃料電池（DMFC）燃燃料料電電池池工工 作作溫溫 度度低溫燃料電池低溫燃料電池 高溫燃料電池高溫燃料電池 AFCPEMFC PAFC MCFC SOFC 幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池直接碳燃料電池(DCFC)特特殊殊燃燃料料電電池池幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池直接碳燃料電池(DCFC

23、)特特殊殊燃燃料料電電池池燃料是液態(tài)的燃料是液態(tài)的甲醇，發(fā)展迅甲醇，發(fā)展迅速，商業(yè)潛力速，商業(yè)潛力大大幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池直接碳燃料電池(DCFC)特特殊殊燃燃料料電電池池以氫為基礎(chǔ)的利用可再以氫為基礎(chǔ)的利用可再生能源的閉合循環(huán)發(fā)電生能源的閉合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng) 幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池直接碳燃料電池(DCFC)特特殊殊燃燃料料電電池池唯一使用固唯一使用固體燃料的燃體燃料的燃料電池料電池5.1.6 燃料電池的特性特

24、特性性優(yōu)點優(yōu)點存在存在問題問題燃料來源廣泛燃料來源廣泛高效率高效率可靠性高可靠性高良好的環(huán)境效應良好的環(huán)境效應良好的操作性能良好的操作性能靈活性高靈活性高發(fā)展?jié)摿Υ蟀l(fā)展?jié)摿Υ? (1) 1) 高效率高效率 在燃料電池中在燃料電池中,燃料不是被燃燒變?yōu)闊崮苋剂喜皇潜蝗紵優(yōu)闊崮?而而是直接發(fā)電是直接發(fā)電, 不受卡諾熱機效率的限制。不受卡諾熱機效率的限制。理論上理論上講，燃料電池可將燃料能量的講，燃料電池可將燃料能量的90%轉(zhuǎn)化為可利用轉(zhuǎn)化為可利用的電和熱，實際效率可望在的電和熱，實際效率可望在80%以上以上 。這樣的高。這樣的高效率是史無前例的。效率是史無前例的。 燃料電池的效率與其規(guī)模無關(guān)，因

25、而在保持高燃料效燃料電池的效率與其規(guī)模無關(guān)，因而在保持高燃料效率時，燃料電池可在其半額定功率下運行。率時，燃料電池可在其半額定功率下運行。 封閉體系蓄電池與外界沒有物質(zhì)的交換封閉體系蓄電池與外界沒有物質(zhì)的交換, 比能量不會比能量不會隨時間變化隨時間變化,但是燃料電池由于不斷補充燃料但是燃料電池由于不斷補充燃料,隨著時間延隨著時間延長長,其輸出能量也越多。其輸出能量也越多。 燃料電池發(fā)電廠可設(shè)在用戶附近，這樣可大大減少傳燃料電池發(fā)電廠可設(shè)在用戶附近，這樣可大大減少傳輸費用及傳輸損失。燃料電池的另一個特點是在其發(fā)電的輸費用及傳輸損失。燃料電池的另一個特點是在其發(fā)電的同時可產(chǎn)生同時可產(chǎn)生熱水和蒸汽熱

26、水和蒸汽。其電熱輸出比約為。其電熱輸出比約為1.0，而汽輪機，而汽輪機為為0.5。這表明在相同的電負荷下，燃料電池的熱載為燃燒。這表明在相同的電負荷下，燃料電池的熱載為燃燒發(fā)電機的發(fā)電機的2倍。倍。 （2 2）可靠性）可靠性 與燃燒渦輪機循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)燃機相比，燃料電池的轉(zhuǎn)與燃燒渦輪機循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)燃機相比，燃料電池的轉(zhuǎn)動部件很少，因而系統(tǒng)更加安全可靠；動部件很少，因而系統(tǒng)更加安全可靠；電池組合是模塊結(jié)電池組合是模塊結(jié)構(gòu)構(gòu), , 維修方便；處于額定功率以上過載運行時維修方便；處于額定功率以上過載運行時, ,它也能承它也能承受而效率變化不大；當負載有變化時受而效率變化不大；當負載有變化時, ,它的響

27、應速度也快。它的響應速度也快。燃料電池系統(tǒng)發(fā)生的惟一事故就是效率降低。燃料電池系統(tǒng)發(fā)生的惟一事故就是效率降低。（3 3）良好的環(huán)境效益）良好的環(huán)境效益 當今世界的環(huán)境問題已經(jīng)威脅到了人類的生存和發(fā)展。當今世界的環(huán)境問題已經(jīng)威脅到了人類的生存和發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，本世紀經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，但是因為環(huán)境污染據(jù)統(tǒng)計，本世紀經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，但是因為環(huán)境污染造成的死亡人數(shù)卻超過了戰(zhàn)爭的死亡人數(shù)。而環(huán)境污染的造成的死亡人數(shù)卻超過了戰(zhàn)爭的死亡人數(shù)。而環(huán)境污染的發(fā)生，大多數(shù)是由于燃料的使用，尤其是各種燃料的燃燒發(fā)生，大多數(shù)是由于燃料的使用，尤其是各種燃料的燃燒過程。因而，解決環(huán)境問題的關(guān)鍵是要從根本上解決能源過

28、程。因而，解決環(huán)境問題的關(guān)鍵是要從根本上解決能源結(jié)構(gòu)問題，研究開發(fā)結(jié)構(gòu)問題，研究開發(fā)清潔能源技術(shù)清潔能源技術(shù)。而燃料電池正是符合。而燃料電池正是符合這一環(huán)境需求的高效潔凈能源。這一環(huán)境需求的高效潔凈能源。 燃料電池發(fā)電廠排放的氣體污染物僅為最嚴格的環(huán)境燃料電池發(fā)電廠排放的氣體污染物僅為最嚴格的環(huán)境標準的十分之一，溫室氣體標準的十分之一，溫室氣體CO2的的排放量也遠小于火力發(fā)排放量也遠小于火力發(fā)電廠。燃料電池中燃料的電化學反應副產(chǎn)物是水，其量極電廠。燃料電池中燃料的電化學反應副產(chǎn)物是水，其量極少，而且比一般火力發(fā)電廠排放的要清潔得多。因而，燃少，而且比一般火力發(fā)電廠排放的要清潔得多。因而，燃料電

29、池不僅消除或減少了水污染問題，也無需設(shè)置廢氣控料電池不僅消除或減少了水污染問題，也無需設(shè)置廢氣控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。 燃料電池發(fā)電廠沒有火力發(fā)電廠那樣的噪聲源，因而燃料電池發(fā)電廠沒有火力發(fā)電廠那樣的噪聲源，因而工作環(huán)境非常安靜；不產(chǎn)生大量廢棄物，因而占地面積也工作環(huán)境非常安靜；不產(chǎn)生大量廢棄物，因而占地面積也少。少。 燃料電池是各種能量轉(zhuǎn)換裝置中危險性最小的。這是燃料電池是各種能量轉(zhuǎn)換裝置中危險性最小的。這是因為它規(guī)模小，無燃燒循環(huán)系統(tǒng)，污染物排放量極少。因為它規(guī)模小，無燃燒循環(huán)系統(tǒng)，污染物排放量極少。 燃料電池的環(huán)境友好性是使其具有極強生命力和長遠發(fā)展?jié)撊剂想姵氐沫h(huán)境友好性是使其具有極強生命力和

30、長遠發(fā)展?jié)摿Φ闹饕颉ＡΦ闹饕颉?（4 4） 良好的操作性能良好的操作性能 燃料電池具有其它技術(shù)無可比擬的優(yōu)良的操作性能，節(jié)省了燃料電池具有其它技術(shù)無可比擬的優(yōu)良的操作性能，節(jié)省了運行費用。其發(fā)電系統(tǒng)對負載變動的響應速度快，無論處于額定運行費用。其發(fā)電系統(tǒng)對負載變動的響應速度快，無論處于額定功率以上的過載運行或低于額定功率的低載運行，它都能承受，功率以上的過載運行或低于額定功率的低載運行，它都能承受，并且發(fā)電效率波動不大，供電穩(wěn)定性高。并且發(fā)電效率波動不大，供電穩(wěn)定性高。 （5 5） 靈活性靈活性 燃料電池發(fā)電廠可在燃料電池發(fā)電廠可在2年內(nèi)建成投產(chǎn)，其效率與規(guī)模無關(guān)，年內(nèi)建成投產(chǎn)，其效率

31、與規(guī)模無關(guān)，可根據(jù)用戶需求而增減發(fā)電容量。這對電力公司和用戶來說是最可根據(jù)用戶需求而增減發(fā)電容量。這對電力公司和用戶來說是最關(guān)鍵的因素及經(jīng)濟利益所在。關(guān)鍵的因素及經(jīng)濟利益所在。 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是全自動運行，機械運動部件很少維護簡燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是全自動運行，機械運動部件很少維護簡單，費用低，適合用做偏遠地區(qū)單，費用低，適合用做偏遠地區(qū)環(huán)境惡劣以及特殊場合（如空環(huán)境惡劣以及特殊場合（如空間站和航天飛機）的電源。間站和航天飛機）的電源。 燃料電池電站采用模塊結(jié)構(gòu)，由工廠生產(chǎn)各種模塊，在電燃料電池電站采用模塊結(jié)構(gòu)，由工廠生產(chǎn)各種模塊，在電站現(xiàn)場集成，安裝，施工簡單，可靠性高，并且模塊容易更換，站現(xiàn)

32、場集成，安裝，施工簡單，可靠性高，并且模塊容易更換，維修方便。維修方便。 （6 6）燃料來源廣泛）燃料來源廣泛 燃料電池可以使用多種初級燃料，如天然氣燃料電池可以使用多種初級燃料，如天然氣煤氣煤氣甲醇甲醇乙醇乙醇汽油，也可以使用發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料，如褐汽油，也可以使用發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料，如褐煤煤廢木廢木廢紙，甚至城市垃圾，當然這些燃料需經(jīng)過重整處廢紙，甚至城市垃圾，當然這些燃料需經(jīng)過重整處理后才能使用。理后才能使用。（7 7）發(fā)展?jié)摿Γ┌l(fā)展?jié)摿?燃料電池在效率上的突破，使其可與所有的傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)燃料電池在效率上的突破，使其可與所有的傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)競爭。作為正在發(fā)展的技術(shù)，磷酸燃料電池

33、已有了令人鼓舞的競爭。作為正在發(fā)展的技術(shù)，磷酸燃料電池已有了令人鼓舞的進展。熔鹽碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，將在未來進展。熔鹽碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，將在未來1520年年內(nèi)產(chǎn)生飛躍性進步。而其它傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，如汽輪內(nèi)產(chǎn)生飛躍性進步。而其它傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，如汽輪機機內(nèi)燃機等，由于價格內(nèi)燃機等，由于價格污染等問題，其發(fā)展似乎走到了盡污染等問題，其發(fā)展似乎走到了盡頭。頭。5.1.6 燃料電池的特性特特性性優(yōu)點優(yōu)點存在存在問題問題市場價格昂貴市場價格昂貴高溫時壽命及高溫時壽命及穩(wěn)定性不理想穩(wěn)定性不理想燃料電池技燃料電池技術(shù)不夠普及術(shù)不夠普及沒有完善的燃沒有完善的燃料供應體系料供應

34、體系5.1.7 燃料電池的應用 燃料電池可以作為宇宙飛船，人造衛(wèi)星，燃料電池可以作為宇宙飛船，人造衛(wèi)星，宇宙空間站等航天系統(tǒng)的能源，也可以用于并網(wǎng)宇宙空間站等航天系統(tǒng)的能源，也可以用于并網(wǎng)發(fā)電的高效電站；它可以作為大型廠礦的獨立供發(fā)電的高效電站；它可以作為大型廠礦的獨立供電系統(tǒng)，也可作為城市工業(yè)區(qū)，繁華商業(yè)區(qū)，高電系統(tǒng)，也可作為城市工業(yè)區(qū)，繁華商業(yè)區(qū)，高層建筑物，邊遠地區(qū)和孤立海島的小型供電站，層建筑物，邊遠地區(qū)和孤立海島的小型供電站，此外，它還能用于大型通信設(shè)備和家庭的備用電此外，它還能用于大型通信設(shè)備和家庭的備用電源以及交通工具的牽引動力等。源以及交通工具的牽引動力等。 五種燃料電池各自處

35、于不同的發(fā)展階段。五種燃料電池各自處于不同的發(fā)展階段。 AFC是最成熟的燃料電池技術(shù)，其應用領(lǐng)域主要在空是最成熟的燃料電池技術(shù)，其應用領(lǐng)域主要在空間技術(shù)方面。在歐洲，間技術(shù)方面。在歐洲，AFC在陸地上的應用一直沒有間斷。在陸地上的應用一直沒有間斷。 PAFC試驗電廠的功率達到試驗電廠的功率達到1.311MW，50250KW的工作電站已進入商業(yè)化階段，但成本較高。的工作電站已進入商業(yè)化階段，但成本較高。 MCFC和和SOFC被認為最適合供發(fā)電，被認為最適合供發(fā)電，MCFC試驗電試驗電廠的功率達到廠的功率達到MW級，幾十至級，幾十至250KW工作電站接近商業(yè)工作電站接近商業(yè)化?；OFC的研究開發(fā)仍處于起步階段，功率小于的研究開發(fā)仍處于起步階段，功率小于100KW。 PEMFC在在90年代發(fā)展很快，特別是作為便攜式電源年代發(fā)展很快，特別是作為便攜式電源和機動車電源，但目前的成本太高，還無法與傳統(tǒng)電