燃料电池(Fuel Cell)

燃料电池是一种将燃料和氧化剂中存在的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气被分别送入燃料电池，从而产生奇妙的电力。从外表上看，它有正极和负极以及电解质，就像蓄电池一样，但本质上它不能“储存电力”，而是一个“发电厂”。

释义

一种将燃料的化学能直接转化为电能的发电设备。

简介

燃料电池非常复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统和自动控制等理论，具有发电效率高、环境污染少的优点。一般来说，燃料电池具有以下特点：能量转换效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能，而不经过燃烧过程，因此不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料电能转换效率为45%~60%，而火力发电和核电的效率约为30%~40%。安装位置灵活；燃料电池发电站占地面积小，建设周期短。电站的电源可以根据需要通过电池组进行组装，非常方便。燃料电池非常适合作为集中式发电站或分布式发电站，或者作为住宅区、工厂和大型建筑中的独立发电站。负荷响应快，运行质量高；燃料电池可以在几秒钟内从最低功率变为额定功率。

特点和原理

由于燃料电池可以将燃料的化学能直接转化为电能，它不会像往常一样改变锅炉、汽轮机和发电机的能量形式，因此可以避免中间转换的损失，并实现高发电效率。同时，还存在以下一些特征：

在满负荷或部分负荷下可以保持高的发电效率；

无论设备的尺寸如何，都可以保持高的发电效率；

具有较强的过载能力；

通过与燃料供应装置相结合，可以应用多种燃料；

发电输出由电池组的输出和组数决定，机组容量的自由度较大；

该电池体具有良好的负载响应，在电网调峰方面优于其他发电方式。

当使用天然气和煤气作为燃料时，NOX和SOX的排放量较小，并且环境兼容性良好。

这样一种由燃料电池组成的发电系统对电力行业具有巨大的吸引力。

根据燃料电池工作温度的不同，碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体聚合物质子膜燃料电池（PEMFC，也称质子膜燃料细胞，工作温度在100℃以内）和磷酸燃料电池（PAFC，工作温度200℃）被称为低温燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC，工作温度650℃）和固体氧化燃料电池（SOFC，工作温度1000℃）被称为高温燃料电池，高温燃料电池也被称为为为高质量排气而联合开发的燃料电池。另一种分类是根据其发展的顺序进行的。PAFC称为第一代燃料电池，MCFC称为第二代燃料电池和SOFC称为第三代燃料电池。所有这些电池都需要使用可燃气体作为发电燃料。

燃料电池的原理是一种电化学装置，其组成与普通电池相同。它的单电池由正极和负极（负极是燃料电极，正极是氧化剂电极）和电解质组成。不同之处在于，普通电池中的活性物质储存在电池中，从而限制了电池容量。燃料电池本身的阳极和阴极不包含活性物质，而只是催化转换元件。因此，燃料电池是一种名副其实的将化学能转化为电能的能量转换机器。当电池工作时，燃料和氧化剂从外部供应以进行反应。原则上，只要不断输入反应物，不断去除反应产物，燃料电池就可以持续发电。这里，以氢氧燃料电池为例来解释燃料电池。

氢氧燃料电池的反应原理这个反应是电解水的反过程。电极应为：负极：H2+2OH-→2H2O+2当量-

正极：1/2O2 H2O 2e-→2小时-

电池反应：H2 1/2O2==H2O

此外，只有燃料电池体不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应物供应系统、除热系统、排水系统、电气性能控制系统和安全装置。

燃料电池通常由形成离子导体的电解质板、布置在电解质板两侧的燃料电极（阳极）和空气电极（阴极）以及两侧的气体流动路径组成。气体流动路径的功能是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能够通过流动路径。

在实际的燃料电池中，由于电解质的不同，通过电解质并与反应相关的离子的类型也不同。PAFC和PEMFC之间的反应与氢离子（H）有关，反应如下：

燃料电极：H2=2H2e-（1）

空气电极：2h1/2o2e-=H2O（2）

全部：H2 1/2O2=H2O（3）

氢氧燃料电池的组成和反应循环图

在燃料电极中，所供应的燃料气体中的H2分解为H和e-，并且H移动到电解质中以与在空气电极侧供应的O2反应。E—通过外部负载回路，然后返回空气极侧，参与空气极侧的反作用。一系列的反应有助于电子不间断地通过外部回路，从而构成发电。从上式中的反应式（3）可以看出，H2和O2产生的H2O没有其他反应，H2所具有的化学能转化为电能。但事实上，随着电极的反应，存在一定的电阻，这会导致产生一些热能，从而降低转化为电能的比例。引起这些反应的一组电池被称为模块，产生的电压通常小于一伏。因此，为了获得大的输出，有必要使用元件多层叠加的方法来获得高电压堆叠。对于模块之间的电气连接以及燃料气和空气之间的分离，采用了在上下表面上具有气流路径的称为分离器的部件。PAFC和PEMFC的分离器均由碳材料制成。堆栈的输出是确定的……

通过总电压和电流的乘积，电流与电池中的反应面积成比例。

PAFC的电解质是浓磷酸水溶液，而PEMFC的电解质是质子导电聚合物膜。电极都是由多孔碳制成的。为了促进反应，使用Pt作为催化剂，燃料气中的CO会引起中并降低电极性能。因此，在PAFC和PEMFC的应用中，尤其是在低温下工作的PEMFC，必须限制燃料气中的CO含量。

磷酸燃料电池的基本组成和反应原理如下：将燃料气或城市燃气加入蒸汽，送至重整器，将燃料转化为H2、CO和蒸汽的混合物，并在变换反应器中通过催化剂将CO和水进一步转化为H2和CO2。以这种方式处理的燃料气体进入燃料堆的负电极（燃料电极），同时，氧气被输送到燃料堆的正电极（空气电极）进行化学反应，并且通过催化剂的作用快速产生电能和热能。

与PAFC和PEMFC相比，高温燃料电池MCFC和SOFC不需要催化剂，以CO为主要成分的煤气化气体可以直接用作燃料，并且很容易利用其高质量的废气形成联合循环发电。

MCFC主要组件。它包含与电极反应有关的电解质（通常是与Li和K混合的碳酸盐），从上到下连接到它的两个电极板（燃料电极和空气电极），以及用于分别在两个电极外部循环燃料气体和氧化剂气体的气室和电极夹。电解质在MCFC的工作温度约为600~700℃时处于熔融状态，形成离子导体。电极为镍基多孔体，气室由耐腐蚀金属制成。

MCFC的工作原理。空气电极的O2（空气）和CO2与电结合产生CO23-（碳酸根离子），电解质将CO23-移动到燃料电极侧，燃料电极侧与作为燃料供应的H结合释放e-，同时产生H2O和CO2。化学反应式如下：

燃料电极：H2CO23-=H2O2-CO2（4）

空气电极：CO2 1/2o2e-=CO23-（5）

全部：H2 1/2O2=H2O（6）

在这种反应中，与PAFC的情况一样，e-从燃料电极释放，并通过外回路返回到空气电极，燃料电池通过外回路中e-的不间断流动发电。此外，MCFC的最大特点是它必须含有有助于反应的CO23-离子，因此提供的氧化剂气体必须含有碳酸气体。此外，还开发了将催化剂填充到电池中，从而在电池内部改性作为天然气主要成分的CH4，并在电池内部直接产生H2的方法。然而，当燃料是煤气时，其主要成分CO与H2O反应生成H2。因此，CO可以等效地用作燃料。为了获得更大的输出，隔膜通常由镍和不锈钢制成。

SOFC主要由陶瓷材料组成，通常使用ZrO2_2（氧化锆）作为电解质，它构成O2-的Y2O3（氧化钇）作为稳定的YSZ（稳定的氧化锆）。在电极中，燃料电极由Ni和YSZ复合多孔体制成，空气电极由LaMnO3（镧锰氧化物）制成。使用LaCrO3（氧化镧铬）作为隔膜。为了避免不同的电池形状和电解质之间不同的热膨胀引起的裂纹，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池的形状不仅像其他燃料电池一样是扁平的，而且是圆柱形的，以避免应力集中。SOFC的反应式如下：

燃料电极：H2 O2-=H2O 2e-（7）

空气电极：1/2O2 2e-=O2-（8）

全部：H2 1/2O2=H2O（9）

燃料电极，H2通过电解质并与O2-反应生成H2O和e-。空气电极从O2和e-中产生O2-。与其他燃料电池一样，H2O是由H2和O2产生的。在SOFC中，由于其在高温下工作，天然气的主要成分CH4可以在没有其他催化剂的情况下直接升级为H2进行利用，而气体的主要成分CO可以直接用作燃料。

分类

燃料电池可以分为许多类型。根据燃料处理方法的不同，可分为直接型、间接型和再生型。根据温度的不同，直接燃料电池可分为三种类型：低温、中温和高温。间接类型包括重整燃料电池和bi……

燃料电池。再生燃料电池包括光、电、热和放射化学燃料电池。根据电解质类型的不同，可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、聚合物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体电解质燃料电池。燃料电池是一种将燃料和氧化剂中存在的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气被分别送入燃料电池，从而产生奇妙的电力。从外表上看，它有正极和负极以及电解质，就像蓄电池一样，但本质上它不能“储存电力”，而是一个“发电厂”。

释义

一种将燃料的化学能直接转化为电能的发电设备。

简介

燃料电池非常复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统和自动控制等理论，具有发电效率高、环境污染少的优点。一般来说，燃料电池具有以下特点：能量转换效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能，而不经过燃烧过程，因此不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料电能转换效率为45%~60%，而火力发电和核电的效率约为30%~40%。安装位置灵活；燃料电池发电站占地面积小，建设周期短。电站的电源可以根据需要通过电池组进行组装，非常方便。燃料电池非常适合作为集中式发电站或分布式发电站，或者作为住宅区、工厂和大型建筑中的独立发电站。负荷响应快，运行质量高；燃料电池可以在几秒钟内从最低功率变为额定功率。

特点和原理

由于燃料电池可以将燃料的化学能直接转化为电能，它不会像往常一样改变锅炉、汽轮机和发电机的能量形式，因此可以避免中间转换的损失，并实现高发电效率。同时，还存在以下一些特征：

在满负荷或部分负荷下可以保持高的发电效率；

无论设备的尺寸如何，都可以保持高的发电效率；

具有较强的过载能力；

通过与燃料供应装置相结合，可以应用多种燃料；

发电输出由电池组的输出和组数决定，机组容量的自由度较大；

该电池体具有良好的负载响应，在电网调峰方面优于其他发电方式。

当使用天然气和煤气作为燃料时，NOX和SOX的排放量较小，并且环境兼容性良好。

这样一种由燃料电池组成的发电系统对电力行业具有巨大的吸引力。

根据燃料电池工作温度的不同，碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体聚合物质子膜燃料电池（PEMFC，也称质子膜燃料细胞，工作温度在100℃以内）和磷酸燃料电池（PAFC，工作温度200℃）被称为低温燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC，工作温度650℃）和固体氧化燃料电池（SOFC，工作温度1000℃）被称为高温燃料电池，高温燃料电池也被称为为为高质量排气而联合开发的燃料电池。另一种分类是根据其发展的顺序进行的。PAFC称为第一代燃料电池，MCFC称为第二代燃料电池和SOFC称为第三代燃料电池。所有这些电池都需要使用可燃气体作为发电燃料。

燃料电池的原理是一种电化学装置，其组成与普通电池相同。它的单电池由正极和负极（负极是燃料电极，正极是氧化剂电极）和电解质组成。不同之处在于，普通电池中的活性物质储存在电池中，从而限制了电池容量。燃料电池本身的阳极和阴极不包含活性物质，而只是催化转换元件。因此，燃料电池是一种名副其实的将化学能转化为电能的能量转换机器。当电池工作时，燃料和氧化剂从外部供应以进行反应。原则上，只要不断输入反应物，不断去除反应产物，燃料电池就可以持续发电。这里，以氢氧燃料电池为例来解释燃料电池。

氢氧燃料电池的反应原理这个反应是电解水的反过程。电极应为：负极：H2+2OH-→2H2O+2当量-

正极：1/2O2 H2O 2e-→2小时-

电池反应：H2 1/2O2==H2O

此外，只有燃料电池体不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应物供应系统、除热系统、排水系统、电气性能控制系统和安全装置。

燃料电池通常由形成离子导体的电解质板、布置在电解质板两侧的燃料电极（阳极）和空气电极（阴极）以及两侧的气体流动路径组成。气体流动路径的功能是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能够通过流动路径。

在实际的燃料电池中，由于电解质的不同，通过电解质并与反应相关的离子的类型也不同。PAFC和PEMFC之间的反应与氢离子（H）有关，反应如下：

燃料电极：H2=2H2e-（1）

空气电极：2h1/2o2e-=H2O（2）

全部：H2 1/2O2=H2O（3）

氢氧燃料电池的组成和反应循环图

在燃料电极中，所供应的燃料气体中的H2分解为H和e-，并且H移动到电解质中以与在空气电极侧供应的O2反应。E—通过外部负载回路，然后返回空气极侧，参与空气极侧的反作用。一系列的反应有助于电子不间断地通过外部回路，从而构成发电。从上式中的反应式（3）可以看出，H2和O2产生的H2O没有其他反应，H2所具有的化学能转化为电能。但事实上，随着电极的反应，存在一定的电阻，这会导致产生一些热能，从而降低转化为电能的比例。引起这些反应的一组电池被称为模块，产生的电压通常小于一伏。因此，为了获得大的输出，有必要使用元件多层叠加的方法来获得高电压堆叠。对于模块之间的电气连接以及燃料气和空气之间的分离，采用了在上下表面上具有气流路径的称为分离器的部件。PAFC和PEMFC的分离器均由碳材料制成。堆栈的输出是确定的……

通过总电压和电流的乘积，电流与电池中的反应面积成比例。

PAFC的电解质是浓磷酸水溶液，而PEMFC的电解质是质子导电聚合物膜。电极都是由多孔碳制成的。为了促进反应，使用Pt作为催化剂，燃料气中的CO会引起中并降低电极性能。因此，在PAFC和PEMFC的应用中，尤其是在低温下工作的PEMFC，必须限制燃料气中的CO含量。

磷酸燃料电池的基本组成和反应原理如下：将燃料气或城市燃气加入蒸汽，送至重整器，将燃料转化为H2、CO和蒸汽的混合物，并在变换反应器中通过催化剂将CO和水进一步转化为H2和CO2。以这种方式处理的燃料气体进入燃料堆的负电极（燃料电极），同时，氧气被输送到燃料堆的正电极（空气电极）进行化学反应，并且通过催化剂的作用快速产生电能和热能。

与PAFC和PEMFC相比，高温燃料电池MCFC和SOFC不需要催化剂，以CO为主要成分的煤气化气体可以直接用作燃料，并且很容易利用其高质量的废气形成联合循环发电。

MCFC主要组件。它包含与电极反应有关的电解质（通常是与Li和K混合的碳酸盐），从上到下连接到它的两个电极板（燃料电极和空气电极），以及用于分别在两个电极外部循环燃料气体和氧化剂气体的气室和电极夹。电解质在MCFC的工作温度约为600~700℃时处于熔融状态，形成离子导体。电极为镍基多孔体，气室由耐腐蚀金属制成。

MCFC的工作原理。空气电极的O2（空气）和CO2与电结合产生CO23-（碳酸根离子），电解质将CO23-移动到燃料电极侧，燃料电极侧与作为燃料供应的H结合释放e-，同时产生H2O和CO2。化学反应式如下：

燃料电极：H2CO23-=H2O2-CO2（4）

空气电极：CO2 1/2o2e-=CO23-（5）

全部：H2 1/2O2=H2O（6）

在这种反应中，与PAFC的情况一样，e-从燃料电极释放，并通过外回路返回到空气电极，燃料电池通过外回路中e-的不间断流动发电。此外，MCFC的最大特点是它必须含有有助于反应的CO23-离子，因此提供的氧化剂气体必须含有碳酸气体。此外，还开发了将催化剂填充到电池中，从而在电池内部改性作为天然气主要成分的CH4，并在电池内部直接产生H2的方法。然而，当燃料是煤气时，其主要成分CO与H2O反应生成H2。因此，CO可以等效地用作燃料。为了获得更大的输出，隔膜通常由镍和不锈钢制成。

SOFC主要由陶瓷材料组成，通常使用ZrO2_2（氧化锆）作为电解质，它构成O2-的Y2O3（氧化钇）作为稳定的YSZ（稳定的氧化锆）。在电极中，燃料电极由Ni和YSZ复合多孔体制成，空气电极由LaMnO3（镧锰氧化物）制成。使用LaCrO3（氧化镧铬）作为隔膜。为了避免不同的电池形状和电解质之间不同的热膨胀引起的裂纹，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池的形状不仅像其他燃料电池一样是扁平的，而且是圆柱形的，以避免应力集中。SOFC的反应式如下：

燃料电极：H2 O2-=H2O 2e-（7）

空气电极：1/2O2 2e-=O2-（8）

全部：H2 1/2O2=H2O（9）

燃料电极，H2通过电解质并与O2-反应生成H2O和e-。空气电极从O2和e-中产生O2-。与其他燃料电池一样，H2O是由H2和O2产生的。在SOFC中，由于其在高温下工作，天然气的主要成分CH4可以在没有其他催化剂的情况下直接升级为H2进行利用，而气体的主要成分CO可以直接用作燃料。

分类

燃料电池可以分为许多类型。根据燃料处理方法的不同，可分为直接型、间接型和再生型。根据温度的不同，直接燃料电池可分为三种类型：低温、中温和高温。间接类型包括重整燃料电池和bi……

燃料电池。再生燃料电池包括光、电、热和放射化学燃料电池。根据电解质类型的不同，可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、聚合物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体电解质燃料电池。

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