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燃料电池发电原理

一.燃料电池的发电原理

燃料电池按化学原理将化学能转化成电能，但是它们的工作方式却与内燃机相似。它在工作（即连续稳定的输出电能）时，必须不断地向电池内部送入燃料与氧化剂（如氢气和氧气）；与此同时，它还要排出与生成量相等的反应产物，如氢氧燃料电池中所生成的水。目前燃料电池的能量转化效率仅达到40-60%，为保证电池工作温度的恒定，必须将废热排放出去。如果有可能，还要将该热能加以利用，如高温燃料电池可与各种发电装置组成联合循环，以提高燃料的利用率。

燃料电池的核心是个涂有铂催化剂的弹性塑料膜（电解质膜），铂催化剂把氢气转化为质子和电子，只有质子可以通过电解质膜，与膜的另一侧的氧结合生成水，而电子在闭合的外电路中形成电流。

燃料电池汽车路试时可以达到40-50%的效率（普通汽车只有10-16%）。燃料电池汽车总效率比混合动力汽车也要高。燃料电池汽车仅排放热和水，是高效、环境友好的清洁汽车。燃料电池可节省石油，减小世界石油危机的影响。

二.燃料电池的分类

燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，其使用于其特殊的应用。按电解质划分，燃料电池大致可分为五类，即质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（APC）、磷酸燃料电池（PAFC）、融化的碳酸盐燃料电池（MCFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）。下面分别加以介绍：

1.质子交换膜燃料电池(PEMFC)

质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：电催化剂、电极（阴极与阳极）、质子交换膜、双极板。工作时，氢在阳极被转化成氢离子的同时释放出电子，电子通过外电路回到电池阴极，与此同时，氢离子则通过电池内部高分子电解质膜到达阴极。在阴极，氧气转化为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成了阳离子，和氢离子结合生成水。

2.碱性燃料电池(APC)

碱性燃料电池是技术发展最快的一种电池，电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。

3.磷酸燃料电池(PAFC)

磷酸燃料电池是当前商业化发展的最快的一种燃料电池。使用液体磷酸为电解质。磷酸燃料电池的工作温度要位于150-200°C左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的速度快。且较高的工作温度也使其对杂质的耐受性较强。磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。优点是结构简单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力。

4.溶融的碳酸盐燃料电池(MCFC)

溶融的碳酸燃料电池与上述谈论的燃料电池差异较大，这种电池不是使用溶化的锂钾碳酸盐就是使用锂钾碳酸盐作为电解质。当温度加热到650°C时，这种盐就会溶化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水、二氧化碳和电子。电子通过外部回路返回到阴极，从而完成循环发电。

5.固态氧化物燃料电池(SOFC)

固态氧化物燃料电池工作温度高，位于800-1000°C之间。在这种燃料电池中，当阳离子从阴极移动到阳极时，氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）便产生电能量，及在阳极生成的电子，电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环发电。