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[知识]燃料电池

CRT 于 2010-9-1 14:12 发表 [复制链接]
燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。


简介
  燃料电池燃料电池十分复杂,涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论,具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说,燃料电池具有以下特点:
(1)能量转化效率高 他直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%~60%,而火力发电和核电的效率大约在30%~40%。   
(2)有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低 CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低,无机械振动。   
(3)燃料适用范围广。   
(4)积木化强 规模及安装地点灵活,燃料电池电站占地面积小,建设周期短,电站功率可根据需要由电池堆组装,十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电,或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。   
(5)负荷响应快,运行质量高 燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率,而且电厂离负荷可以很近,从而改善了地区频率偏移和电压波动,降低了现有变电设备和电流载波容量,减少了输变线路投资和线路损失。

能量变化
  燃料电池为了利用煤或者石油这样的燃料来发电,必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽,蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。换句话说,我们是把燃料的化学能转变为热能,然后把热能转换为电能。在这种双转换的过程中,许多原来的化学能浪费掉了。然而,燃料非常便宜,虽有这种浪费,也不妨碍我们生产大量的电力,而无需昂贵的费用。还有可能把化学能直接转换为电能,而无需先转换为热能。为此,我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成,其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应,电子不是被释出就是被吸收。燃料电池一个电极上的电势比另一个电极上的大,因此,如果这两个电极用一根导线连接起来,电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流,只要电池中进行化学反应,这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下,当一个电池用完了以后,人们迫使电流返回流入这个电池,电池内会反过来发生化学反应,因此,电池能够贮存化学能,并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子。在一个电池里,浪费的化学能要少得多,因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而,电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果你试图使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力,那么,一天就要花成本费数十亿美元。

历史
  燃料电池能源是经济发展的基础,没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革,从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机,每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。 随着现代文明的发展,人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能,受卡诺循环及现代材料的限制,在机端所获得的效率只有33~35%,一半以上的能量白白地损失掉了;二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说,虽然采用的技术在不断地升级,如开发出了超高压、超临界、超超临界机组,开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术,但这种努力的结果是:机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升,到用户的综合能源效率仍然只有35%左右,大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。   
1839年英国的Grove发明了燃料电池,并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称,并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上,燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展,英国燃料电池剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代,这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始,氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域,同时,兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始,各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能,直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。依据电解质的不同,燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。燃料电池不受卡诺循环限制,能量转换效率高,洁净、无污染、噪声低,模块结构、积木性强、比功率高,既可以集中供电,也适合分散供电。   燃料电池大型电站,火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率,但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户,因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要,电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰,有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急,这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上,燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电,是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,没有转动部件,理论上能量转换率为100%,装置无论大小实际发电效率可达40%~60%,可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用,没有输电输热损失,综合能源效率可达80%,装置为集木式结构,容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比,非常灵活。
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