什么是燃料電池？

燃料電池，是一種將燃料所擁有的化學(xué)能直接地轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，其又被稱作電化學(xué)發(fā)電器，其主要由電極、電解質(zhì)隔膜和集電器組成。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

燃料電池的發(fā)電原理

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它按照電化學(xué)原理，即原電池工作原理，等溫的把儲存在燃料和氧化劑里的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，所以實(shí)際上過程是氧化還原反應(yīng)。在運(yùn)行時(shí)，外部供給電池的氫在燃料極放出電子變成氫離子，氫離子通過電解質(zhì)后轉(zhuǎn)向空氣極，而電子則通過外電路到達(dá)空氣極。在空氣極，由外部供給電池的氧，與氫離子和電子產(chǎn)生反應(yīng)生成水。電能則由外電路進(jìn)行輸出。燃料電池和普通的干電池都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，但是兩者有一個(gè)很大的不同點(diǎn)，即封存在干電池中參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)最終會消耗殆盡，反應(yīng)停止，就不能再輸出電能；但是對燃料電池來說，只要能不斷地給它提供燃料氣體和氧化劑，化學(xué)反應(yīng)就能一直進(jìn)行下去，從而不停地輸出電能。

燃料電池的優(yōu)勢

1．對環(huán)境的污染小

燃料電池之所以會被認(rèn)為是未來新能源汽車的終極選擇，很大的一個(gè)原因就是燃料電池對環(huán)境的污染小。燃料電池電動汽車在本質(zhì)上是一種零排放汽車，燃料電池沒有燃燒過程，若以純氫作燃料，通過電化學(xué)的方法，將氫和氧結(jié)合，只會產(chǎn)生水。采用其他富氫有機(jī)化合物用車載重整器制氫作為燃料電池的燃料，生成物除水之外還可能有少量的二氧化碳，但其排放量遠(yuǎn)少于內(nèi)燃機(jī)，且沒有其他污染排放，如氧化氮、氧化硫等等，接近零排放。與傳統(tǒng)汽車相比既減少了機(jī)油泄漏帶來的污染，又降低了溫室氣體的排放，所以燃料電池堆環(huán)境的污染很小。

2．能量轉(zhuǎn)換率高

燃料電池沒有活塞或渦輪等機(jī)械部件及中間環(huán)節(jié)，因此不會受到卡諾循環(huán)的限制，它在運(yùn)行時(shí)把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，所以相比內(nèi)燃機(jī)的燃燒作用不會產(chǎn)生大量廢氣與廢熱，能量轉(zhuǎn)化效率目前能達(dá)到約40％～60％，而內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)換效率只有10～20％左右。能量轉(zhuǎn)換率高，就可以節(jié)省許多的能源。

3．可使用的燃料范圍廣

燃料電池可使用的燃料范圍非常廣泛，含有氫原子的能源都可以用作燃料電池的燃料。氫可以通過水分解來獲得，也可以通過其他的可再生能源來獲得，如天然氣、丙烷、煤炭、沼氣、甲醇等等。可使用的燃料范圍廣，能源多樣性就強(qiáng)，這樣可以降低對現(xiàn)有主要能源石油的依賴性，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，緩解能源緊張的問題。

4．安全性相對較高

燃料電池在工作過程中，電池溫度不會超過100℃，如果加上冷卻措施，溫度還會更低，此外燃料電池的外殼如果破裂，也不會產(chǎn)生爆炸，只會有燃燒反應(yīng)，相對其他電池來說安全性更高。

5．穩(wěn)定性強(qiáng)

燃料電池不管是高于其額定功率運(yùn)行還是低于其額定功率運(yùn)行，它都能穩(wěn)定承受，并且效率變化不大。除此之外，它還能夠在短時(shí)過載能力可以達(dá)到額定功率的200％且仍能穩(wěn)定運(yùn)行，非常適用于汽車的加速、爬坡等情況。

6．運(yùn)行時(shí)噪音低

燃料電池的結(jié)構(gòu)非常簡單，除了空氣壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)以外沒有其他的運(yùn)動零部件，因此在運(yùn)行的時(shí)候噪音非常低。

燃料電池的劣勢

1．電池生產(chǎn)成本高

燃料電池本身結(jié)構(gòu)簡單，擁有的零部件不多，但是目前最常見的質(zhì)子交換膜燃料電池需要用到的鉑金屬，鉑金屬資源稀缺，價(jià)格高昂，也因此導(dǎo)致燃料電池的生產(chǎn)成本升高。

2．燃料制取成本高

目前燃料電池多數(shù)還是以氫能源為主，而氫氣的制取目前還是以電解水為主，這就需要消耗電力來獲得氫氣，導(dǎo)致制取成本高。

3．燃料儲存難度高

氫氣作為目前燃料電池的主要燃料，在儲存和運(yùn)輸時(shí)，需要高壓、密封，保證不能泄漏，這就對儲存技術(shù)提出了很高的要求。

作者：黃誠

審核編輯 黃昊宇