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燃料电池

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

燃料电池

  

燃料电池虽然也是电池家庭的成员,但是它与干电池、蓄电池都不同,

它的化学燃料不是装在电池的内部,而是储存在电池的外部,可以按电池的

需要,源源不断地提供化学燃料,就像往炉膛里添加煤和油一样,所以人们


称它为燃料电池。

实际上,燃料电池能把燃料所具有的化学能连续而直接地转变成电能,

其发电效率比现在应用的火力发电还高,因此,将它称为“新型发电机”似

乎更合适些;但它又比一般的发电机优越,在发电的同时还可获得质量优良

的水蒸汽。也就是说,燃料电池既能发电,又可供热,故其总的热效率可望

达到 80%。

燃料电池的原理早在一百多年前就被人们发现了,后来到 1932 年,科学

家在理论上进行了论证,为研制现代燃料电池打下了基础。1958 年,燃料电

池正式问世,其输出功率为五千瓦,工作温度为 200℃,所产生的电力足以

开动风钻和电车。60 年代,燃料电池作为“阿波罗”等宇宙飞船的电源,为

宇宙开发立下了汗马功劳。近年来,输出直流电 4.8 兆瓦的燃料电池发电厂

的试验已获成功,人们正在进一步研究设计 11 兆瓦的燃料电池发电厂。

燃料电池在结构上与蓄电池相似,也是由正极、负极和电解质组成。其

正极和负极大都是用铁和镍等惰性、微孔材料制成;从电池的正极把空气或

者氧气输送进去,而从负极将氢气、碳氢化合物、甲醇、甲烷、天然气、煤

气和一氧化碳等气体燃料输送进去,这时,在电池内部,气体燃料和氧发生

电化学反应,于是,燃料的化学能便直接转变成了电能。

作为燃料的氢在负极上与电解质一起进行氧化反应,生成带正电的离子

和带负电的电子,而电子通过外电路跑到正极上,与作为氧化剂的氧和电解

质一起进行还原反应,最后生成带负电的离子。带电正离子和负离子在电解

质中结合而生成水蒸汽,因此,只要不断地把燃料供给电池,并及时把电极

上的反应产物和废电解质排走,就可以源源不断地提取电能和水蒸汽。

燃料电池与一般火力发电相比,具有以下几个优点:

(1)发电效率高,而且稳定。一般的火力发电的能源转换效率只有 30~

40%,而燃料电池在所有的发电装置中转换效率是最高的,目前已达到 50~

70%,预计将来可达到 80%。

(2)工作可靠,不产生污染和噪音。燃料电池在反应过程中只产生水蒸

汽,所以不会污染环境,由于它没有运动部件,自然不会产生噪音。

(3)使用方便,电损耗低。燃料电池可以安装在用户跟前,既简化了输

电设备,又降低了输电线路的电损耗。

(4)建发电站用的时间短,而且还可根据需要随时扩大规模。燃料电池

本身是由模式组合件构成的,几百上千瓦的发电部件可以预先在工厂里做

好,然后再把它运到燃料电池发电站去进行组装。因此,可大大缩短建站时

间,而且电站规模可随着电力需求量的增加而不断扩大。

(5)它的体积小、重量轻、使用寿命长,单位体积输出的功率大,可以

实现大功率供电。

目前,燃料电池主要在宇航工业、海洋开发和电气货车、通讯电源等方

面得到实际应用。例如,美国的一艘潜艇用燃料电池代替铅蓄电池后,其潜

水时间增加了三倍。

美国曾在 70 年代初期,建成了一座 1000 千瓦的燃料电池发电装置,随

后,这套发电装置并入电网运行,成功地运行了一千多个小时。目前,美国

的一些住宅区和商业区已开始用上 40 千瓦的燃烧电池。这种电源装置结构简

单,使用维修方便,又不污染环境,因而很受用户欢迎。日本也在研制燃料

电池,并在 80 年代初研制成功 0.48 万千瓦的磷酸解质电池。


现在人们已研制出一种新型高效能燃料电池,这种电池不仅价钱便宜,

而且体积小,重量轻,污染少。这种由片状陶瓷制成的新型燃料电池,它的

每个陶瓷片都由几层陶瓷组成,在陶瓷层间有许多微小的小三角形通道,燃

料和空气分别从这些通道中流过,并穿过陶瓷薄壁而相互进行电化学反应。

这种燃料电池的工作温度高达 800~1000℃,足以将所有的轻质碳氢燃料分

解成有用的氢和一氧化碳。这样,像汽油、酒精、煤气等都可以作为这种燃

料电池的燃料,从而扩大了它使用燃料的范围。

目前,这种高效能的燃料电池还处在研制阶段。人们预计,用来驱动汽

车的小型陶瓷燃料电池将会在 21 世纪初得到实际应用,它的大小与现在汽车

上的大蓄电池相似,可以输出 50 千瓦电力,供开动车辆使用。而且这种新颖

的陶瓷燃料电池还将在其他方面发挥作用,美国准备将它用作战地发电机,

以及作为无声电动坦克和“星球大战”计划卫星上的电源。


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