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燃料电池是继水电、火电、核电之后的第四代发电技术，在军事和民用领域都有着广阔的应用前景。燃料电池在几乎没有污染的情况下连续运行。燃料电池的单位重量的电能输出大，并且单位重量的输出功率大。本文将介绍燃料电池的工作原理和分类，并分析燃料电池和锂离子电池的特点和比较。

 

燃料电池是如何工作的

燃料电池包含两个电极，正极和负极，分别填充电解质，两个电极之间的间隙由可渗透膜组成。氢气从负极进入燃料，氧气（或空气）从正极进入电池。通过催化剂的作用，负极中的氢原子分解为氢质子和电子。

其中，质子进入电解质，被氧“吸引”到膜的另一侧，电子通过外部电路形成电流，然后到达正极。在正极催化剂的作用下，氢、质子、氧和电子反应形成水分子。这与水的电解正好相反，所以水是燃料电池唯一的排放物。利用这一原理，燃料电池在工作时可以不断地向外界传输电力，是一种“发电机”。

 

 

燃料电池的类型

 

根据燃料电池电解液

1.碱性燃料电池（AFC）：碱性燃料电池效率高，发展非常成熟，但其工作条件需要隔离CO2，其应用领域主要集中在航空航天领域。

2.磷酸燃料电池（PAFC）：磷酸燃料电池技术被称为第一代燃料电池，是最接近商业燃料电池的技术，但磷酸燃料电池需要使用贵金属铂催化剂，成本高，工作温度不够高，废热利用价值低。

3.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）：熔融碳酸盐燃料细胞被称为第二代燃料电池。由于其工作温度高，对电池材料的要求也很高。

4.固体氧化物燃料电池（SOFC）：固体氧化物燃料细胞被称为第三代燃料电池。它具有较高的工作效率，被认为是最适合热电联产的，具有良好的性能。由于其工作温度高，对电池材料的要求也很高。与质子交换膜燃料电池（PEMFC）相比，其独特优势更加明显，如不使用贵金属催化剂、燃料选择性更高、废热温度高、发电效率高。

5.质子交换膜燃料电池（PEMFC）：质子交换膜燃油电池技术在不久的将来发展迅速。它使用更薄的聚合物膜作为电解质，具有高比功率和低操作温度。它特别适合作为便携式电源和新能源汽车的车载电源。然而，目前的主要问题是成本太高。

直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种质子交换膜燃料电池。仍处于开发阶段的DMFC使用全氟磺酸膜作为电解质，其工作温度为室温至200°C。用于微型移动电源。

 

根据燃料电池的运行机制

● 酸性燃料电池

● 碱性燃料电池

 

根据燃料类型

● 氢燃料电池

● 甲烷燃料电池

● 甲醇燃料电池

● 乙醇燃料电池

 

燃料电池可以使用什么燃料

燃料电池可以灵活地使用各种类型的燃料。虽然氢气是最常见的燃料来源（因此俗称氢燃料电池），但富含氢气的燃料，如天然气和氨也是可行的。

氢气：当使用太阳能、风能和水力发电等可再生电力生产氢气时，生产过程可以完全是碳中和的。氢燃料电池，使用氢气作为燃料，在不向空气中释放二氧化碳或其他污染物的情况下产生电力、热量和水。

天然气：由于绿色氢气尚未大规模生产，天然气仍然是氢气生产的主要来源。在这种情况下，燃料电池并非完全无排放，但它的排放量确实比石油和煤炭等其他燃料低得多。

氨：氨主要用作农业肥料。近年来，一些公司致力于开发绿色氨，这种氨可以通过水电解驱动，通过替代能源生产氢气，这使其成为一种替代低碳燃料。

 

 

燃料电池的特点和性能

1.发电效率高

燃料电池发电不受卡诺循环的限制。理论上，它的发电效率可以达到85%到90%。然而，由于工作过程中各种极化的限制，目前燃料电池的能量转换效率约为40%至60%。如果实现热电联产，燃料的总利用率可以高达80%。

2.减少环境污染

当燃料电池使用天然气等富氢气体作为燃料时，与热机过程相比，二氧化碳的排放减少了40%以上，这对缓解全球变暖效应非常重要。

此外，由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱硫，并且根据电化学原理发电，因此没有高温燃烧过程，因此几乎没有氮和硫氧化物的排放，减少了对大气的污染。

3.高比能

液氢燃料电池的比能是镍镉电池的800倍，直接甲醇燃料电池的比能是锂离子电池（能量密度最高的可充电电池）的10倍以上。目前，尽管燃料电池的实际比能仅为理论值的10%，但仍远高于普通电池的实际比能。

4.低噪音

该燃料电池结构简单，运动部件少，运行时噪音低。即使在11MW级燃料电池发电厂附近，测得的噪音也小于55dB。

对于燃料电池来说，只要含有氢原子的物质可以用作燃料，如天然气、石油、煤炭等化石产品，或者沼气、酒精、甲醇等，因此，燃料电池非常适合能源多样化的需求，可以减缓主流能源的枯竭。

 

 

锂离子电池与燃料电池的比较

燃料电池的工作原理：它的电池在不燃烧的情况下，通过氢气和氧气的化学作用直接转化为电能，因此不会产生污染物，燃料利用率非常高。锂电池的工作原理也是混合动力的工作原理。现在（处于初始阶段）的大多数混合动力车型都使用锂电池。燃料电池不能储存电力，也就是说，它们立即使用，不加油就没有电。换句话说，锂电池将电能转化为化学能再转化为电能，而燃料电池则直接将化学能转化为电能量。

锂电池可以储存电力，易于携带，可以用作移动电源的电池。锂电池广泛应用于家用储能、高尔夫球车、电动轮和其他设备。锂电池的常见规格是12v锂离子电池。燃料电池诞生于电动/混合动力汽车。这两种电池都是汽车最受欢迎的电源。

● 在续航里程方面，燃料电池更有优势，几乎是锂离子电池的两倍

● 燃料电池和锂离子电池对环境的影响都很小。前者的燃烧产物是水，不产生汽油/柴油燃烧后产生的温室气体。锂离子电池的放电产物可能是氧化锂、氢氧化锂等，不会对环境造成影响。此外，锂离子电池是可重复使用的。

● 燃料电池将比锂离子电池充电更快。

● 然而，由于锂电池更加成熟，充电站和电池的成本远低于燃料电池。

这两种类型的电池都很有前景，但它们未来的发展方向可能不同。锂电池更适合乘用车，而氢燃料电池更适合商用车。锂离子电池系统更适合取代汽油发动机，氢燃料电池系统更适用于取代柴油发动机。这就是目前技术研究集中在燃料电池商用车上的原因。对于燃料电池和其他电池的比较，也可以参考液流电池与燃料电池。