燃料电池-车船飞机航天电力系统

在运行方面，燃料电池类似于传统蓄电池，尽管它们有一些明显的物理差别。首先，燃料电池是电化学装置，即将燃料的化学能直接转换为电能^［1～5］。传统蓄电池和燃料电池的主要区别是燃料电池不像蓄电池那样使用外部反应物供电。当反应物使用完，而对于燃料电池，只要其燃料能够持续供给，它就永远不会遇到这样的问题。如图9-1所示，电极和电解质是燃料电池主要部分。最常用的燃料电池是氢氧电池。

图9-1 燃料电池的典型原理图

如图9-1所示，氢气作为燃料供给阳极。另一方面，氧气供给阴极，氧气可以从空气中获得。氢原子分解为质子和电子，它们各自经由不同的路径，但最终在阴极相遇。对于分解过程，我们需要使用合适的催化剂。质子经由电解液路径，而电子则经由自己的外部路径。相应地，这个过程就会形成电流，对外部负载供电。电极反应如下：

阳极：2H₂→4H^＋＋4e^-

阴极：O₂＋4e^-→2O^-

总反应：2H₂＋O₂→2H₂O(www.xing528.com)

从燃料电池基本运行表达式可以看出，整个过程没有燃烧，因此，也就没有排放物，这使得燃料电池对环境无害。

图9-2 燃料电池的典型i-v曲线

燃料电池的典型i-v曲线如图9-2所示。输出电压随着电流增加而降低。如前所述，燃料电池由于在给定输出功率下的二氧化碳（CO₂）排放量很小，因此对环境无害。而且，燃料电池的使用降低了传输损耗，使效率更高。效率的典型值范围在40％～85％之间。燃料电池的另外一个优势是它的模块化。燃料电池天然具有模块优势，意味着它可以根据较宽的输出范围进行成型配置，输出功率范围从天然气燃料电池的0.025～50MW到煤气燃料电池100MW。燃料电池另一个特有优势是其基本的消耗燃料——氢气很容易从天然气、煤气、甲醇和其他类似包含氢元素的燃料中获得，余热也可以利用来进行废热发电或者加热及制冷。基本上对于废热发电，燃料电池的排气可以驱动一个小型或者微型涡轮发电单元，这些涡轮机一般是燃气涡轮。由于废热重新得到利用并转换为额外的电能，总体系统效率又得到提高，燃气涡轮机的典型容量在1～15MW。

燃料电池一般以它们所消耗的电解质进行分类。实际使用的主要燃料电池有磷酸燃料电池（PA）、质子交换膜电池（PEM）、熔融碳酸盐燃料电池（MC）、固态氧化燃料电池（SO）、直接甲醇燃料电池（DM）和碱电池燃料电池^［5～9］。在本节，我们将介绍燃料电池的类型和它们各自结构及运行特性，同时也会阐述其主要应用领域。