率先登月的燃料电池发电技术

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率先登月的燃料电池发电技术

在1969年随同美国阿波罗飞船登上了月球的电源装置，是以其独特性能而引起世人瞩目的“燃料电池”。随后，到70年代初这种电源才逐步转为民用，并得到了突飞猛进的发展。20年过去了，燃料电池发电技术在美、日等国已进入到商业化阶段，并已制成1万千瓦级的大容量电池，同时还出现了燃料电池——燃气轮机——汽轮发电机联合运转的发电厂。

所谓“燃料电池”，从原理上讲，和传统的化学电池基本相同，也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是：传统电池的内部物质事先充填好，化学反应结束后，不能再供电；而燃料电池进行化学反应所用的物质是由外部不断充填的，因此，它能够源源不断地发电。这是燃料电池最显著的特征。

燃料电池的工作原理是，作为反应物的原燃料，天然气、石油、甲醇等，经过“燃料改质装置”分离出氢后，进入电池本体，另一端的空气中氧也进入电池本体，分别供给电池的电极，通过电解质使氢氧发生电化学反应，产生电位差，而形成低压直流电输出。

由于燃料电池是将物质的化学能直接转变为电能，因此其效率较高，按理论计算可以达到90%。但实际上燃料电池在进行化学反应中还有“费功”损耗，因此，最高只能达到60%～70%。

燃料电池主要由燃料、氧化剂、电极、电解液等组成。它所使用的燃料十分广泛，例如，天然气、石油、甲醇、液氨、肼、烃、氢等。这种电池可以根据需要设计不同的容量，主要取决于“单片电池”的数量。单片电池由正极（接空气极板）、负极（接燃料极板）和电解质容器以及上下绝缘隔板4部分组成。根据需要，把单片电池串联起来，就可得到所需电压和功率数。

这种电池的化学反应过程简单地说就是：在负极（氢极）一侧，依靠催化剂（白金电极）使氢（Hspanclass="bottom"2/span）离子化，成为易于反应的（Hspanclass="top"+/span）状态，这些分离出的氢离子通过电解液：例如苛性钾（KOH）等输送到正极（氧极即空气极），而被分离开的电子则经过外部电路也移到正极上，电子移动的过程就是产生电流过程，而在正极上氧分子和氢离子化合，产生水——这样一个过程就完成了产生电能的过程。

负极和正极分别由外部连续不断地供应氢（燃料）和氧（空气），这种反应连续不断地进行，在外部电路中电子也不断地流动，这就是我们所需要的电流。

说起来，燃料电池的基本原理和化学反应机理虽不难懂，但真正作为系统工作，其工艺设计自然也是非常复杂的。

燃料电池所用的电解质对燃料电池的发电性能，特别是效率影响很大。

目前最多用的是磷酸质，其发电效率为40%左右。这是被划为第一代燃料电池的代表型产品。目前正在研究的新的电解质有碳酸盐，被划为第二代，即2000年前后可正式投入使用的燃料电池；还有一种以氧化锆、氢氧化钾作电解质的，被划为第三代，即21世纪才能投入使用的燃料电池。据预测，第二代和第三代电池的发电效率可达到45%～60%。燃料电池种类如表所示。

燃料电池种类表

作为将化学能直接转换成电能的新型发电技术的应用，燃料电池具有许多独特优点：

一是热损耗小，发电效率高，一般可达到40%～50%，最高可望达到60%～70%，而且不受负荷变动的影响。目前，国际上火电厂的效率不超过40%，在我国的燃煤电厂效率才27%～28%。

二是低污染，燃料电池在发电过程中，既不需要锅炉、燃烧器等燃烧设备，也不需要汽轮机等高速旋转设备，因此，既不排放温室效应物质和有毒物质，也没有噪音干扰。