什么是燃料电池？ 什么是燃料电池?
天然气研究项目中的其他先导内容就是燃料电池的开发。燃料电池通过化学反应将氢、天然气或甲醇等转换为电能和热能。在此过程中，燃料并不发生燃烧，所以，燃料电池对环境保护是有好处的，因为它们实际上没有污染物的排放，一个接在燃料处，一个接在氧化剂处，它们被电解液隔离开。燃料电池根据电极之间所使用的电解液而得名。共有四种类型：质子交换膜（PEM）、熔融碳酸盐（MCFC）、固体氧化物（SOFC）和磷酸（PAFC）。
PEM燃料电池可以在相对较低温度下（大约200° F）运行。这使得它们具备了快速的优点，也是使它们能够很好地适应运输的条件。它们也可被用于居民和商用建筑物。这一特殊技术所青睐的燃料是纯净气体氢，但是磷酸燃料电池与商业用途有着最为密切的关系。它们已经被用在医院、育儿室、办公楼、学校、公共电力部门和军事基地。
MCFC燃料电池可以在一个平均温度为1200℉的工作条件下运行。小型燃料电池不适合在高温条件下工作，所以这些电池正在被用在发电量从250kW到10MW的发电装置里面。它们还可以被用于基本负载配电系统中、商业和工业领域，以及经过改良的天然气和其他烃类为燃料的发电装置中。
SOFC燃料电池可在1800℉条件下工作，以金属和没有液体的陶瓷材料为主制成。此类电池的使用寿命期望比其他的燃料电池长些，因为其他燃料电池都使用液体，所以或多或少地都具有腐蚀性。如果有足以保证可以防止碳的形成，则SOFC燃料电池将可以直接应用甲烷作为燃料。它们就像MCFC燃料电池一样，使用经过改良的天然气。
对于燃料电池而言，有多种燃料可供选择，而早期的技术和燃料电池依然在使用，一旦天然气的商业化更具经济性，它们将极有可能以燃料电池的形式占据更大的市场份额。随着燃料电池技术的进一步发展，它将可能成为连接电力与天然气工业的一条重要纽带。
对于SOFC燃料电池技术而言，最大的潜力在SOFC/GT循环中的燃气轮机，如此设计，其发电效率可达70%～75%，而且排放物是极少的。这类系统依然在研发中，在先导试验工厂建成之前一直在进行着研发工作。
美国天然气协会首先提出用蒸汽改造天然气，使之应用于PAFC和PEM固定式发电装置。这一观点已被国际燃料电池协会（ONSI）所采纳，该组织的第一个固定式磷酸燃料电池于20世纪70年代研制成功。ONSI目前依然在使用天然气的蒸汽改造技术。PAFC和PEM系统用加氢脱硫化作用技术（这是一种少量氢和天然气混合，然后通过一个加热的镍或钴—钼的氧化催化剂的技术流程）。所有的硫都会被加热的锌的氧化物层所吸收。接着，从这种改造炉生成的气体流通过更多的催化剂，用以减少气体中的碳化物组分从而达到燃料电池所需要的标准。这项技术已经被很好地证实，也正在为一些大型工业系统所接受。为了降低燃料电池系统的价格，研究人员们正在进行减少所需的改造物品的尺寸。
燃料电池开发的费用在过去十年中已明显下降了，但燃料电池工业依然需要政府的支持，还需要投入更多的研究并加大开发力度。这项技术表明，它可以应用于固定式发电、移动式发电、输送式发电以及空间与军事用途。燃料电池最早是为美国宇航局（NASA）的空间计划而研制的。这种电池的应用已经很好地商业化了。
1998年，全世界的燃料电池交易额已经超过8000万美元，而且还将大幅度的增加。预计到2008年，全世界燃料电池的投资可接近40亿美元，到2010年，预计增长速率可达40%。最大的市场份额拥有者应该是PAFC燃料电池。
正在为大型固定式应用开发多种燃料电池技术，其功率为1～2MW，特别是PAFC、 SOFC和MCFC技术。PAFC的商业化程度最高，已经有100多套设备投入使用。绝大多数在热电联产系统中使用。
超级燃料电池是一项正在美国联邦政府能源技术中心的化石能源部的能源办公室进行研发的技术（表10.1）。这些电池将能够提供极高的燃料—电能转换率，同时，这种发电技术对环境污染也是微乎其微的。设计中的燃料电池系统的主要优点如下：
表10.1 简单循环的超级燃料电池与替换物的比较
（1）史无前例的天然气燃料效率，当使用设在底部的燃气轮机技术时，其热值低于80%，或者，使用简单循环技术时，热值低于70%。
（2）超级清洁（无燃烧）技术，具有极大的潜力——仅输出纯净的CO2气体而绝无其他排放物。
（3）在发电、工业、商业和运输部门的市场营销中，小型与大型部门都可适用。
（4）具有减少温室气体排放和增加经济竞争力的潜力。
超级燃料电池技术理念允许固态燃料电池组合有一个操作温度和操作温度窗，并有望获得一套发电厂系统的最大经济效益。这种类型的系统使用多阶段固态组合去将热量和较高的运行温度与接下来的下游燃料电池相连接，避免了昂贵的热交换冷却程序（图10.6）。此举可以减少热的需求量并提高热的结合，从而可使一座发电厂在使用天然气时，其效率达82%。这种超级燃料电池10年的费用为100美元/kW，比目前使用的发电系统的费用减少了80%。
图10.6 超级燃料电池发电厂的设计理念
目前研发工作的目标在于降低燃料电池的生产费用。这一举措正在通过增加发电强度和输出以及提高生产技术来完成。生产过程中所使用的原材料也正在减少，将电池制作的更小更轻，以减少生产成本。燃料电池技术通常使用昂贵的电子配件与催化剂，所以研究人员正在努力工作，力图发现减少这些材料使用的方法。燃料电池的发电强度在过去的几年中明显地增加。高电力密度是重要的，尤其对那些移动式发电或输送电力的应用来说，在这些情况下，发电器材的大小与重量都必须尽可能地减少。
在发电厂中，将燃料电池与燃气轮机结合的潜力也正在研发之中。高温燃料电池与燃气轮机的结合能够将化石燃料转换为电能，其发电效率可达70%。当今最好的燃气轮机的发电效率标准值才为60% 。
那些显示出未来可以降低生产成本的技术正在吸引着各种公司的兴趣与研究投资，从电力供应公司到汽车制造厂商，这将使燃料电池可能最终成为一种重要的发电方式，并占有相当大的市场份额。
燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子,电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。
2016年亚南膜电极研发中心在已建立高水平的膜电极研究开发和测试平台，拥有超声喷涂机、热压机、压力试验机、单电池测试台、大功率电堆及发动机系统两用测试台、大型制氢机等全套相关专用设备，亚南本身还拥有激光切割机等智能数控通用设备。
什么是燃料电池？ 我来告诉你……
