燃料電池

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燃料電池(Fuel cell)

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什麼是燃料電池

  燃料電池是指原電池中的一種類型。原電池式氧分析儀中的電化學反應可以自發地進行,不需要外部供電,其綜合反應是氣樣中的氧和陽極發生氧化反應,反應的結果生成陽極氧化物,這種反應類似於氧的燃料反應,所以這類原電池也稱為燃料電池。

燃料電池的特點[1]

  (1)效率

  燃料電池是利用電化學原理,通過等溫的電化學反應直接將化學能轉化為電能。理論上它的化學能到電能的轉化效率可達75%~100%。但在目前的技術水平上,實際的發電效率均在40%~60%的範圍內,已經相當於或高於火力發電效率(30%~40%)。若實現熱電聯供,燃料的總能量轉化效率可達80%以上。隨著燃料電池技術的進步,其電效率有希望進一步提高。

  (2)污染低

  當燃料電池以純氫氣體為燃料時,電池反應的唯一產物為水,因此,可以實現零污染排放。但是自然界中不存在氫氣,目前主要是利用化石燃料(fossilfuel)來制取,比如將天然氣經過水氣轉換反應即可獲得作為燃料電池燃料的富氫氣體。在這種制氫過程中所排放的二氧化碳的量,要比將化石燃料直接燃燒發電所排放的二氧化碳的量減少40%以上,從而可有效減緩地球的溫室效應。另外,由於燃料電池的燃料氣在反應前必須脫除硫及其化合物,而且燃料電池是按電化學原理髮電(燃料與空氣無直接接觸),不經過熱機的燃燒過程(空氣與燃料直接混合),所以它幾乎不排放硫的氧化物(SO,)、氮氧化物(NO,)以及粉塵等,從而減少了大氣污染物排放,有利於降低酸雨對環境的破壞。隨著技術的進步,未來可以利用太陽能風能水能地熱能海洋能等這些綠色可再生能源以及核能來提取水中的氫氣,再以其為燃料,利用燃料電池發電,將會從根本上實現無污染髮電。

  (3)雜訊低

  火力發電水力發電、核能發電這些目前使用的發電技術均需使用大型渦輪機,其在工作過程中高速運轉,產生很大雜訊。作為車船動力的內燃機也產生相當的雜訊,必須進行隔音降噪,從而增加了成本。燃料電池按電化學原理工作,電池本身沒有運動部件,附屬系統也只有很少的運動部件,且都是低雜訊的,因此,它可以安靜地將燃料化學能轉化為電能。實驗表明,距離40kW磷酸燃料電池電站4.6m的雜訊水平是60dB。而4.5MW和11MW的大功率磷酸燃料電池電站的雜訊已經達到不高於55dB的水平。我國對居住、商業工業混雜區的雜訊標準是晝問≤60dB,夜間≤50dB。顯然,燃料電池電站的安靜程度已達到可以建在居民生活和辦公區域附近的要求。將燃料電池電站設置在需要電的工廠或住宅附近,可以有效地降低通過高壓線路長距離地把從遙遠的大型發電站發出的電能輸送到用戶所造成的電能損失。

  (4)使用範圍廣,機動靈活

  燃料電池的基本單元是單電池,即兩個電極夾一層電解質。基本單元組裝起來就構成一個電池組,再將電池組集合起來就構成燃料電池發電裝置。發電容量取決於單電池的功率與數目。燃料電池採用模塊式結構進行設計和生產.可以根據不同的需要靈活地組裝成不同規模的燃料電池發電站。所以燃料電池發電站的建設成本低、周期短。另外,由於燃料電池質量輕、體積小、比功率高,移動起來比較容易,佈置方式也靈活多樣,所以特別適合在海島上或邊遠地區建造分散性電站。近年來世界上發生的幾次大的停電事故啟示人們:“大機組、大電網、高電壓”模式的現代電力系統非常脆弱,在戰爭狀態下更是不堪一擊。燃料電池的機動靈活性,可以有效解決供電安全問題。

燃料電池的缺點[2]

  (1)價格昂貴。燃料電池的價格是其他發電機組(內燃機、燃氣輪機)的2—10倍。目前最先進的燃料電池系統的價格相當於太陽能發電系統的價格。

  (2)對燃料的要求很高。有些燃料電池只能用氫氣,有些燃料電池雖然能夠用天然氣,但必須脫硫,往往需要非常高效的過濾器,並且要經常更換。

  (3)維護比較專業。燃料電池的維護與其他的發電機組有很大不同,目前這方面的專業維護人員非常缺乏。燃料電池發生故障之後,往往只能運回生產廠家進行維修,還無法做到現場更換電池堆。

  (4)燃料電池目前還處於研發階段,還不能做到規模生產。市場上已有的一些產品進入商業化的時間還很短。

燃料電池使用註意事項

  ①燃料電池的壽命與所測氧的濃度有關,濃度越大,陽極消耗越多,電池壽命越短。一旦電池達到壽命,讀數銳減為零,此時應更換燃料電池。

  ②儀器正常維護量較小,通常3個月量程氣單標一次即可。接近電池壽命耗盡的時候,可通過讀數變化或標定時,電位補償的圈數來判斷,新電池一般為4圈左右,快耗盡的電池,一般在7圈以上,一旦達到7圈,就應考慮更換電池,否則,氣候的測量數值就會明顯不准且反應速度慢。

  ③電池的正常壽命一般為半年左右,從出廠日算起,常備的備用電池要考慮時效性,不要一味儲存燃料電池。

  ④燃料電池的儲存,最好將燃料電池密封袋置於充氮保護中,需要更換時再打開密封袋。

  註意:備用的燃料電池的短路環應插入短路短重,一旦取下短路環,需將電池迅速裝入分析儀測量腔中。

參考文獻

  1. 曹殿學.燃料電池系統.北京航空航天大學出版社,2009.9.
  2. 王冬利.電力需求側管理實用技術.中國電力出版社,2005年07月第1版.
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