再生型燃料電池是指一種氫氣、氧氣產生，儲存和利用的電化學裝置，它是將水電解技術與氫氧燃料電池技術相結合的一種新型氫能源發電裝置。
基本介紹
- 中文名：再生型燃料電池
- 外文名：Regenerative Fuel Cell
- 簡稱：RFC
- 特點：清潔、廉價、高效等
- 套用：月球基地、通訊機站等
- 學科：能源術語
簡述,原理,特點,分類,前景,
簡述
再生燃料電池的關鍵材料和技術主要包括電催化劑、RFC膜電極、雙極板和電解供水方式等。
再生燃料電池系統主要由四個部分組成：1)燃料電池子系統，將氫氣，氧氣的化學能直接轉化為電能；2)電解水子系統，將燃料電池生成的水利用外部電能重新電解成氫氣，氧氣和水；3)反應物儲罐，用於儲存高壓氫氣，氧氣和水；4)電源調節及控制子系統。
可再生燃料電池未來潛力巨大，可廣泛套用於月球基地、近地軌道衛星、高空長航時太陽能飛行器、太空船的混合能量存儲推進系統、太陽或風力或者潮汐等發電系統、海島或者高山等偏遠地區不依賴電網的儲能系統、電網調峰的電源系統、攜帶型能量系統(零排放電動車、汽車儲能系統、移動電源)、通訊機站，備用和應急電源等。
原理
圖1所示是再生燃料電池系統的工作原理示意圖。在日照區(白天)，通過質子交換膜水電解器，利用太陽電池發電技術電解水製取氫氣和氧氣，並儲存；在陰影區(黑天)，燃料電池使用儲存的氫氣和氧氣發電，驅動載荷工作。燃料電池的唯一反應產物水經收集後，又可通過電解水產生氫氣和氧氣供燃料電池發電使用，並實現“再生”。這種方法構成了一個封閉的系統，不需要外部供應氫氣和氧氣，從而起到高效儲能的效果。再生型燃料電池與普通燃料電池的相同之處在於它也用氫和氧來生成電、熱和水，其不同的地方是它還進行逆反應，也就是水電懈。由於可再生燃料電池的工作過程就是水的分解和複合的循環過程，不需要外部的任何燃料和氧化劑的供應，因此再生燃料電池發電技術具有清潔、廉價、高效等特點。
圖1 再生燃料電池原理圖
圖1 再生燃料電池原理圖特點
1)再生燃料電池系統不受放電深度影響。化學電池的衰減速度與放電深度有關，放電深度越高，衰減越快，而RFC的放電深度大於80%，對電池性能無影響。化學電源充放電電壓不穩，需要附加一個充放電控制器，而RFC的功率只需微調。
2)再生燃料電池系統功率密度和能量密度高。
3)再生燃料電池系統壽命長。Hz-Ni電池、Cd-Ni電池等壽命隨著放電深度DOD增加而迅速衰減，這是因為在充放電過程中，活性物質(NiOOH，儲氫材料等)會發生相、晶格以及體積的變化，並且有一定的不可逆性，從而導致電池壽命降低。RFCS壽命與DOD無關，也可以說，在100%DOD時放電次數可達數萬次。
4)在載人飛行器中使用再生燃料電池系統較之Hz—Ni電池更為有利。供能系統可與姿控推進系統、生命維持系統(如水淨化系統)相結合，電解出的H：可用於還原COz，生成的Oz可供太空人呼吸；所排放的廢熱可供太空人保暖用。
5)適應大功率長時間儲能要求。例如月球基地、平流層飛艇等大功率、長時間連續放電的使用場合只有RFCS能夠滿足使用要求。因為RFC功率與儲能容量獨立，可以只增加反應物儲量，而不增加電池大小，就能增加儲能量，因此大功率大儲能量時，RFC質量增加很少。
6)充放電控制簡單。RFC工作電壓與充放電狀態關係不大，運行性能穩定，無自放電，充放電控制簡單。
7)降低燃料更換費用。由於水電解/燃料電池循環物質僅是水，即使有所損失，地面供應也比低溫液態燃料運送更經濟、更安全、更方便。
分類
從燃料電池與電解池結合方式來劃分，再生燃料電池可分為兩種主要形式：獨立電解的再生燃料電池系統(IRFC)和一體式再生燃料電池系統(URFC)。
獨立電解的再生燃料電池系統又可以分為：分體式再生燃料電池系統和綜合式再生燃料電池系統。分體式再生燃料電池的各個子系統獨立，除反應物互相貫通，每個子系統完全與其他子系統分開，裝入各自的安裝單元。較先進的分體式RFCS，各子系統都裝在一個獨立的單元內，共用一個冷卻系統。分體式RFCS優點是容易放大，各自系統單獨定型，易引入新技術，並且容易維護。缺點是系統複雜，體積能量密度低。
綜合式再生燃料電池系統的兩個子系統——燃料電池與電解池，同在一個機箱中，燃料電池放電與水電解充電在各自的電極和電池區域進行，這種結構所需的連線設備要求高，而且在兩種電池運行時要選擇相匹配的運行參數，其優點是體積能量密度比分體式高，缺點是RFCS循環周期短，受儲水板容量限制，電路氣路連線複雜，電池組裝複雜。美國於20世紀80年代申請了這種結構的RFC專利。
可逆式RFCS的電池可以分別以燃料電池模式或電解模式工作，將原先的燃料電池與水電解池以一個雙效電池替代，也稱為一體式再生燃料電池(United Regenerative Fuel Cell，URFC)。與分體式再生燃料電池相比，URFC堆的最主要特點是電極雙效性，燃料電池放電/水電解功能合一，從而可省去水電解器部分，所以該技術既可減輕系統質量，又可提高系統的可靠性和系統比能量。根據電解質類型，URFC可分為兩種：1)石棉膜-鹼性KOH再生燃料電池(ARFC)；2)離子膜型-純水固體電解質再生燃料電池(PEMRFC)。近年來，由於質子交換膜燃料電池發展很快，PEMRFl2逐漸成為一個研究方向。
前景
RFC非常適合低重量、長耗時的用電需要，因此極有希望在空間、軍事及可移動電源領域替代傳統二次電池儲能技術。
採用電力驅動的長航時高空太陽能飛行器，要求儲能裝置的比能量在400Wh/kg以上，當今只有RFC可滿足上述技術要求。在有人職守的月球基地，由於月球的自轉周期很長(達28個地球日)，其中無日照時間為16個地球日，用於月球基地的電源必須能長期供電，能量消耗很大，美國的相關研究認為月球基地的所需功率為20～100kW。建設月球基地，若選擇高比能電源系統，可節約大量的發射費用。RFC只需要增加氫、氧和水的貯存系統，就能滿足大容量儲能要求。RFC作為儲能系統，在軌道向光的時候，利用可再生能源——太陽能光伏陣發電供給空間站所需並給RFC充電(即在水電解模式下，將水分解成氫氣和氧氣並儲存起來)，晚上RFC利用儲存的氫氣和氧氣發電以維持系統運行。若月球上存在水，RFC系統甚至可以不從地球上帶水。
