燃料电池的应用及发展状况

简述燃料电池的应用及发展状况

摘要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。目前燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力能源方面已得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范，但低成本、长寿命仍是商业化面临的瓶颈问题。而且我国在燃料电池方面的研究与外国还有一定差距，需要科研工作者更多的努力。

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1. 燃料电池的概念

燃料电池（Fuel Cell）是一种电化学设备，它直接、高效地将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能。燃料电池的基本物理结构由一个电解质层组成，它的一边与一个多孔渗透

的阳极相连，另一边与一个多孔渗透的阴

极相连，气态燃料电池连续不断地输入阳

极（负电极），同时氧化剂连续不断地输

入阴极（正电极），在两个电极上发生电

化学反应，产生电流[1]。其基本结构如图

所示：

2. 燃料电池的分类及其优点

随着现代文明发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式存在两大弊病：一是储存于燃料中的化学能要首先转变成热能后才能被转变成电能或机械能，受卡诺循环及现代材料的限制，转化效率低（33~35%），造成严重的能源浪费；二是传统的能源利用方式造成了大量的废水、废气、废渣、废热和噪声污染，严重威胁着人类的生存环境。现代社会所建立起来的庞大的能源系统已无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临着巨大的挑战：能源短缺与环境污染，因此探索新能源以及新的能源利用方式，是全球可持续发展迫切需要解决的重大课题。

燃料电池是一种电化学发电装置，等温地按电化学方式将化学能转化为电

能，它不受卡诺循环限制，直接高效（40~60%），环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物。由于这些突出的优点，有关燃料电池技术的研究和开发越来越受到各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪首选的直接、高效、洁净的发电技术[2]。

按照燃料电池电解质的不同，燃料电池可分为5类：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料电池（Phosphorous Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）和质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell或Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，PEMFC）[3]。

（1）碱性燃料电池（AFC）是最早得到实际应用的一种燃料电池，早在19世纪60年代，美国航空航天局（NASA）就成功地将培根型碱性燃料电池用于阿波罗宇宙飞船，不但为飞船提供电力，还为宇航员提供饮用水。碱性燃料电池采用质量分数不同的氢氧化钾（KOH）溶液作为电解液，浸在多孔石棉网或膜中，或装载在双孔电极碱腔中，两侧分别放置多孔的阴极和阳极构成电池。AFC 的工作温度根据KOH电解质的浓度不同而不同，一般在60 ～90℃或200℃左右，也可在常压或加压条件下工作。为保持电池连续工作，除了需要等速地向电池供应消耗的氢气、氧气外，还需连续、等速地从阳极排出电池反应生成的水，以维持电解液碱浓度的恒定；排除电池反应的废热以维持电池工作温度的恒定。

碱性燃料电池的优点包括[4]：①材料要求低。在碱性介质中，镍保持稳定，可以用镍作为双极板材料，价格便宜。而且，与PAFC和PEMFC不同，碱性燃料电池除了可用铂、钯、金、银等贵金属以外，采用镍、钴、锰等过渡金属也具有足够的电化学活性；②工作电压较高。氧的还原反应在碱性介质中比在酸性介质中更容易进行，活化过电位比较小，所以电池的设计点可以放到较高的电压下，一般选定在0.8～0.95V区间，AFC的发电效率高达60%～70%，如果不考虑热电联供，AFC的发电效率高于其它燃料电池。AFC缺点也同样非常明显，主要包括：AFC的碱性电解液非常容易和二氧化碳（CO2）发生化学反应，二者生成的碳酸盐会堵塞电极的孔隙和电解质的通道，影响AFC的使用寿命，这极大地限制了AFC在地面上的应用。另外，电解液需要循环以维持电池的水、热平衡问题，使系统变得复杂，影响电池的稳定操作性能[5]。

（2）磷酸燃料电池（PAFC）采用浓磷酸作为电解质，选用聚四氟乙烯（PTFE）粘结成的碳化硅（SiC）粉末作为隔膜材料，其厚度一般为100～200µm。PAFC 隔膜两边分别是附有铂（Pt）/碳（C）催化剂的多孔石墨阴极和阳极。PAFC的工作温度一般在200℃左右，在这样的温度下，PAFC具有一定的抗一氧化碳（CO）中毒能力，可以采用碳氢化合物重整气作为燃料。PAFC是目前发展得最为成熟的燃料电池，它的PC25型固定电站已经得到了实际应用。PAFC技术要进入商业化，除了在技术上进一步完善，降低生产成本，提高系统的稳定性和可靠性，更重要的挑战来自于其它类型燃料电池（如PEMFC、SOFC等）技术的快速发展。但是，无论如何，PAFC在燃料电池技术发展的历史上所起的示范和技术借鉴作用是其它燃料电池所无法替代的。

（3）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）的电解质为碳酸锂-碳酸钠（Li2CO3-Na2CO3）或者碳酸锂-碳酸钾（Li2CO3-K2CO3）混合物熔盐，浸在用偏铝酸锂（LiAlO2）制成的多孔隔膜中。MCFC的阳极催化剂通常采用镍-铬（Ni-Cr）、镍-铝（Ni-Al）合金；阴极催化剂则普遍采用氧化镍（NiO）。MCFC 电池的双极板通常采用不锈钢或镍基合金钢制成。由于MCFC的工作温度为650～700℃，属于高温燃料电池，其本体发电效率以低热值为标准较高（可达60%），并且不需要贵金属做催化剂。既可以使用氢气、煤气作燃料，又可以使用粗重整气作燃料，可使用的燃料范围大大增加。排出的废热温度高，可以直接驱动燃气轮机/蒸汽轮机进行复合发电，进一步提高系统的发电效率。但MCFC 长期工作在高温和强腐蚀的环境下，由此产生了诸多的问题，影响熔融碳酸盐燃料电池系统的性能与寿命[6]。

（4）固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高温型全固体燃料电池，其电解质是固体氧化物陶瓷材料。传统的SOFC电解质最常用氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）、镍基阳极和钙钛矿结构的锰酸镧（LSM）基阴极。目前，SOFC正在向中低温和直接采用碳基燃料的方向趋势发展。SOFC的工作原理是：氧气在阴极被还原成氧离子，在电解质中通过氧离子空穴导电从阴极传导到阳极，氢气在阳极被氧化，结合氧离子生成水。SOFC的优点包括：①具有燃料适应性广，可以直接使用氢气、CO、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料；②能提供高质余热，可实现热电联产，其燃料利用率比MCFC还要高；③SOFC不