新型能源--燃料电池概述

新型能源——燃料电池概述

薛琳1 丁信伟1

摘 要：本文详细介绍了燃料电池的发电原理，特点，分类及其电化学基础，同时也对燃料电池的应用及发展前景进行了概述。

关键词：燃料电池，发电原理，电化学

21世纪将是氢能的世纪，随着地下煤气化制氢以及金属合金贮氢等技术的日趋成熟，燃料电池作为把氢能直接连续转化为电能的高效洁净发电装置即将大规模全面进入社会[1]，预计到2017年，30%以上的电力将由燃料电池供给。燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置，是一项高效率利用能源而又不污染环境的新技术。燃料电池有多种类型，按使用的电解液不同分类，主要有磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）及碱性燃料电池（AFC）。90年代初，很有竞争力的燃料电池—质子交换膜燃料电池，在实用化方面取得了突破性进展，并成为当今国际上燃料电池开发的热点。PEMFC以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，Pt为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或氧气为氧化剂。PEMFC具有室温启动，无腐蚀与电解液流失，低噪音，寿命长和输出比功率高达0.5～1.5W/cm2等独特优点，不仅是电动汽车的理想电源，成为世界上各大汽车公司竞相研究的技术热点而且可以应用于航天、军事等特殊领域，并且随着PEMFC生产成本的降低和电池系统技术的优化，在燃料电池电站、电动汽车、高效便携式电源等方面都具有很大的市场潜力。

进入90年代后，PEMFC技术迅猛发展。德国Daimler-Benz汽车公司开发的电动汽车，使用Ballard公司研制的PEMFC电池堆作为动力电源，1994年制成了Necar1车，动力50kW；1996年制成Necar2车，动力50kW，最高时速110km，最大行程400kW，1997年又制成了Nebus型公共汽车，动力250kW，使用压缩氢气为燃料。1997年8月，Ballard公司又研制出250kW的电站，以天然气为燃料。美国时代周刊1995年将燃料电池汽车列为21世纪十大高新技术之首。加拿大政府已经决定将燃料电池产业作为国家知识经济的支柱产业之一加以发展。日本、德国等发达国家也纷纷投巨资发展燃料电池技术。

在我国，中科院曾将燃料电池技术列为“九五”院级重大和特别支持项目，国家科技部也将燃料电池技术列入“九五”攻关项目，在“十五”期间，国家对燃料电池的研究更加重视，研究重点集中在质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池上。

随着质子交换膜燃料电池技术的日益成熟，其研究重点将会由前期的开发的电池材料，逐渐转向后期的探索廉价制造工艺以及组装大规模电池堆等方面。

一、燃料电池的发电原理

燃料电池按电化学原理将化学能转化成电能，但是它的工作方式却与内燃机相似[2]。它在工作（即连续稳定的输出电能）时，必须不断地向电池内部送入燃料与氧化剂（如氢气和氧气）；与此同时，它还要排出与生成量相等的反应产物，如氢氧燃料电池中所生成的水。目前燃料电池的能量转化效率仅达到40%～60%，为保证电池工作温度的恒定，必须将废热排放出去。如果有可能，还要将该热能加以再利用，如高温燃料电池可与各种发电装置组成联合循环，以提高燃料的利用率。

燃料电池是一种能量转换装置。它按电化学原理，即原电池（如日常所用的锌锰干电池）的工作原理，等温的把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。

在电池中增湿后的氢气(H2(H2O)n)通过双极板上的气体通道穿过扩散层，到达阳极催化剂层，并吸附于电催化剂层中，然后在铂催化剂作用下，发生如下反应：

H2→2H++2e-或nH2O+1/2H2→H+·nH2O+e-

随后，H+或H+·nH2O进入质子交换膜，与膜中磺酸基（-SO3H）上的H+发生交换，使氢离子到达阴极。与此同时，阴极增湿的氧气也从双极板通过阴极扩散层，吸附于阴极电催化剂层中，并与交换而来的H+在铂的催化作用下发生反应，即：

1/2O2+2H++2e-→H20或1/2O2+ H+·nH2O+2e-→(n+1)H2O 生成的水随着尾气排出电池。

对于一个氧化还原反应，如：

[O]+[R]→P

式中，[O]代表氧化剂，[R]代表还原剂，P代表反应产物。原则上可以把上述反应分为两个半反应，一个为氧化剂[O]的还原反应，一个为还原剂[R]的氧化反应，若e-代表电子，即有：

[R] →[R]++ e-

[R]++ [O]+ e-→P

[R]+ [O] →P

以最简单的氢氧反应为例，即为：

H 2→2 H ++2e-

1/2O2+2H++2e-→H 2 O

H2+1/2O2→H2O

图1 燃料电池工作原理示意图

Fig.1 Schematic diagram of fuel cell work principle

如图1所示，氢离子在将两个半反应分开的电解质内迁移，电子通过外电路定向流动、做功，并构成总的电的回路[3]。氧化剂发生还原反应的电极称为阴极，其反应过程称为阴极过程，对外电路按原电池定义为正极。还原剂或燃料电池发生氧化反应的电极称为阳极，其反应过程成为阳极过程，对外电路定义为负极。

燃料电池与常规电池不同，它的燃料电池和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐中。当它工作（输出电流并做功）时，需要不断地向电池内输入燃料和氧化剂，并同时排出反应物。因此，从工作方式上看，它类似于常规的汽油或柴油发电机。

由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料电池使用的燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体（即气体和液体）。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体（如重整气）和某些液体（如甲醇水溶液）。常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和硝酸的水溶液等）。

由于燃料电池通常以气体为燃料和氧化剂，因此气体在电解质溶液中的溶解度很低，为了提高燃料电池的实际工作电流密度，减少极化，一方面应增加电极的真实表面积，另一方面应尽可能的减少液相传质的边界层厚度。多孔气体扩散