燃料电池的最新应用及研究进展解析

燃料电池的研究进展及其应用

摘要：本文主要介绍了燃料电池的种类和其优缺点，按电解质分为并碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、及熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池；对其在航空、电动汽车、固定式分散电站、备用电源和家庭电源作了简要的介绍。同时对其在燃料电池催化剂的研究进行了一定的综述。并对燃料电池的未来进行了展望。

关键词：燃料电池催化剂质子交换膜

1 引言

能源是社会发展和科技进步的重要物质基础，是国民经济发展的动力也是衡量一国综合国力，是国家文明发达程度和人民生活水平的重要指标。随着世界范围内工业的高速发展，全世界对能源的需求日益增加。另外，能源的使用以化石燃料为主，排放了大量CO2、N2O及硫化物等污染物，造成了环境污染，严重危害人民健康。因此，采用清洁、高效的能源利用方式，积极开发新能源，有利于国家和社会经济的可持续发展。

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的电化学反应装置，燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板及其两侧配置的燃料极(阳极) 、空气极(阴极)和气体流路构成[1]。该理念始于英国，是科学家格罗夫[2](W.R.Grove)在1839年首次提出了燃料电池技术，以清洁、高效、无污染的优异特质引起了世界各国政府科研机构和企业的高度重视。

2 燃料电池

燃料电池是一种将化学能直接转换成电能的电化

学反应装置。图1表示了燃料电池的工作原理。一节燃料

电池由阳极、阴极和电解质隔膜构成。燃料在阳极氧化，

氧化剂在阴极还原，从而完成整个电化学反应。电解质

隔膜的功能为分隔燃料和氧化剂并起到离子传导的作

用。燃料电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，原则上只要反应物不断的输入，反应产物不断的排除，燃料电池就能连续地发电了[3]。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。被认为是21世纪首选的直接、高效、洁净的发电技术。

燃料电池按照电解质的不同可以分为以下几类：燃料电池一般包括碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC)、磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)、及熔融碳酸盐燃料电池( MoltenCarbonateFuel Cell，MCFC)、质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)等，如图2所示。按工作温度不同，可将燃料电池分为低温型(工作温度低于120)、中温型(工作温度120-260)、高温型(工作温度260-750)和超高温型(工作温度750-1200)；按燃料处理方式不同，可分为直接型、间接型和再生型[4]。本文主要按照其电解质的不同进行讲解。

电池类型电解质导电

粒子工作温度

/ ℃

燃料氧化

剂

技术状态规模/ KW

碱性燃料电池（AFC）KOH、

NaOH

OH-室温-200 纯氢纯氧高度发展，

已在航天中

成功应用

1-100

磷酸燃料电池（PAFC）H3PO4H+100-200 重整气空气高度发展，

以用作分散

站，成本高

1-2000

图1-燃料电池的工作原理

熔融碳酸盐染料电池（MCFC）KCO3、

LiCO3

CO32-600-200 净化煤气、

重整气

空气需延长寿命250-2000

固体氧化物燃料电池（SOFC）氧化钇

稳定的

氧化锆

O2-800-1000 净化煤气、

天然气

空气电池结构选

择开发廉价

制备技术

1-100

质子交换膜燃料电池（PEMFC）全氟磺

酸膜

H+室温-100 纯氢净化、

重整气

氧气

空气

高度发展，

已有电动样

车，需降低

成本

1-300

图2-燃料电池的种类

2.1 碱性燃料电池（AFC）

碱性燃料电池（AFC）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[5]。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。AFC的优点在于除贵金属外，银、镍以及一些金属氧化物都可以作电极催化剂，它的阴极性能也比酸性体系要好，而且电池的结构材料也较便宜。缺点在于对CO2和N2十分敏感，故不适用于地面。在国外，将AFC用于潜艇及汽车的尝试已不再继续，目前AFC主要用作短期飞船和航天飞机的电源[6]。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[7]。

2.2 磷酸燃料电池（PAFC）

磷酸燃料电池是一种将氢气(燃料气体) 和氧气( 空气) 反应时的化学能直接、连续地转换成电能的电化学装置。在该电池装置中，氢气和氧气分别输送阳极和阴极，在电极、电解质和反应气体之间建立的三相界面处分别进行氧化、还原反应磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200℃左右，由于反应速度慢，仍需电极上的白金催化剂来加速反应，PAFC具有以下一些优点：（1）一定的抗一氧化碳（CO）中毒能力。(2)发电效率在35%-43%之间，大容量电站效率较高些。热电联供时，总效率为71%-85%。

(3) 洁净、对环境污染小，没有(或很小)转动部件，振动和噪声污染也很小。（4）无故障运行时间长。但是PAFC技术要进入商业化，除了在装置紧凑，检修空间小，维修困难等技术上进一步完善，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。PAFC技术已公认为可用于热电联供的、具有高度可靠性的发电装置，特别在医院、监狱、旅馆等对安全供电要求特别高的场合有着很好的应用前景。

2.3固体氧化物燃料电池（SOFC）

固体氧化物燃料电池(SOFC)以Ni+ZrO2(Y2O3)为阳极，LaSr(Mn)O3为阴极。始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。其电解质为氧化钇，因含有少量的氧化钙与氧化钻，稳定度较高，不需要催化剂，一般而言，