燃料电池简介燃料电池是一种将燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的能量转换装置，是氢能使用最普遍的能量转换方式。燃料电池工作时不涉及做
功和其他形式的能量转化过程，不受卡诺循环的限制，所以能量转换效率非常高，理论上高达80%~95%，实际使用效率40%~60%。
燃料电池运行时产生的NOx、SOx等有毒有害的气体非常少，可以有效减少环境污染，而且噪声低，被认为是继火电、水电、核电之后的第四
种发电方式。燃料电池结构主要可以分为电解质、阴极和阳极三个组成部分。燃料电池工作时，阴极侧通入空气或氧气，阳极侧通入燃料气，主要为
氢气，电解质起传导离子、隔绝气体的作用。按照电解质的成分分类，燃料电池主要可以分为碱性燃料电池（alkalinefuelcel
l，AFC）、质子交换膜燃料电池（polymeric-electrolyte-membranefuelcell，PEMFC）
、磷酸燃料电池（phosphoric-acidfuelcell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（moltencarbonate
fuelcell，MCFC）、和固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell，SOFC）。图1各种燃料电
池工作原理图碱性燃料电池，AFC，是最早实现商业化应用的燃料电池。在20世纪中叶，成功地应用在阿波罗飞船上，为飞船提供纯净水以及电
力，实际能量转化效率高达70%以上。AFC以浸泡了碱性液体的多孔基体为电解质，如KOH，碱性条件下氧还原反应能够快速进行，所以
可以用非贵金属作为阴阳极的催化剂，阳极采用镍作为催化剂，阴极采用碳负载银作为催化剂。AFC的缺点是容易受到CO2的毒化，因
为CO2会与KOH反应生成K2CO3，它会堵在多孔电极表面，阻碍气体与电极接触，即使只有极少量的CO2存在，也会严重影
响发电效率。因此必须通入的纯氢和纯氧必须完全清除CO2，而这是个成本高昂的步骤，大大增加了AFC的使用成本。图2航天飞机上
使用的碱性燃料电池系统磷酸燃料电池，PAFC，曾经是商业化程度最高的燃料电池，商用的PAFC已经实现了MW级别的发电能力。它以浸泡
了高浓度磷酸的碳化硅作为电解质，工作温度通常在150~200℃之间，以负载了铂金颗粒的碳纸为阴阳极。因为工作温度较高，所以忍受
CO的能力比较强。与其他燃料电池相比，PAFC的功率密度相对较低，效率低，只有40%，而且由于工作温度较高启动时间比较长。此
外，电解质磷酸会对多孔基体和电极造成腐蚀，对基体材料的耐腐蚀性要求较很高。代表企业有韩国的斗山集团和日本的富士电机。图3韩国斗
山集团的固定式磷酸燃料电池发电系统熔融碳酸盐燃料电池，MCFC，它的电解质是熔融的碳酸盐，主要是熔融的K2CO3和Na2CO
3，熔融的碳酸盐通过多孔的LiAlO2隔膜承载。为了达到足够高的离子电导率，MCFC工作温度需要维持600℃左右。因为工作
温度高，电极的电化学过程相比中低温的燃料电池被大大加速，所以电极可以使用廉价的陶瓷材料代替贵金属作为催化剂，极大地降低了MCFC
的制造成本；同时，高温下CO可以被内重整，因此可以使用含CO的气体为燃料。电池工作时，氧气在阴极被还原，同时与CO2结
合生成CO32-,通过电解质传输到阳极，与H+结合生成水和CO2。整个反应过程需要CO2的参与，CO2需要循环使用。从阳
极侧排出的CO2经过纯化后，按照一定比例与空气通入阴极，CO2循环系统增加了MCFC的复杂性。此外，由于熔融状态的电解质具有
腐蚀性，并存在泄漏问题，对电池寿命有不良的影响。唯一有突出表现的公司是FuelCellEnergy，该公司在加利福尼亚州图莱里
县拥有输出功率为2.8MW的生物质气发电站，在康涅狄格州格罗顿市和加利福尼亚州圣贝纳迪诺县拥有输出功率为8.8MW的发电站。图4
FuelcellEnergy的燃料电池发电站质子交换膜燃料电池，PEMFC，是目前最具有发展前景的一种燃料电池，也是目前商业
化程度最高的一种燃料电池，运行温度在50℃~100℃之间，具有功率密度高、良好的启停能力等优点，已经成功运用在汽车和固定式发电装
置中。PEMFC又称为固体高分子电解质交换膜燃料电池，它以一种可以传导氢离子的高分子薄膜为电解质，电极是Pt-C催化剂，电极
两侧是气体扩散层，用于引导气体至反应场所，同时排出产物。这三层结构就是PEMFC的膜电极结构（MEA），整个电池结构不包含液体
，不存在液体泄漏的风险。现阶段的PEMFC通常用Nafion公司的全氟磺酸质子膜作为电解质，这种高分子薄膜需要一定的水分参
与实现氢离子的传输，所以电池工作温度不能超过100℃，否则水分蒸发会导致电解质电阻增大；但是电池工作时产生的水必须顺利排出，否则
过多的液态水会淹没膜电极，阻碍气体与催化剂接触。此外，PEMFC的催化剂对CO特别敏感，CO比H2更容易吸附在Pt催化
剂表面，造成催化剂失活，所以PEMFC对氢气和空气中CO的浓度要求非常高。国外的代表性企业有丰田、巴拉德等，国内的有亿华通、国鸿
氢能等企业。图5质子膜燃料电池关键结构图6亿华通的质子膜燃料电池系统固体氧化物燃料电池，SOFC，是一种全固态燃料电池，不
含有任何液体，不存在液体腐蚀和泄漏的风险，它以氧化钇掺杂的氧化锆Y2O3-ZrO2(YSZ)作为电解质，在高温下具有氧离子导电能力
，与MCFC一样属于高温燃料电池，工作范围从500℃~1000℃不等。由于操作温度高，电极材料均可以采用廉价的陶瓷，不含贵金属催化
剂，现阶段的SOFC，阳极主要以镍为催化剂，阴极主要用锶Sr掺杂的LaMnO3，或者(La,Sr)(Co,Fe)O3（LSCF）
作为催化剂；因为运行温度高，可以直接通入碳氢燃料和氨气进行发电，燃料适应性广。SOFC的能量转化效率高，所需热量可以利用工业生产的
废热，进一步降低能耗；电池余热可以用于热电联供，使整个系统的能量效率达到85%以上。但是温度太高又带来启动缓慢，寿命短等问题，而且
对材料的耐热性能提出了很高的要求。代表性企业有BloomEnergy、京瓷等，国内的有潮州三环、宁波索福人等。图7固体氧化物
燃料电池工作原理图8固体氧化物燃料电池电堆按照工作温度划分，燃料电池可以分为低温燃料电池（AFC、PEMFC）、中温燃料电池（
PAFC）和高温燃料电池（MCFC、SOFC）；按照酸碱性划分，可以分为碱性和酸性燃料电池，电解质传导阴离子的属于碱性燃料电池，电
解质传导质子的属于酸性燃料电池；按照燃料的种类，可以分为氢燃料电池、甲醇燃料电池、天然气燃料电池等。不过无论怎么划分，本质上是因为电解质的性质不同所导致的。因为质子膜需要水分保证电导率，所以PEMFC必须工作在100℃以下；因为YSZ需要在高温下才有传导氧离子的能力，所以SOFC需要工作在500℃以上，而高温又使它具备催化除氢气以外其他燃料的能力。图9五种燃料电池的工作温度及组成材料 |
|
