一. 燃料電池簡介

 

 

 

1.定義

 

 

 

燃料電池(Fuel Cells)是一種不需要經(jīng)過卡諾循環(huán)的電化學(xué)發(fā)電裝置，能量轉(zhuǎn)化率高。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。由于在能量轉(zhuǎn)換過程中，幾乎不產(chǎn)生污染環(huán)境的含氮和硫氧化物，燃料電池還被認(rèn)為是一種環(huán)境友好的能量轉(zhuǎn)換裝置。由于具有這些優(yōu)異性，燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)新型環(huán)保高效的發(fā)電技術(shù)之一。隨著研究不斷地突破，燃料電池已經(jīng)在發(fā)電站、微型電源等方面開始應(yīng)用。

 

 

 

2.基本結(jié)構(gòu)

 

 

 

燃料電池的基本結(jié)構(gòu)主要是由四部分組成，分別為陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。通常陽極為氫電極，陰極為氧電極。陽極和陰極上都需要含有一定量的電催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，兩電極之間是電解質(zhì)。

 

 

 

 

 

圖1.燃料電池基本結(jié)構(gòu)示意圖

 

 

 

3.分類

 

 

 

目前燃料電池的種類很多，其分類方法也有很多種。按不同方法大致分類如下：

 

(1)按運(yùn)行機(jī)理來分類：可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池；

 

(2)按電解質(zhì)的種類來分類：有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)；

 

 

 

 

 

圖2.燃料電池分類詳細(xì)介紹

 

(3)按燃料的類型來分類：有直接式燃料電池和間接式燃料電池；

 

(4)按燃料電池工作溫度分：有低溫型(低于200℃)；中溫型(200-750℃)；高溫型(高于750℃)。

 

 

 

4.原理

 

 

 

燃料電池的工作原理相對簡單，主要包括燃料氧化和氧氣還原兩個電極反應(yīng)及離子傳輸過程。早期的燃料電池結(jié)構(gòu)相對簡單，只需要傳輸離子的電解質(zhì)和兩個固態(tài)電極。當(dāng)以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑時(shí)，燃料電池的陰陽極反應(yīng)和總反應(yīng)分別為：

 

陽極：H2 → 2Ｈ＋＋2ｅ-

 

陰極：1/2 O2＋2Ｈ＋＋2ｅ-→Ｈ2O

 

總反應(yīng)：H2＋1/2Ｏ2 →H2O

 

其中，Ｈ2通過擴(kuò)散達(dá)到陽極，在催化劑作用下被氧化成和ｅ-，此后，Ｈ+通過電解液到達(dá)陰極，而電子則通過外電路帶動負(fù)載做功后也到達(dá)陰極，從而與O2發(fā)生還原反應(yīng)（ORR）。

 

 

 

時(shí)至今日，己有多種類型的燃料電池根據(jù)不同的應(yīng)用需求被研發(fā)出來。按導(dǎo)電離子類別可分為酸性燃料電池、堿性燃料電池、烙融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池（SOFC）。酸性燃料電池還可細(xì)分為PEMFC、直接醇類燃料電池和磷酸燃料電池。各類燃料電池皆有其工作特性，工作溫度低至－40°Ｃ、高至1000°?？筛鶕?jù)不同的需求選擇燃料電池類型。其中PEMFC是最近幾十年里受關(guān)注最多的燃料電池。PEMFC不僅具備燃料電池的普遍特征，還有可低溫下快速啟動和工作、無電解液流失、壽命長、比功率與比能量高等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是將來替代內(nèi)燃機(jī)作為汽車動力電源最理想方案。

 

 

 

由于燃料電池模塊化、功率范圍廣和燃料多樣化等特點(diǎn)，能被應(yīng)用于多種場合：小至代步車電源、移動充電裝置，大至兆瓦級發(fā)電站。實(shí)際上，燃料電池的商業(yè)化進(jìn)行得如火如茶。資料顯示，從2008年至2011年，世界范圍內(nèi)燃料電池作為通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物流和機(jī)場地勤的備用電源市場份額増長了214％。預(yù)計(jì)至2020年，燃料電池的市場總值將達(dá)到192化美元。

 

 

 

便攜式電源市場銷售額的逐年増長吸引了許多電源技術(shù)，其產(chǎn)品包括：筆記本電腦、手機(jī)、收音機(jī)及其他需要電源的移動設(shè)備，為方便個人攜帶，便攜式移動電源的基本要求通常要求電源具有高比能量、質(zhì)輕小巧等特點(diǎn)。而燃料電池的能量密度通常是可充電電池的５到10倍，使其具有較大的競爭力.此外，燃料電池不需要額外充電的特點(diǎn)也使它能適應(yīng)更長久的野外生活。目前，己有直接甲醇燃料電池（DMFC）和PEMFC被應(yīng)用為軍用單兵電源和移動充電裝置上。成本、穩(wěn)定性和壽命將是燃料電池應(yīng)用于便巧式移動電源的所需要解決的技術(shù)問題。

 

 

 

（2）固定電源

 

 

 

固定電源包括緊急備用電源、不間斷電療、偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立電站等。目前，燃料電池每年占據(jù)全球約７０％的兆瓦級固定電源市場，相比于傳統(tǒng)的鉛酸電池，燃料電池具有更長的運(yùn)行時(shí)間（大約為鉛酸電池的５倍）、更髙的比能皇密度、更小的體積和更好的環(huán)境適應(yīng)性。對于智能電網(wǎng)難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)和緊急事故發(fā)生地，獨(dú)立電站被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)且可靠的供電方式。在我國多次的地展災(zāi)害中，燃料電池被用作獨(dú)立電站，為救災(zāi)工作發(fā)揮了重要作用。需要注意的是，固定電站通常需要較長的壽命（大于80000小時(shí)），這是燃料電池技術(shù)應(yīng)用于固定電站的最大技術(shù)挑戰(zhàn)。

 

 

 

（3）交通動力電源

 

 

 

交通動力電源一直是清潔能源技術(shù)研發(fā)的主要誘導(dǎo)因素，因?yàn)槿颍保罚サ臏厥覛怏w（CO2）都是由基于化石燃料的交通動力產(chǎn)生，另外還伴隨著其他的大氣污染問題，如霧霾等。H2為燃料的PEMFC被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)的最佳替代動力，主要原因是：(a)尾氣只有水，無任何污染排放；(b)燃料電池的工作效率極高（53%-59%），幾乎是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的兩倍；(c)低溫快速啟動、運(yùn)行噪音低且運(yùn)行穩(wěn)定，世界諸多國家都在推進(jìn)燃料電池交通動力方案，日本是其中最激進(jìn)的國家之一。日本計(jì)劃在2025年之前，建設(shè)超過1000個加氨站和運(yùn)行200萬輛燃料電池汽車。2015年，日本豐田汽車公司開始售賣世界上第一輛PEMFC為主要動力電源的汽車Mirai，標(biāo)志著燃料電池技術(shù)應(yīng)用于汽車動力的新紀(jì)元。

 

 

 

 

 

燃料電池是一個自動運(yùn)行的發(fā)電廠。它的誕生、發(fā)展是以電化學(xué)、電催化、電極過程動力學(xué)、材料科學(xué)、化工過程和自動化等學(xué)科為基礎(chǔ)的。從1839年格羅夫發(fā)表世界上第一篇關(guān)于燃料電池的報(bào)告至今已有160余年的歷程。從技術(shù)上看，我們體會到新概念的產(chǎn)生、發(fā)展與完善是燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵。如燃料電池以氣體為氧化劑和燃料，但是氣體在液體電解質(zhì)中的溶解度很小，導(dǎo)致電池的工作電流密度極低。為此科學(xué)家提出了多孔氣體擴(kuò)散電極和電化學(xué)反應(yīng)三相界面的概念。正是多孔氣體擴(kuò)散電極的出現(xiàn)，才使燃料電池具備了走向?qū)嵱没谋貍錀l件。為穩(wěn)定三相界面，開始采用雙孔結(jié)構(gòu)電極，進(jìn)而出現(xiàn)向電極中加入具有憎水性能的材料——— 如聚四氟乙烯等，以制備粘合型憎水電極。對以固體電解質(zhì)作隔膜的燃料電池，如質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池，為在電極內(nèi)建立三相界面，則向電催化劑中混入離子交換樹脂或固體氧化物電解質(zhì)材料，以期實(shí)現(xiàn)電極的立體化。

 

 

 

材料科學(xué)是燃料電池發(fā)展的基礎(chǔ)。一種新的性能優(yōu)良的材料的發(fā)現(xiàn)及其在燃料電池中的應(yīng)用，會促進(jìn)一種燃料電池的飛速發(fā)展。如石棉膜的研制及其在堿性電池中的成功應(yīng)用，確保了石棉膜堿性氫氧燃料電池成功地用于航天飛機(jī)。在熔融碳酸鹽中穩(wěn)定的偏鋁酸鋰隔膜的研制成功，加速了熔融碳酸鹽燃料電池兆瓦級實(shí)驗(yàn)電站的建設(shè)。氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯固體電解質(zhì)隔膜的發(fā)展，使固體氧化物燃料電池成為未來燃料電池分散電站的研究熱點(diǎn)。而全氟磺酸型質(zhì)子交換膜的出現(xiàn)，又促使質(zhì)子交換膜燃料電池的研究得到復(fù)興，進(jìn)而迅猛發(fā)展。

 

 

 

在20世紀(jì)60年代以前，由于水力發(fā)電、火力發(fā)電和化學(xué)電池的高速發(fā)展與進(jìn)步，燃料電池一直處于理論與應(yīng)用的基礎(chǔ)研究階段，主要是關(guān)于概念、材料與原理方面的研究。燃料電池的突破主要靠科學(xué)家的努力。進(jìn)入60年代，由于載人航天器對于大功率、高比功率與高比能量電池的迫切需求，燃料電池才引起一些國家與軍工部門的高度重視。正是在這樣的背景下，美國引進(jìn)了培根的技術(shù)，制成功阿波羅登月飛船上的主電源—培根型中溫氫氧燃料電池。20世紀(jì)90年代以來，出于可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)地球、造福子孫后代等目的，人類日益關(guān)注環(huán)境保護(hù)。基于質(zhì)子交換膜燃料電池的高速進(jìn)步，各種以其為動力的電動車已問世，除了造價(jià)高以外，其性能已可與內(nèi)燃機(jī)車相媲美。因此燃料電池電動車已成為美國政府和大汽車公司關(guān)注與競爭的焦點(diǎn)。

 

 

 

從投資上看，在此以前發(fā)展燃料電池的投資主要靠政府，而至今公司已成為發(fā)展燃料電池，尤其是燃料電池電動車的投資主體。世界上所有的大汽車公司與石油公司均已介入燃料電池汽車的開發(fā)，短短幾年的時(shí)間，投入約80億美元，研制成功的燃料電動汽車達(dá)到41種，其中，轎車旅行車 24種，城市間巴士9種，輕載卡車3種。今年美國又宣布了一個投資25億美元的發(fā)展燃料電池電汽車的計(jì)劃，其中國家撥款15億美元，三大汽車公司投資10億美元。