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一文了解燃料電池技術(shù)

嘉峪檢測網(wǎng) 2019-10-11 16:17

燃料電池由于具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、比能量（能量密度）高、噪聲低、可靠性高等優(yōu)點，近年來備受業(yè)界關(guān)注。從用途來看，其又以固定式燃料電池（主要應(yīng)用于家用燃料電池、發(fā)電用燃料電池）和交通用燃料電池（主要應(yīng)用于燃料電池汽車）為主。今天，EDN就帶大家了解下，燃料電池是什么，以及目前都有哪些技術(shù)。

燃料電池由于具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、比能量(能量密度)高、噪聲低、可靠性高等優(yōu)點，近年來備受業(yè)界關(guān)注。從用途來看，其又以固定式燃料電池(主要應(yīng)用于家用燃料電池、發(fā)電用燃料電池)和交通用燃料電池(主要應(yīng)用于燃料電池汽車)為主。

氫燃料電池汽車由于具有無污染、高效率、載重高、加氫快和續(xù)航長等優(yōu)點，未來將全面替代內(nèi)燃機汽車。甚至于世界各國都在積極發(fā)展氫能源并制定了相應(yīng)的路線圖，例如加氫站建設(shè)。

今天，EDN就帶大家了解下，燃料電池是什么，以及目前都有哪些技術(shù)。

什么是燃料電池?

簡單地說，燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料(氫、天然氣或甲醇等)與氧化劑(例如空氣)中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。在此過程中，燃料并不發(fā)生燃燒，因此不受熱力學(xué)定律(卡諾循環(huán)效應(yīng))的限制，也就效率高。此外，由于沒有機械傳動部件，因此沒有噪聲污染，排放出的有害氣體極少。

從外表上看有正負極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。它利用我們周圍各種化合物中所富含的氫和氧來發(fā)電，所產(chǎn)生的廢物只不過是水。

燃料電池的分類、工作原理及其特點

燃料電池按燃料電解質(zhì)的類型來分，可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)五大類。

堿性燃料電池

堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)(包括航天飛機)提供動力和飲用水。

它使用的電解質(zhì)是水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，其電化學(xué)反應(yīng)是先生成電子而為外部電路提供能量，然后才回到陰極與氧和水反應(yīng)而生成更多的羥基離子(OH-)。這與羥基從陰極移動到陽極與氫反應(yīng)生成水和電子略有不同。

負極反應(yīng)：

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
正極反應(yīng)：

O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

堿性燃料電池的工作溫度大約80℃，因此其啟動很快，但其能量密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池低十來倍，不適合在汽車中使用。不過，這種燃料電池是所有燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。

與質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對一氧化碳和其他雜質(zhì)非常敏感——這些雜志會污染催化劑。此外，其原料不能含有一氧化碳——一氧化碳會與氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，從而降低電池的性能。

堿性燃料電池的低溫性能好，溫度范圍寬，并且可以在較寬溫度范圍內(nèi)選擇催化劑，但是堿性電解質(zhì)易受CO2中和，因此必須要嚴格除去CO2，成本就偏高。

磷酸燃料電池

磷酸燃料電池是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。正如其名字所示，這種電池使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。磷酸燃料電池的工作溫度要比質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，為150~200℃左右，但仍需在電極上增加鉑催化劑來加速反應(yīng)。其陽極和陰極上的反應(yīng)與質(zhì)子交換膜燃料電池相同，但由于其工作溫度較高，其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。

電池中采用的是100%磷酸電解質(zhì)，其常溫下是固體，相變溫度是42℃。將氫氣燃料加入到陽極，其在催化劑作用下會受到氧化而變成質(zhì)子(即氫離子)。質(zhì)子和水結(jié)合成水合質(zhì)子，同時釋放出兩個自由電子。電子向陰極運動，而水合質(zhì)子通過磷酸電解質(zhì)向陰極移動。因此，在陰極上，電子、水合質(zhì)子和氧氣在催化劑的作用下生成水分子。具體的電極反應(yīng)如下。

陽極反應(yīng)：

H2 + 2H2O → 2H3O+ + 2e-
陰極反應(yīng)：

O2 + 4H3O+ + 4e- → 6H2O
總反應(yīng)：

O2 + 2H2 → 2H2O

由于不受二氧化碳限制，磷酸燃料電池可以使用空氣作為陰極反應(yīng)氣體，也可以采用重整氣作為燃料，這使得它非常適合用作固定電站。較高的工作溫度也使其對雜質(zhì)的耐受性較強，當(dāng)其反應(yīng)物中含有1~2%的一氧化碳和百萬分之幾的硫時，磷酸燃料電池照樣可以工作。

磷酸燃料電池的效率比其他燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。雖然磷酸燃料電池具有上述缺點，它也擁有許多優(yōu)點，例如構(gòu)造簡單、穩(wěn)定、電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力。

它采用磷酸為電解質(zhì)，利用廉價的炭材料為骨架。它除了以氫氣為燃料外，現(xiàn)在還有可能直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣等低廉燃料。與堿性氫氧燃料電池相比，最大的優(yōu)點是它不需要CO2處理設(shè)備。磷酸型燃料電池已成為發(fā)展最快的，也是目前最成熟的燃料電池，它代表了燃料電池的主要發(fā)展方向。

熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。

電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽。反應(yīng)原理示意圖如下：

陰極：

O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32-
陽極：

2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e-
總反應(yīng)：

O2 + 2H2 → 2H2O

熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫電池(600℃~700℃)，具有效率高(高于40%)、噪音低、無污染、燃料多樣化(氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等)、余熱利用價值高和電池構(gòu)造材料價廉等諸多優(yōu)點，是下一世紀的綠色電站。

固體氧化物燃料電池(SOFC)

固體氧化物燃料電池(SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、無污染地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。業(yè)界普遍認為這種燃料電池未來會與質(zhì)子交換膜燃料電池一樣得到廣泛普及應(yīng)用。

固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽極為燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時相當(dāng)于直流電源，陽極即電源負極，陰極為電源正極。

在固體氧化物燃料電池的陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面會吸附氧，由于陰極本身的催化作用，會使O2得到電子變?yōu)镺2-。在化學(xué)勢的作用下，O2-進入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。

SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池)相比有如下優(yōu)點：電流密度和功率密度較高;可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑;避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問題;能提供高質(zhì)余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達80%左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng);廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽極，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu);陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運行(600~1000℃)，加快了電池的反應(yīng)速度，還可實現(xiàn)多種碳氫燃料氣體的內(nèi)部還原，簡化了設(shè)備。

固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳氫燃料。在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯(lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站，以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源，都有廣闊的應(yīng)用前景。

質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在原理上也相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當(dāng)于直流電源，陽極即電源負極，陰極為電源正極。

兩電極的反應(yīng)分別為：

陽極(負極)：

2H2 - 4e- = 4H+
陰極(正極)：

O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O

由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當(dāng)電子通過外電路流向陰極時就產(chǎn)生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5~1V之間。將多個單電池層疊組合，就能構(gòu)成輸出電壓滿足實際負載所需的燃料電池堆。

質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點：其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高;發(fā)電時不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪聲。所以，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。

表：各種燃料電池對比。(來源：DOE，國金證券研究所)

來源：Internet

一文了解燃料電池技術(shù)

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