燃料電池的分類及應用

【摘 要】在能源問題成為世界核心問題的今天，燃料電池作為一種新型能源應用方式得到了越來越廣泛的應用。本文首先介紹了燃料電池的原理和特點，然后對燃料電池的分類進行了詳細說明，最后簡要介紹了其主要應用。

【關鍵詞】燃料電池;原理;分類;應用

0.引言

時至今日，世界經濟大體上仍然是化石燃料依賴型的，石油、煤和天然氣占世界初級能源消費總量的85％左右，剩下的部分主要是水電和核電，真正的可再生清潔能源如風能、太陽能等所占比例不到３％。世界能源需求仍在以1.5％～2％的年率增長，而地質學家預測說，石油和天然氣價格將大幅度上升，再也不會回落。

燃料電池的出現與發展，給便攜式電子設備帶來一場深刻的革命，并且還會波及到汽車業，住宅，以及社會各方面的集中供電系統。在21世紀中它將會把人類由集中供電帶進一種分散供電的新時代。燃料電池供電，沒有二氧化碳的排放，可減輕溫室效應使全球氣候變暖問題，它解決了火力發電使全球環境污染的問題，它是一個純正的綠色清潔能源。

1.燃料電池的原理

1.1 燃料電池的組成和工作原理

燃料電池的基本組成：陽極、陰極、電解質和外電路。燃料電池中的電解質有不同的種類。燃料電池是靠氫氧結合成水的反應來發電的，因而不會產生氮氧化物（NOX）和碳氫化合物（HC）等易對空氣造成污染的物質。它由三部分組成：陰極、陽極和電解液。

燃料電池有著幾個獨特的性質：

（1）燃料電池在工作時必須有能量（燃料）輸入，才能產出電能。

（2）燃料電池所能夠產生的電能只和燃料的供應有關，只要供給燃料就可以產生電能，其放電是連續進行的。

（3）燃料電池本體的質量和體積并不大，但需要一套燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備才能獲得氫氣，而這些燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備的質量和體積遠遠超過燃料電池本身。

1.2 燃料電池中的催化作用

燃料電池中的電催化作用是用來加速燃料電池化學反應中電荷轉移的一種作用，一般發生在電極與電解質的分界面上。 催化劑是一類可產生電催化作用的物質。電催化劑可以分別用于催化陽極和陰極反應。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優選不同的催化劑。

評價催化劑的主要技術指標為穩定性、電催化活性、電導率和經濟性。

2.燃料電池的特點

由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能，因此，它沒有像通常的火力發電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發電機的能量形態變化，可以避免中間的轉換的損失，達到很高的發電效率。同時還有以下一些特點：

不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發電效率；不管裝置規模大小均能保持高發電效率； 具有很強的過負載能力； 通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；用天然氣和煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少，環境相容性優。

此外，燃料電池的能量轉換效率高，不受卡諾效率限制；清潔、環保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機等大型設備、沒有SOx、NOx氣體和固體粉塵的排放；可靠性和操作性良好，噪聲低；所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。

3.燃料電池的分類

燃料電池可依據其工作溫度、所用燃料的種類和電解質類型進行分類。按照工作溫度，燃料電池可分為高、中、低溫型三類。按燃料來源，燃料電池可分為直接式燃料電池(如直接甲醇燃料電池)，間接式燃料電池(如甲醇通過重整器產生氫氣，然后以氫氣為燃料電池的燃料)和再生類型進行分類。依據電解質的不同，可將燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MC

FC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。

3.1直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池是以甲醇為燃料，通過與氧結合產生電流的，優點是直接使用甲醇，省去了氫的生產與存儲。其電化學轉化過程又可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。直接燃料電池主要是甲醇在陽極被電解為氫和二氧化碳，氫通過質子膜到陰極與氧氣反應并同時產生電流。間接燃料電池是先將甲醇進行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過質子膜電解槽反應而獲得供給汽車動力的電能。這種燃料電池以甲醇為能量來源，手機，筆記本電腦將不再用充電。

3.2固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池采用固體氧化物作為電解質，除了高效，環境友好的特點外，它無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題；在高的工作溫度下電池排出的高質量余熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料適用范圍廣，不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣（甲烷）、煤汽化氣，碳氫化合物、NH3、H2S等作燃料。這類電池最適合于分散和集中發電。

3.3堿性燃料電池

再生氫氧燃料電池將水電解技術(電能+2H2O→2H2+O2)與氫氧燃料電池技術(2H2+O2→H2O+電能)相結合 ，氫氧燃料電池的燃料 H2、氧化劑O2可通過水電解過程得以“再生”， 起到蓄能作用。可以用作空間站電源。采用氫氧化鉀溶液作為電解液。這種電解液效率很高（可達60-90％），但對影響純度的雜質，如二氧化碳很敏感。因而運行中需采用純態氫氣和氧氣。這一點限制了將其應用于宇宙飛行及國際工程等領域。

3.4質子交換膜燃料電池

燃料電池工程中心研究雙效催化劑和雙效氧電極的制備方法，研制薄層電極并制備膜電極三合一組件，降低電極鉑擔量。目前電極的鉑擔量已降至0.02mg/cm2。同時進行固體電解質的水電解技術開發，已掌握水電解用膜電極的制備技術。

3.5熔融碳酸鹽燃料電池

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造材料價廉等諸多優點，是下一世紀的綠色電站。

4.燃料電池的應用

燃料電池技術因具備低污染、高能源轉換效率的特性，更能滿足人類高效、環保的需求。它具有更高的能源密度。緊急備用發電機、住宅用熱電共生系統、UPS、分布式發電系統、軍事國防、太空與運輸工具領域、機器人、筆記型計算機、PDA、手機等便攜電子產品、便攜電源、搬運工具、電動輔助/代步車等。采用極薄的塑料薄膜作為其電解質。這種電解質具有高功率一重量比和低工作溫度。是適用于固定和移動裝置的理想材料。

質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解質，無電解質腐蝕問題，能量轉換效率高，無污染，可室溫快速啟動。質子交換膜燃料電池在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應用前景，尤其是電動車的最佳驅動電源。它已成功地用于載人的公共汽車和奔馳轎車上。

5.小結

高效、潔凈的燃料電池必將在未來的高效、清潔發電技術中占有一席之地。但是，資金、技術、觀念、基礎設施上還有許多需要克服的困難。油價飆升、電價太貴，燃料電池成為未來家庭能源供應相對便宜的選擇，也是目前最令人滿意的解決方案。在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應用前景。 [科]

【參考文獻】

［１］石新軍.燃料電池的應用和發展.現代物理知識，2006，1.

［２］儲海虹，屠一鋒，曹洋.燃料電池研究現狀.電池工業，2003，5(8).

［３］薛琳，丁信偉.新型能源—燃料電池概述.中國科技論文在線.