燃料電池的關鍵技術探討

陳少峰，侯蘭鳳

（茂名職業技術學院，廣東 茂名 525000）

在環保壓力日益嚴重情況下，人們更加注重低碳排放，燃料電池具有能量轉化率高以及零排放等特點，成為各個國家的新型能源發展項目。燃料電池可理解為電池，然而與鋰電池以及干電池等傳統電池不同，是將氫氣、甲醇以及乙醇等作為發電燃料，在電池裝置內部注入燃料，并借助系列化學反應，轉化為電能。

1 燃料電池概述

燃料電池屬于將化學能變為電能的電力裝置，其優點在于噪音低、污染小以及能量轉化率高等。能夠以獨立單元的方式進行發電，也能通過串聯的方式組成發電站進行發電，可安裝在汽車、飛船等需要的地方。研究者對其保持著高度關注，其對人類未來的生活有著極大影響。燃料電池根據其工作溫度，在高于500 ℃時可以劃分為高溫類型，在150～500 ℃范圍內時可以劃分為中溫類型，在低于150 ℃時可以劃分為低溫類型。當前研究開發的五種燃料電池技術，①MCFC，其屬于高溫型；②SOFC，其屬于高溫型；③PAEC，其屬于中溫型；④AFC 其屬于低溫型；⑤PEMFC，其屬于低溫型。

2 燃料電池的結構和原料

2.1 熔融碳酸鹽電池

對于MCFC 電池，其運行溫度為650℃，其工作原理是借助甲醇、煤氣、天然氣和丙烷制氫，并通過空氣中O2與內部循環的CO2、H2發生一定反應，其燃料極化學反應方程式為H2+CO32-→H2O+CO2+2e-，其空氣極反應是2CO2+O2+4e-→CO32-。MCFC 的特點就是能夠將煤氣作為燃料，能夠對幾千KW 級發電廠或是百萬kW 級火力發電設備進行有效替換，可以在煤氣站中安裝應用，借助煤氣燃料實現發電。另外，熔融碳酸鹽屬于一種強腐蝕介質，會對電池材料造成一定腐蝕，尤其對于空氣極NiO 有著較強的腐蝕性。

2.2 磷酸型燃料電池

對于PAFC，其工作原理是對丙烷、天然氣以及甲醇等進行重整制氫，并由空氣提供O2，其燃料極反應是H2→2H++2e-，其空氣極的反應是1/2O2+2H++2e-→H2O。當前，對于3600～8000 cm2級的PAFC，其電流密度能夠達到200～300 mA/cm2，其功率密度能夠達到0.13～0.22 W/cm2，對于單電池容量是670 kW 的PAFC，其發電規模功率能夠達到11 MW。在電力生產中，PAFC 屬于重要技術，在其商業化發展中，需要保證其更加小型化、提高穩定與可靠性能高，將經濟性與可靠性作為PAFC 電池的研發重點。

2.3 質子交換膜電池

對于PEMFC，其工作溫度為80 ℃左右，若是將陽離子膜設定為氫離子的傳導體，則其工作原理和PAFC一致，若是借助陰離子膜進行氫離子傳導，則其工作原理核AFC 一致。PEMFC 的結構、材料等，與AFC 和PAFC基本一致，不同之處在于，其離子交換膜需要具備交換濃度高、膜厚度小、耐久性強以及機械強度高等特點。在20 世紀50 年代，由美國GE 公司所研發，并在飛船上得到廣泛應用。選用汽車燃料電池，則PEMF 是首選。

2.4 堿性燃料電池

對于AFC，其原理為借助純H2和沒有CO2空氣中O2形成電極反應，其燃料極為H2+2OH-→2H2O+2e-，其空氣極為1/2O2+H2O+2e-→2OH-。AFC 的空氣極與燃料極均為Ag 和Pt 的催化劑，其運行溫度低于100 ℃，在航天飛行器及其他特殊用途中有著廣泛應用，然而由于KOH 能夠對空氣中CO2進行吸收，對電池性能造成一定影響，需要合理設置CO2去除裝置，然而會使其成本提高，成為限制AFC 發展的重要因素。

2.5 固態氧化物電池

對于SOFC，其運行溫度是100 ℃，工作原理是借助甲醇、天然氣以及煤氣等制氫，燃料極H2+O2-→H2O+2e-，其空氣極為1/2 O2+2e-→O2-。SOFC 能夠對自身結構進行簡化，并未應用貴重金屬進行電極設置，然而，當前一般借助空氣極摻雜著一些Ag 粉末，使其導電性能得到充分優化，使O2還原的速度加快。

3 鉑基催化劑

3.1 Pt-M 催化劑

鉑和過渡金屬合金催化劑，能有效提升穩定性，同時能夠提升質量比活性。另外，能夠使貴金屬用量得到有效控制，進而減少催化劑成本。Pt-Ni/C 以及Pt-Co/C 等，其良好的穩定性及活動。Pt3Pd/C 催化劑，在FC電堆中已經進行了驗證，其性能能夠達到商品化要求。對此種催化劑，需要對電池在工況條件中過渡金屬溶解進行有效解決，金屬溶解會對催化劑活性產生一定抑制作用，需要對其穩定性加強研究。

3.2 Pt 核殼催化劑

借助殼是表面貴金屬、核是非Pt 材料的結構，能夠使Pt 用量得到有效控制。Pt@Pd-Co/C 催化劑，與商業Pt/C 催化劑相比，其質量比活性為3 倍，Pt@Cu-Co/C 催化劑是其質量比活性的4 倍。將Pt3Co 作為核，2 個原子層厚度Pt 作為殼的納米顆粒，其面積比活性與質量比活性分別提升了3 倍與2 倍，反應后其核殼結構并未出現變化。

3.3 Pt 單原子層催化劑

運用該催化劑，能夠使Pt 利用效率得到充分提高，同時，能夠使其ORR 性能方式得到充分優化。通過將金屬氮化物作為核的Pt 單層催化劑，其穩定性十分突出，并且能夠使Pt 得到充分利用。

4 固態電解質膜

碳氟主鏈具有疏水性，其-SO3H 具有親水性，因此，在膜內會形成微相分離，在膜處于濕潤狀態時，其親水相會相互聚集，產生離子簇網絡。對于全氟磺酸膜，Nafion、與其相似的Aciplex、Flemion 膜與武漢理工的復合膜較為常用。

當前，在質子交換膜中，其更趨向于薄型化方向發展，其厚度僅為十幾微米，使其性能得到有效提升。然而，薄膜的耐久性會受到一定影響，特別在均質膜中，經過長時間運行之后，會發生化學降解以及機械損傷等問題，并且其在溫度、干濕度等操作環境中，會使這些問題加劇。對此，需要在保證電池性能不發生變化的同時，可以通過復合膜研究，增強其耐久性。

5 燃料電池電堆

對于燃料電池電堆，是燃料電池中的核心部分。一般為了使電壓、功率等要求得到充分滿足，電堆一般通過對數百節單電池進行串聯而成，其冷劑、生成水以及反應氣等，借助并聯或是根據特殊方式經過所有單節電池。電堆具有一定均一性，使其性能受到一定影響。另外，材料均一性與部件制造均一性是電堆均一性的主要原因，尤其在流體分配均一性方面，與結構、材料、部件、電堆組裝以及操作等有著密切關聯。由電堆邊緣效應以及生成水積累所引起的不均一問題較為常見。對于電堆中一節、多節若是存在不均一問題，則會對局部的單節電壓造成影響，進而影響電堆整體性能，應該在設計、制造以及組裝等各個環節中對其不均一性進行有效控制，比如，在電堆設計中，幾何尺寸會對流體阻力降造成影響，而阻力降會能夠對制造誤差敏感度造成影響。如圖1 所示。

圖1 燃料電池電堆

6 膜電極組件

對于MEA，其屬于擴散層、催化層以及膜融合的組合件，自燃料電池中有著核心作用。膜處于中間位置，兩側分別是陽極擴散層以及陰極催化層，借助熱壓方法使其充分粘接。當前，MEA 技術歷經出現三代，一是將催化層向擴散層中進行制備，采用絲網印刷法較多。二是將催化劑層在膜上制備，該方法能夠使催化劑有效提升耐久性以及利用率。三是MEA 有序化，將Pt 等催化劑向有序化的納米結構上制備，可降低催化劑的用量，促使燃料電池的性能得到有效提升。

7 雙極板

在燃料電池中，雙極板的作用就是分配反應氣、帶走生成水等，以功能角度分析，雙極板材料應該是電、熱良導體、具有氣體致密性以及一定強度。在穩定方面，雙極板在pH 為2.2 左右、電位時E=-1.1V 環境中的耐腐蝕性良好，并且在與其他材料、部件相融時，沒有污染性。在產品化方面，雙極板應該具備成本低廉以及易于加工等特點。在燃料電池中，金屬雙極板、石墨碳板以及符合雙極板是較為常用的類型。在不同的應用方向中，其對功率功率密度有著不同要求，比如，在車輛尤其是轎車中，由于空間限制，要求其功率密度較高，因此，當前在此方面的熱點技術為薄金屬板，在企業公司中得到廣泛應用。對于金屬雙極板，其難點在于表面處理以及成型等技術，當前，將Ti、不銹鋼等非貴金屬作為基材，并輔以表面的處理技 術屬于熱點研究對象，其主要內容涵蓋篩選耐腐蝕、導電性能兼具的涂層材料以及穩定制備技術。對于表面處理的材料，可以將其分為碳與金屬兩種類型，其中金屬類涵蓋技術化合物與貴金屬。貴金屬涵蓋鉑、金以及銀等，雖然其成本較高，然而其接觸電阻與石墨相似、耐腐蝕性較強，可以在特殊領域中積極應用，為了有效控制成本，應該盡量減小處理層厚度，然而需要防止針孔問題。

8 結 語

綜上所述，當前，燃料電池電池的主要技術有PAFC、MCFC、SOFC、AFC 及PEMFC 五種不同類型，在應用過程中能夠實現高效率的能量轉化，是氫能、應用轉化的重要手段。