新能源燃料電池分析

摘 ?要：燃料電池被看作最有發展前途的發電技術。近年來，世界主要發達國家從資源和環保的角度出發，積極推進氫和燃料電池產業的發展。本文介紹了燃料電池的工作原理，并對各種燃料電池進行了分類總結，最后對燃料電池的進一步發展作出了展望和總結。

關鍵詞：燃料電池、新能源材料、產業發展、儲氫

電化學發電是繼水力、熱能和原子能之后的第四種發電技術。[1]由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制[2];從節約能源的角度來看，燃料電池的原料主要為燃料和氧化劑，排放出的有害氣體少;由于沒有機械傳動部件，故也沒有噪聲污染。[3，4，5]

一、工作原理

燃料電池按電化學原理工作。實際過程是氧化還原反應。燃料電池主要由四部分組成：陽極、陰極、電解質和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子，電子經外電路傳導到陰極并與氧化氣結合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質遷移到陽極上，與燃料氣反應，構成回路，產生電流。

二、電池分類

燃料電池有不同的分類方法：根據電解質的不同，燃料電池可分為堿性、磷酸、熔融碳酸鹽、固體氧化物和質子交換膜燃料電池;根據工作環境溫度的不同，可分為低溫、中溫、高溫和超高溫型;按燃料處理方式分為直接、間接和再生[6]。

1. 堿性燃料電池（AFC）

堿性燃料電池是燃料電池中最早開發并獲得應用的一種，因為液體燃料儲運方便，易于處理。曾考慮用作AFC電池的液體燃料包括阱、液氨、甲醇和烴類。由于AFC系統通常以KOH溶液作為電解質，KOH與某些燃料可以發生化學反應使得AFC幾乎不可以使用液體燃料。阱空氣燃料電池曾作為軍用電源大力開發，但缺點是具有高毒性。除了阱-空氣燃料電池，曾研究過的AFC系統還有氨-空氣燃料電池，但從長遠來看，最具潛力的液體燃料是烴類、甲醇等。

2. 硝酸燃料電池（PAFC）

PAFC和AFC都是第一代燃料電池技術，是目前最為成熟的應用技術，已經進入商業化應用和批量生產。這種電池使用液體磷酸為電解質，通常位于碳化硅基質中，電極上的白金催化劑來加速反應。

電池中采用的是磷酸電解質。氫氣燃料被加入到陽極，在催化劑作用下被氧化成為質子，同時釋放出兩個自由電子。氫質子和磷酸結合成磷酸合質子，向正極移動。電子向正極運動，而水合質子通過磷酸電解質向陰極移動。在正極上，電子、水合質子和氧氣在催化劑的作用下生成水分子。

3. 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

熔融碳酸鹽燃料電池由于其可以作為大規模民用發電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。它在電池材料、工藝、結構等方面都得到了很大的改進。80年代，它已被作為第二代燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池以熔融堿金屬碳酸鹽的混合物組成低共熔體系作電解質，以氧化鎳為正極、鎳為負極的一種燃料電池。其燃料用氫和一氧化碳，氧化劑為空氣。電池主要是由陽極、陰極、電解質基底和集流板或雙極板構成。MCFC的特點就是能夠將煤氣作為燃料，能夠對百萬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。優點是電極反應不需要高效催化劑，節省了成本

4. 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，被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池（PEMFC）一樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。電解質采用固體氧化物氧離子導體，起傳遞及分離空氣和燃料的雙重作用。電解質材料是SOFC所有組分中的重要組分之一，在SOFC運行過程中，電解質起著傳導電離子和分離空氣、燃料氣的作用。

5. 質子交換膜燃料電池（PEMFC）

質子膜燃料電池，是一種新型燃料電池，其電解質是一種固體有機膜，在增濕情況下，膜可傳導質子。質子交換膜燃料電池單體主要由膜電極、密封圈、和帶有導氣通道的流場板組成。膜電極是質子交換膜燃料電池的核心部分，中間是質子交換膜，流場板通常由石墨制成。質子交換膜燃料電池以氫為燃料。質子交換膜燃料電池能量轉換效率高，無污染，可在室溫下快速啟動，特別適合用做動力電源。

三、燃料電池優點

燃料電池沒有中間的能量轉化環節，還可回收發電過程中產生的余熱，綜合考慮效率能達到80%;發電過程，機械部件很少，噪聲低;化學反應的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會污染環境;從中斷運轉到再啟動，輸電能力回升速度快，并可在短時間內增加和減少電力輸出。

四、應用與展望

燃料電池的高效無污染的突出優點是其它發電方式所無法比擬的， 被稱為綠色能源也當之無愧。無論在我國還是世界， 積極發展高效無污染的能源工業都是日益迫切的課題， 積極發展燃料電池發電技術是能源工業發展的必然。我們應抓住機遇， 迎接挑戰， 大力開展我國燃料電池發電技術的研究。

參考文獻.

[1]田玫，孫麗榮，魏英智.燃料電池發展的歷史[J].化學與粘合，1995（04）：224-226.

[2].燃料電池產業分析[J].電器工業，2020（09）：20-25.

[3]劉潔， 王菊香， 邢志娜等. 燃料電池研究進展及發展探析[J]. 節能技術， 2010， （4）：364-368.

[4]陳少峰，侯蘭鳳.燃料電池的關鍵技術探討[J].冶金與材料，2019，39（05）：65-66+68..

[5]崔愛玉，付穎.燃料電池——新的綠色能源[J].應用能源技術，2006（07）：14-15+48..

[6]王恒.氫能發展模式應用[J].農村電氣化，2021（05）：65-69.

作者簡介：

李鑫圣（1999.10——），男，漢族，山西省陽泉市人，本科，拉薩市城關區西藏大學在讀本科生， 研究方向：新能源制造。