钜大LARGE | 点击量：3100次 | 2018年07月27日
燃料电池的应用和发展现状
1燃料电池的工作原理
人们常用的普通电池有碱性干电池、铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池等。燃料电池和普通电池相比，既有相似，又有很大的差异。它们有着相似的发电原理，在结构上都具有电解质，电极和正负极连接端子。二者的不同之处在于，燃料电池不是一个储存电能的装置，实际上是一种发电装置，它所需的化学燃料也不储存于电池内部，而是从外部供应。在燃料电池中，反应物燃料及氧化剂可以源源不断地供给电极，只要使电极在电解质中处于分隔状态，那么反应产物可同时连续不断地从电池排出，同时相应连续不断地输出电能和热能，这便利了燃料的补充，从而电池可以长时间甚至不间断地工作。人们之所以称它为燃料电池，只是由于在结构形式上与电池有某种类似：外特性像电池，随负荷的增加，它的输出电压下降[4]。
燃料电池实际上是一个化学反应器[5]，它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置，也没有直接的燃烧过程。燃料和氧化剂从外部不断输入，它就能不断地输出电能。它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。燃料电池的工作不只靠电池本身，还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整的燃料电池系统。燃料电池可以使用多种燃料，包括氢气、碳、一氧化碳以及比较轻的碳氢化合物，氧化剂通常使用纯氧或空气。它的基本原理相当于电解反应的逆向反应，即水的合成反应。燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用，电离成离子，由于离子能够通过二电极中间的电解质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压。当电极同外部负载构成回路时，就可向外供电(发电)。图1是燃料电池的工作原理图[6]。
2燃料电池的发展简史、分类及各自特性
1839年，WilliamGrove提出了氢和氧反应可以发电的原理，并发明了第一个燃料电池。他把封有铂电极的玻璃管浸入稀硫酸中，电解产生氢和氧，连接外部装置，氢和氧就发生电池反应，产生电流。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
1896年，W.W.Jacques提出了用煤作为燃料电池的燃料，但由于无法解决环境污染的问题，没有取得满意的效果。
1897年，W.Nernst用氧化钇和氧化锆的混合物作为电解质，制作成了固体氧化物燃料电池。
1900年，E.Baur研究小组发明了熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)。此后，I.Taitelbaum等人就此进行了一些拓展性的研究。
1902年，J.H.Reid等人先后开始研究碱质型燃料电池(AFC)。
1906年，F.Haber等人用一个两面覆盖铂或金的玻璃圆片作为电解质，与供气的管子相连，做出了固体聚合物燃料电池(SPFC)的雏形。
1952年，英国学者F.T.Bacon在借鉴前人研究经验的基础上研制出具有实用性的培根电池并获得专利。它的研制思路是避免采用贵金属并设法获得尽可能高的输出功率。采用双层孔径烧结镍做电极，氢氧化钾水溶液做电解质，以纯氢和纯氧为燃料及氧化剂。副产物是纯水。培根电池是燃料电池由实验走向实用具有里程碑性质的燃料电池[7]。
20世纪60年代以来，燃料电池进入了广泛的实用性开发阶段。按所使用的电解质的不同，燃料电池通常可以分为以下几种[8]：
2.1碱性燃料电池(alkalinefuelcell简称AFC)
这种电池是以氢氧化钾或氢氧化钠等碱性溶液为电解质，电解液渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中，导电离子为OH-，使用的电催化剂主要是贵金属(如铂、钯、金、银等)和过渡金属(如镍、钴、锰等)或者由它们组成的合金。电池的工作温度一般在60℃～90℃范围。它设计简单，但不耐CO2，所以原则上它必须采用纯氢和纯氧做为燃料。
2.2磷酸盐燃料电池(phosphoricacidfuelcell简称PAFC)
这种电池一般以Pt/C为电极基材，电解质为吸附于SiC上的85%的磷酸溶液，工作温度范围在150℃～200℃，其主要优点是产生热量高，产生CO的量少。缺点是电导率较低且有漏液问题。
2.3质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell简称PEMFC)
这种电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质，无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，室温下快速启动。
2.4熔融碳酸盐燃料电池(moltencarbonatefuelcell简称MCFC)
该型电池采用多孔Ni/Al/Cr作阳极，NiO为阴极，Li2CO3/Na2CO3为电解质，并加入LiAlO2做稳定剂。MCFC型燃料电池由于反应温度高，正常工作温度在650℃左右，电解质成熔融态，电荷移动很快，在阴阳电极处电化学反应快，因此可不用昂贵的贵金属作催化剂；对燃料适应广，可直接使用天然气或煤气作为燃料使用，降低了投资；可同汽轮发电机组组成联合循环，进一步提高发电效率。其优点是高效，耐CO.主要缺点是启动时间长。
2.5固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell简称SOFC)
固体氧化物燃料电池，又称高温燃料电池，电解质采用ZrO2+Y2O3，阳极为Ni+ZrO2(Y2O3)，阴极为La/SrMnO3。电解质允许氧离子自由通过，而不允许氢离子和电子通过。其电子导电性很差，低温时比电阻很大，因此，工作温度要维持在800～1000℃才能有较高的发电效率。从而要求采用高温密封材料。其优点是高效，耐CO，可以不用贵金属催化剂。缺点是启动时间长，工作温度高，带来材料耐高温，耐腐蚀问题。
还有一种分类方法是按电池工作温度对电池进行分类[9]，可分为：低温燃料电池(工作温度一般低于100℃)，它包括碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池；中温燃料电池(工作温度一般在100℃～300℃)，它包括培根型碱性燃料电池和磷酸型燃料电池；高温燃料电池(工作温度在600℃～1000℃)，它包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。表1是各种类型燃料电池的结构特性[10-13]。
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