新能源燃料电池分析

摘  要：燃料电池被看作最有发展前途的发电技术。近年来，世界主要发达国家从资源和环保的角度出发，积极推进氢和燃料电池产业的发展。本文介绍了燃料电池的工作原理，并对各种燃料电池进行了分类总结，最后对燃料电池的进一步发展作出了展望和总结。

关键词：燃料电池、新能源材料、产业发展、储氢

电化学发电是继水力、热能和原子能之后的第四种发电技术。[1]由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制[2];从节约能源的角度来看，燃料电池的原料主要为燃料和氧化剂，排放出的有害气体少;由于没有机械传动部件，故也没有噪声污染。[3，4，5]

一、工作原理

燃料電池按电化学原理工作。实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成：阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。

二、电池分类

燃料电池有不同的分类方法：根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性、磷酸、熔融碳酸盐、固体氧化物和质子交换膜燃料电池;根据工作环境温度的不同，可分为低温、中温、高温和超高温型;按燃料处理方式分为直接、间接和再生[6]。

1. 碱性燃料电池（AFC）

碱性燃料电池是燃料电池中最早开发并获得应用的一种，因为液体燃料储运方便，易于处理。曾考虑用作AFC电池的液体燃料包括阱、液氨、甲醇和烃类。由于AFC系统通常以KOH溶液作为电解质，KOH与某些燃料可以发生化学反应使得AFC几乎不可以使用液体燃料。阱空气燃料电池曾作为军用电源大力开发，但缺点是具有高毒性。除了阱-空气燃料电池，曾研究过的AFC系统还有氨-空气燃料电池，但从长远来看，最具潜力的液体燃料是烃类、甲醇等。

2. 硝酸燃料电池（PAFC）

PAFC和AFC都是第一代燃料电池技术，是目前最为成熟的应用技术，已经进入商业化应用和批量生产。这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中，电极上的白金催化剂来加速反应。

电池中采用的是磷酸电解质。氢气燃料被加入到阳极，在催化剂作用下被氧化成为质子，同时释放出两个自由电子。氢质子和磷酸结合成磷酸合质子，向正极移动。电子向正极运动，而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动。在正极上，电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。

3. 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

熔融碳酸盐燃料电池由于其可以作为大规模民用发电装置的前景而引起了世界范围的重视。它在电池材料、工艺、结构等方面都得到了很大的改进。80年代，它已被作为第二代燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池以熔融碱金属碳酸盐的混合物组成低共熔体系作电解质，以氧化镍为正极、镍为负极的一种燃料电池。其燃料用氢和一氧化碳，氧化剂为空气。电池主要是由阳极、阴极、电解质基底和集流板或双极板构成。MCFC的特点就是能够将煤气作为燃料，能够对百万kW级火力发电设备进行有效替换，可以在煤气站中安装应用。优点是电极反应不需要高效催化剂，节省了成本

4. 固体氧化物燃料电池（SOFC）

固体氧化物燃料电池（SOFC）属于第三代燃料电池，被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池（PEMFC）一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。电解质采用固体氧化物氧离子导体，起传递及分离空气和燃料的双重作用。电解质材料是SOFC所有组分中的重要组分之一，在SOFC运行过程中，电解质起着传导电离子和分离空气、燃料气的作用。

5. 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

质子膜燃料电池，是一种新型燃料电池，其电解质是一种固体有机膜，在增湿情况下，膜可传导质子。质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、密封圈、和带有导气通道的流场板组成。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分，中间是质子交换膜，流场板通常由石墨制成。质子交换膜燃料电池以氢为燃料。质子交换膜燃料电池能量转换效率高，无污染，可在室温下快速启动，特别适合用做动力电源。

三、燃料电池优点

燃料电池没有中间的能量转化环节，还可回收发电过程中产生的余热，综合考虑效率能达到80%;发电过程，机械部件很少，噪声低;化学反应的排出物主要是水蒸气等洁净的气体，不会污染环境;从中断运转到再启动，输电能力回升速度快，并可在短时间内增加和减少电力输出。

四、应用与展望

燃料电池的高效无污染的突出优点是其它发电方式所无法比拟的， 被称为绿色能源也当之无愧。无论在我国还是世界， 积极发展高效无污染的能源工业都是日益迫切的课题， 积极发展燃料电池发电技术是能源工业发展的必然。我们应抓住机遇， 迎接挑战， 大力开展我国燃料电池发电技术的研究。

参考文献.

[1]田玫，孙丽荣，魏英智.燃料电池发展的历史[J].化学与粘合，1995（04）：224-226.

[2].燃料电池产业分析[J].电器工业，2020（09）：20-25.

[3]刘洁， 王菊香， 邢志娜等. 燃料电池研究进展及发展探析[J]. 节能技术， 2010， （4）：364-368.

[4]陈少峰，侯兰凤.燃料电池的关键技术探讨[J].冶金与材料，2019，39（05）：65-66+68..

[5]崔爱玉，付颖.燃料电池——新的绿色能源[J].应用能源技术，2006（07）：14-15+48..

[6]王恒.氢能发展模式应用[J].农村电气化，2021（05）：65-69.

作者简介：

李鑫圣（1999.10——），男，汉族，山西省阳泉市人，本科，拉萨市城关区西藏大学在读本科生， 研究方向：新能源制造。