燃料电池及其应用

华中科技大学，徐长发，2017.5.25

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，具有高效节能、环境友好、燃料来源广泛以及可靠性高等优势，成为近十几年来最受瞩目的新能源供应技术之一。它被公认为继火力发电、水力发电和核能发电技术之后的第四代化学能发电技术，这也是我们大家必须了解和重视燃料电池的原因。

一.工作原理

氢燃料电池的负极是氢气及其催化剂一端，正极是氧气及其催化剂一端，中间是电解质。如果电解质是酸性的，则称为酸性燃料电池。电解质是碱性的就称为碱性燃料电池。

图1，单体酸性燃料电池的工作原理示意图之一

下面以氢-氧-磷酸-燃料电池为例介绍其工作原理，参见图1和图2。先看负极一端，工作时，负极端供给燃料氢气，在催化剂的作用下，氢被激活为氢离子H+和电子e-，氢离子穿过质子交换膜进入电解质，再穿过质子交换膜到达正极的催化剂层；而电子在负极的催化剂层由外部电路移出。再看正极一端，正极端供给空气（起作用的成分为氧气），也是在催化剂的作用下，氧气被激活为氧离子，在正极的催化剂层，氧离子和负极那边游离过来的氢离子结合成水，水在正极催化剂层被排出。发生的反应为：

燃料极：H2==2H++2e-（1）

空气极：2H++1/2O2+2e-==H2O（2）

全体：H2+1/2O2==H2O（3）

燃料极放出2个电子，由外界电路回到空气极，在空气极氢离子氧离子和电子一起生成了水。

图2，单体氢氧燃料电池工作原理示意图之二

从原理上看，燃料电池是让氢气和氧气产生反应，生成水和电。水的电解反应是消耗水和电生成氢和氧。燃料电池本质上是使用燃料又不用燃烧燃料的化学反应发电机，只是因为它的形状像块蓄电池，所以才被称为燃料电池。若把燃料电池和一般干电池比较，一般电池的活性物质是预先放在电池内部的，因而电池容量取决于贮存的活性物质的多少，活性物质用完了电池就报废了；燃料电池是外部提供活性物质（燃料物质），内部物质并不损耗，理论上可以长期工作。

二．技术关键

这里仍然以氢-氧-磷酸燃料电池为例，介绍燃料电池中的技术要求。

1）负极催化剂。其作用是让氢气产生活性，以便生成*的氢离子和电子。为此，采用铂钴合金做催化剂。催化剂层做成多孔形状，以便氢气更好地接触催化剂，增大催化率。另外，如图2所示，增加一个氢气的扩散层。还有，催化剂层被激活的电子就由负极催化剂（金属）层导出。

2）质子交换膜。由示意图可以看出，质子交换膜要将两个电极和电解质隔开。其作用是只能让离子通过，不能让分子通过。离子的通过率越高越好。于是该膜不能太厚也不能太薄，膜的孔径不能太大也不能太小。

3）正极催化剂层。其作用是让氧气产生活性，生成氧离子和电子，再和氢离子反应生成水。此层也做成多孔形状，以便反应通畅，还要排水顺利。还有，正极催化剂层（金属）作为电流回路的阴极。

4）电解质。其作用是让氢离子顺利地从阳极向阴极移动，电解质层的厚度要适中。用什么材料做电解质？例如，氢-氧-磷酸燃料电池的电解质是浓磷酸溶液。其实电解质可以是酸性的也可以是碱性的，可以是液态的也可以是固态的。

由上述分析很容易看到，燃料电池的技术关键就是三样，一是电极催化层，二是质子交换膜，三是电解质层。

三.实用要求

这里仍然以氢-氧-磷酸电池为例，说明其实用要求。这种单体电池的工作电压一般为0.8～0.97伏,为了满足实际需要，往往由几十个单体电池串联组合，形成一个集成体，燃料电池堆，参见图3。

图3，若干单体组合成一个燃料电池堆

在实用中，为维持电池堆的正常运转，还必须配备以下几个部分设施：

氢氧供给分系统。首先要保证氢气和氧气的纯净，不能有小颗粒，否则会堵塞反应器。其次，实用中如果使用液态氢，则要求贮罐耐高压，避免爆炸危险。      

排水分系统。因为氢-氧合成水的反应是放热的，所以要把水蒸气顺畅地输送到冷却装置，让水分离出来，排出。

排热分系统。要对电池堆散热，以保证电池能正常工作。

自动控制系统。包括电池堆工作压力、温度、排水与排气、电压、安全和冷却液循环等系统的协调控制与调节。

四.几种可以实用的燃料电池和材料研究思路

下面仅列出几种目前可以实用的燃料电池堆及其工作参数。  

从这几种燃料电池的有关参数中，读者不难看出以下几点。

1.在燃料电池中，有酸性燃料电池（例如PAFC）和碱性燃料电池（例如AFC）之区别。

酸性燃料电池中使用的是酸性电解质，合成水在氧气一侧排出。碱性燃   料电池的电解质是碱性的，碱性燃料电池的工作原理和电池结构都与酸性燃料电池一样，只是合成水在提供氢气的一端排出。

2.燃料电池的工作温度有高低之别。

低温燃料电池（例如AFC和PAFC）的工作温度不是很高，发电功率也不是很大，采用液态的电解液，其质子交换膜都比较薄，交换膜的材质，可以用石棉膜、碳化硅膜、铝酸锂膜等绝缘材料制成微孔隔膜，也可以用有机材料制成微孔隔膜。

要想提高发电功率，就要提高离子通过膜的速度，就要提高燃料电池的工作温度，所以高温燃料电池的膜要有特殊的工艺处理。例如MCFC，就是把交换膜的孔径适当做大一点，再用熔融的锂－钾碳酸盐、氢氧化钾等电解质侵入孔洞中。

固态的电解质（例如SOFC）的使用可以进一步提高工作温度和发电效率。

3.甲醛燃料电池（DMFC）。它直接使用甲醇而勿需预先重整，甲醇在一端经催化后转换成二氧化碳和氢离子和电子，氢离子在另一端与氧反应生成水。甲醇燃料电池最有可能补充和替代体积小的普通电池和蓄电池。

4.诸如天然气、沼气、煤气、乙醇和其它可燃物也可以作为燃料电池的燃料（例如MCFC和SOFC）。当然，这类燃料必须先经过预处理，得到纯氢气之后才能用于发电。预处理过程会提高氢的温度，再配合使用适合高温的质子交换膜和固态的电解质，就可进一步提高发电功率了。 

5.催化剂电极是燃料电池的关键技术之一。

在常温下能做催化剂的物质有很多，比如银，铁，钴，镍，钒，铬，钯，铑，金，铱，铂，锰等等都可以，铂对氢、氧的活性效果最好。在高温催化条件下，例如大于400摄氏度，只有钯，铑，金，铂，铱等贵金属可以做催化剂电极了。温度再高，钯，铑，铱也会相继氧化失活。到了800摄氏度以上则只剩下铂与金了。

在燃料电池中，催化剂电极如果仅采用铂铑或铂镍合金，成本太高是个大问题。为了减低电极成本和提高催化效率，现在一般采用两种方法制作电极材料。其一，例如用纳米碳化钛粉末制成多孔的载体，再用电镀的方法，让铂离子附着在载体上。其二，用导电的有机材料制作多孔载体，再让铂附着在载体上。至于多孔载体的制作方法应该和超级电容的电极制作方法是一样的。　　　

五。燃料电池的优点

1.能量转化效率高。因为燃料电池是直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，所以它的燃料—电能转换效率较高，注意，这里不是电化学效率，而是热能充分利用后转换为电效率。如果直接使用氢气，其电能转换效率超过50%；如果发电设施与燃气涡轮机并用，则整体效率可超过60%；如果再将电池排放的废热加以回收利用，则燃料能量的利用率可超过85%。要知道，核电的热-电转换效率不到30%，火电的大约在40%左右，很多热能都浪费了。

2.安装地点灵活，燃料电池的电站占地面积小，建设周期短。

3.电站功率大小可由电池堆组数决定，十分方便。燃料电池无论作为集中式电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。

4.电站的负荷响应性好，只要调节燃料供给量，就可以低负荷运行或者满负荷运行。

6.燃料的适应面广泛。

7.非常环保。

从目前来看，燃料电池集合了众多的优势于一身，它已经引起人们的极大关注。由燃料电池构成的发电系统对电力工业都具有极大的吸引力。

六。燃料电池的应用前景

近20多年来，燃料电池的研究和应用发展极快，目前已经是世界热点研究课题，国内国外许多大学和研究机构都在研究和开发燃料电池。

1.燃料电池小型化是重要发展方向之一。例如，现在已经研究制作出了用于手机的超薄的燃料电池，可以连续使用一周以上，当然这款样机手机还特意在背壳上开孔，以确保微量水蒸汽尽快排出机身。又例如，现在已经研究制作出了微型的燃料电池作为移动式外接电源。未来小型化的燃料电池将可以取代现有的锂电池镍电池等，燃料电池将来可用在常用的便携式电子设备中，如笔记本电脑、无线电话、录像机、照相机等。预计再2020年，这些微型电池将正式批量生产和应用。

2.燃料电池用于电动机车领域也是一个重要的发展方向。有很多种燃料电池可用于电动汽车，但多数为质子交换膜燃料电池。因为这种燃料电池具有发电效率高、输出功率高、使用寿命长、噪音低等特点，用于电动汽车上非常合适。早在1994年奔驰就生产了一辆燃料电池汽车，此后众多汽车厂家纷纷投入了燃料电池汽车的研发中。现在，使用燃料电池的汽车，一般都使用高压储氢罐，3分钟可更换储氢罐，续航能力可达400-800公里。

2017年底，燃料电池火车将在德国正式商业运行，该燃料电池火车在满载燃料时可连续行驶600至800公里，最高时速可达140公里，最多可运送300人。未来，它有望替代以柴油机为动力的非电气化城际火车。

3.燃料电池作为中小型的民用电站也是一个重要的发展方向。磷酸燃料电池（PAFC）是作为中小型电站的首选。现在，2-11MW的多种等级的成套的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。这些分布式的发电设备，可解决小中区域的电力供应、停电应急、电网调峰等问题，具有很强的机动灵活性。

4.大型燃料电池发电设备同样受到重视。熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC），固态氧化物燃料电池（SOFC）是大规模清洁发电站的优选对象。这种大型的燃料电池发电站的燃料来源很广，可以是天然气或煤气，如果再和常规的蒸汽轮机或燃气轮机联合使用,可将燃料利用率提高到80％以上。大型的燃料电池发电站既能够做到零排放保护环境，又能够提高燃料的利用率，有望取代现在的大型火力发电站，这的确是有重要前景的。

现在，发达国家都在建设大型的燃料电池发电站，有的国家已建成了360MW的燃料电池发电站。

七．结束语

我国开发燃料电池技术相对乏力，不仅在研究方面起步晚，投入少，力量分散，而且在应用开发方面才处于刚刚起步的科研阶段。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，把煤用于高温型燃料电池具有特别重要的意义。但是我国在这方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例，更不要说是大型的电站了。这和我国这样一个大国的地位是很不相称的。不过可喜的是，目前国内从民间到*，对燃料电池的研究与开发已经开始相当地重视了。  

燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。燃料电池将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池的研究和应用在全世界都会迅猛发展，这也是大家必须了解、重视燃料电池的原因。

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