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百篇科普系列（26）

燃料電池及其應(yīng)用

華中科技大學(xué)，徐長發(fā)，2017.5.25.

燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高效節(jié)能、環(huán)境友好、燃料來源廣泛以及可靠性高等優(yōu)勢，成為近十幾年來最受矚目的新能源供應(yīng)技術(shù)之一。它被公認(rèn)為繼火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電技術(shù)之后的第四代化學(xué)能發(fā)電技術(shù)，這也是我們大家必須了解和重視燃料電池的原因。

一.工作原理

氫燃料電池的負(fù)極是氫氣及其催化劑一端，正極是氧氣及其催化劑一端，中間是電解質(zhì)。如果電解質(zhì)是酸性的，則稱為酸性燃料電池。電解質(zhì)是堿性的就稱為堿性燃料電池。

圖1，單體酸性燃料電池的工作原理示意圖之一

下面以氫-氧-磷酸-燃料電池為例介紹其工作原理，參見圖1和圖2。先看負(fù)極一端，工作時(shí)，負(fù)極端供給燃料氫氣，在催化劑的作用下，氫被激活為氫離子H+和電子e-，氫離子穿過質(zhì)子交換膜進(jìn)入電解質(zhì)，再穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)正極的催化劑層；而電子在負(fù)極的催化劑層由外部電路移出。再看正極一端，正極端供給空氣（起作用的成分為氧氣），也是在催化劑的作用下，氧氣被激活為氧離子，在正極的催化劑層，氧離子和負(fù)極那邊游離過來的氫離子結(jié)合成水，水在正極催化劑層被排出。發(fā)生的反應(yīng)為：

燃料極：H2==2H++2e-（1）

空氣極：2H++1/2O2+2e-==H2O（2）

全體：H2+1/2O2==H2O（3）

燃料極放出2個(gè)電子，由外界電路回到空氣極，在空氣極氫離子氧離子和電子一起生成了水。

圖2，單體氫氧燃料電池工作原理示意圖之二

從原理上看，燃料電池是讓氫氣和氧氣產(chǎn)生反應(yīng)，生成水和電。水的電解反應(yīng)是消耗水和電生成氫和氧。燃料電池本質(zhì)上是使用燃料又不用燃燒燃料的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電機(jī)，只是因?yàn)樗男螤钕駢K蓄電池，所以才被稱為燃料電池。若把燃料電池和一般干電池比較，一般電池的活性物質(zhì)是預(yù)先放在電池內(nèi)部的，因而電池容量取決于貯存的活性物質(zhì)的多少，活性物質(zhì)用完了電池就報(bào)廢了；燃料電池是外部提供活性物質(zhì)（燃料物質(zhì)），內(nèi)部物質(zhì)并不損耗，理論上可以長期工作。

二．技術(shù)關(guān)鍵

這里仍然以氫-氧-磷酸燃料電池為例，介紹燃料電池中的技術(shù)要求。

1）負(fù)極催化劑。其作用是讓氫氣產(chǎn)生活性，以便生成自由的氫離子和電子。為此，采用鉑鈷合金做催化劑。催化劑層做成多孔形狀，以便氫氣更好地接觸催化劑，增大催化率。另外，如圖2所示，增加一個(gè)氫氣的擴(kuò)散層。還有，催化劑層被激活的電子就由負(fù)極催化劑（金屬）層導(dǎo)出。

2）質(zhì)子交換膜。由示意圖可以看出，質(zhì)子交換膜要將兩個(gè)電極和電解質(zhì)隔開。其作用是只能讓離子通過，不能讓分子通過。離子的通過率越高越好。于是該膜不能太厚也不能太薄，膜的孔徑不能太大也不能太小。

3）正極催化劑層。其作用是讓氧氣產(chǎn)生活性，生成氧離子和電子，再和氫離子反應(yīng)生成水。此層也做成多孔形狀，以便反應(yīng)通暢，還要排水順利。還有，正極催化劑層（金屬）作為電流回路的陰極。

4）電解質(zhì)。其作用是讓氫離子順利地從陽極向陰極移動(dòng)，電解質(zhì)層的厚度要適中。用什么材料做電解質(zhì)？例如，氫-氧-磷酸燃料電池的電解質(zhì)是濃磷酸溶液。其實(shí)電解質(zhì)可以是酸性的也可以是堿性的，可以是液態(tài)的也可以是固態(tài)的。

由上述分析很容易看到，燃料電池的技術(shù)關(guān)鍵就是三樣，一是電極催化層，二是質(zhì)子交換膜，三是電解質(zhì)層。

三.實(shí)用要求

這里仍然以氫-氧-磷酸電池為例，說明其實(shí)用要求。這種單體電池的工作電壓一般為0.8～0.97伏,為了滿足實(shí)際需要，往往由幾十個(gè)單體電池串聯(lián)組合，形成一個(gè)集成體，燃料電池堆，參見圖3。

圖3，若干單體組合成一個(gè)燃料電池堆

在實(shí)用中，為維持電池堆的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還必須配備以下幾個(gè)部分設(shè)施：

氫氧供給分系統(tǒng)。首先要保證氫氣和氧氣的純凈，不能有小顆粒，否則會堵塞反應(yīng)器。其次，實(shí)用中如果使用液態(tài)氫，則要求貯罐耐高壓，避免爆炸危險(xiǎn)。

排水分系統(tǒng)。因?yàn)闅?氧合成水的反應(yīng)是放熱的，所以要把水蒸氣順暢地輸送到冷卻裝置，讓水分離出來，排出。

排熱分系統(tǒng)。要對電池堆散熱，以保證電池能正常工作。

自動(dòng)控制系統(tǒng)。包括電池堆工作壓力、溫度、排水與排氣、電壓、安全和冷卻液循環(huán)等系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與調(diào)節(jié)。

四.幾種可以實(shí)用的燃料電池和材料研究思路

下面僅列出幾種目前可以實(shí)用的燃料電池堆及其工作參數(shù)。

簡稱 燃料電池類型 電解質(zhì) 工作溫度（℃） 電化學(xué) 效率 燃料和氧化劑 功率輸出

AFC 堿性電池 氫氧化鉀溶液 室溫-90 60-70% 氫氣、氧氣 300W-5KW

PAFC 酸性電池 磷酸 160-220 40-55% 氫氣、氧氣 200W

DMFC 酸性電池 氟磺酸聚合物 室溫-120 40-50% 甲醛、氧氣 小型化

MCFC 堿性電池 熔融碳酸鹽 620-660 50-65% 多種燃?xì)?2MW-10MW

SOFC 固體電池 摻雜氧化鋯的固體 800-1000 60-65% 多種燃?xì)?100KW

從這幾種燃料電池的有關(guān)參數(shù)中，讀者不難看出以下幾點(diǎn)。

1. 在燃料電池中，有酸性燃料電池（例如PAFC）和堿性燃料電池（例如AFC）之區(qū)別。

酸性燃料電池中使用的是酸性電解質(zhì)，合成水在氧氣一側(cè)排出。堿性燃 料電池的電解質(zhì)是堿性的，堿性燃料電池的工作原理和電池結(jié)構(gòu)都與酸性燃料電池一樣，只是合成水在提供氫氣的一端排出。

2.燃料電池的工作溫度有高低之別。

低溫燃料電池（例如AFC和PAFC）的工作溫度不是很高，發(fā)電功率也不是很大，采用液態(tài)的電解液，其質(zhì)子交換膜都比較薄，交換膜的材質(zhì)，可以用石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜等絕緣材料制成微孔隔膜，也可以用有機(jī)材料制成微孔隔膜。

要想提高發(fā)電功率，就要提高離子通過膜的速度，就要提高燃料電池的工作溫度，所以高溫燃料電池的膜要有特殊的工藝處理。例如MCFC，就是把交換膜的孔徑適當(dāng)做大一點(diǎn)，再用熔融的鋰－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀等電解質(zhì)侵入孔洞中。

固態(tài)的電解質(zhì)（例如SOFC）的使用可以進(jìn)一步提高工作溫度和發(fā)電效率。

3.甲醛燃料電池（DMFC）。它直接使用甲醇而勿需預(yù)先重整，甲醇在一端經(jīng)催化后轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫離子和電子，氫離子在另一端與氧反應(yīng)生成水。甲醇燃料電池最有可能補(bǔ)充和替代體積小的普通電池和蓄電池。

4.諸如天然氣、沼氣、煤氣、乙醇和其它可燃物也可以作為燃料電池的燃料（例如MCFC和SOFC）。當(dāng)然，這類燃料必須先經(jīng)過預(yù)處理，得到純氫氣之后才能用于發(fā)電。預(yù)處理過程會提高氫的溫度，再配合使用適合高溫的質(zhì)子交換膜和固態(tài)的電解質(zhì)，就可進(jìn)一步提高發(fā)電功率了。

5.催化劑電極是燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在常溫下能做催化劑的物質(zhì)有很多，比如銀，鐵，鈷，鎳，釩，鉻，鈀，銠，金，銥，鉑，錳等等都可以，鉑對氫、氧的活性效果最好。在高溫催化條件下，例如大于400攝氏度，只有鈀，銠，金，鉑，銥等貴金屬可以做催化劑電極了。溫度再高，鈀，銠，銥也會相繼氧化失活。到了800攝氏度以上則只剩下鉑與金了。

在燃料電池中，催化劑電極如果僅采用鉑銠或鉑鎳合金，成本太高是個(gè)大問題。為了減低電極成本和提高催化效率，現(xiàn)在一般采用兩種方法制作電極材料。其一，例如用納米碳化鈦粉末制成多孔的載體，再用電鍍的方法，讓鉑離子附著在載體上。其二，用導(dǎo)電的有機(jī)材料制作多孔載體，再讓鉑附著在載體上。至于多孔載體的制作方法應(yīng)該和超級電容的電極制作方法是一樣的。　　　

五。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

1.能量轉(zhuǎn)化效率高。因?yàn)槿剂想姵厥侵苯訉⑷剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，所以它的燃料—電能轉(zhuǎn)換效率較高，注意，這里不是電化學(xué)效率，而是熱能充分利用后轉(zhuǎn)換為電效率。如果直接使用氫氣，其電能轉(zhuǎn)換效率超過50%；如果發(fā)電設(shè)施與燃?xì)鉁u輪機(jī)并用，則整體效率可超過60%；如果再將電池排放的廢熱加以回收利用，則燃料能量的利用率可超過85%。要知道，核電的熱-電轉(zhuǎn)換效率不到30%，火電的大約在40%左右，很多熱能都浪費(fèi)了。

2.安裝地點(diǎn)靈活，燃料電池的電站占地面積小，建設(shè)周期短。

3.電站功率大小可由電池堆組數(shù)決定，十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中式電站還是分布式電站，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨(dú)立電站都非常合適。

4.電站的負(fù)荷響應(yīng)性好，只要調(diào)節(jié)燃料供給量，就可以低負(fù)荷運(yùn)行或者滿負(fù)荷運(yùn)行。

6.燃料的適應(yīng)面廣泛。

7.非常環(huán)保。

從目前來看，燃料電池集合了眾多的優(yōu)勢于一身，它已經(jīng)引起人們的極大關(guān)注。由燃料電池構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)對電力工業(yè)都具有極大的吸引力。

六。燃料電池的應(yīng)用前景

近20多年來，燃料電池的研究和應(yīng)用發(fā)展極快，目前已經(jīng)是世界熱點(diǎn)研究課題，國內(nèi)國外許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在研究和開發(fā)燃料電池。

1.燃料電池小型化是重要發(fā)展方向之一。例如，現(xiàn)在已經(jīng)研究制作出了用于手機(jī)的超薄的燃料電池，可以連續(xù)使用一周以上，當(dāng)然這款樣機(jī)手機(jī)還特意在背殼上開孔，以確保微量水蒸汽盡快排出機(jī)身。又例如，現(xiàn)在已經(jīng)研究制作出了微型的燃料電池作為移動(dòng)式外接電源。未來小型化的燃料電池將可以取代現(xiàn)有的鋰電池鎳電池等，燃料電池將來可用在常用的便攜式電子設(shè)備中，如筆記本電腦、無線電話、錄像機(jī)、照相機(jī)等。預(yù)計(jì)再2020年，這些微型電池將正式批量生產(chǎn)和應(yīng)用。

2.燃料電池用于電動(dòng)機(jī)車領(lǐng)域也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。有很多種燃料電池可用于電動(dòng)汽車，但多數(shù)為質(zhì)子交換膜燃料電池。因?yàn)檫@種燃料電池具有發(fā)電效率高、輸出功率高、使用壽命長、噪音低等特點(diǎn)，用于電動(dòng)汽車上非常合適。早在1994年奔馳就生產(chǎn)了一輛燃料電池汽車，此后眾多汽車廠家紛紛投入了燃料電池汽車的研發(fā)中?，F(xiàn)在，使用燃料電池的汽車，一般都使用高壓儲氫罐，3分鐘可更換儲氫罐，續(xù)航能力可達(dá)400-800公里。

2017年底，燃料電池火車將在德國正式商業(yè)運(yùn)行，該燃料電池火車在滿載燃料時(shí)可連續(xù)行駛600至800公里，最高時(shí)速可達(dá)140公里，最多可運(yùn)送300人。未來，它有望替代以柴油機(jī)為動(dòng)力的非電氣化城際火車。

3.燃料電池作為中小型的民用電站也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。磷酸燃料電池（PAFC）是作為中小型電站的首選?，F(xiàn)在，2-11MW的多種等級的成套的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成。這些分布式的發(fā)電設(shè)備，可解決小中區(qū)域的電力供應(yīng)、停電應(yīng)急、電網(wǎng)調(diào)峰等問題，具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)靈活性。

4.大型燃料電池發(fā)電設(shè)備同樣受到重視。熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC），固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）是大規(guī)模清潔發(fā)電站的優(yōu)選對象。這種大型的燃料電池發(fā)電站的燃料來源很廣，可以是天然氣或煤氣，如果再和常規(guī)的蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合使用,可將燃料利用率提高到80％以上。大型的燃料電池發(fā)電站既能夠做到零排放保護(hù)環(huán)境，又能夠提高燃料的利用率，有望取代現(xiàn)在的大型火力發(fā)電站，這的確是有重要前景的。

現(xiàn)在，發(fā)達(dá)國家都在建設(shè)大型的燃料電池發(fā)電站，有的國家已建成了360MW的燃料電池發(fā)電站。

七．結(jié)束語

我國開發(fā)燃料電池技術(shù)相對乏力，不僅在研究方面起步晚，投入少，力量分散，而且在應(yīng)用開發(fā)方面才處于剛剛起步的科研階段。作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，把煤用于高溫型燃料電池具有特別重要的意義。但是我國在這方面與國外的差距很大，要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化、商業(yè)化還有很長的路要走。迄今為止，我國還沒有燃料電池發(fā)電站的應(yīng)用實(shí)例，更不要說是大型的電站了。這和我國這樣一個(gè)大國的地位是很不相稱的。不過可喜的是，目前國內(nèi)從民間到政府，對燃料電池的研究與開發(fā)已經(jīng)開始相當(dāng)?shù)刂匾暳恕?/p>

燃料電池的高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。燃料電池將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池的研究和應(yīng)用在全世界都會迅猛發(fā)展，這也是大家必須了解、重視燃料電池的原因。

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