中國粉體網(wǎng)訊  燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，可以在沒有燃燒的情況下發(fā)電，不會排放污染物。燃料電池的燃料可以是氫氣、天然氣、甲烷、甲醇、乙醇等，氧化劑始終是空氣，除非在非常特殊的情況下可以是純氧（例如空間應(yīng)用）。

燃料電池主要由陽極、陰極、電解質(zhì)以及外部電路四部分構(gòu)成，通過氧化還原反應(yīng)，完成將化學(xué)能到電能的能量轉(zhuǎn)換：陽極的反應(yīng)物通過氧化反應(yīng)產(chǎn)生帶正電的氫離子并釋放電子，電子從陽極流經(jīng)外部電路到達(dá)陰極被吸收，陽離子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極與陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成產(chǎn)物水和二氧化碳，陰、陽兩極反應(yīng)產(chǎn)生離子在電解質(zhì)中遷移，電子流經(jīng)外部電路，就此形成回路產(chǎn)生電流。因其反應(yīng)不需要通過燃燒等條件而被稱為電化學(xué)發(fā)生器。

在使用過程中，化學(xué)能—電能轉(zhuǎn)換率約為50%~80%，比傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)效率更高。燃料電池的燃料來源不受限制，產(chǎn)物無污染，其廣泛的使用與普及可以減少對傳統(tǒng)化石燃料的依賴。由于其良好的性能和無污染效率高的優(yōu)點(diǎn)，引起了許多科研工作者的關(guān)注。未來，燃料電池將有望被普遍應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、居民用發(fā)電、移動電源等領(lǐng)域。相比較于傳統(tǒng)發(fā)電裝置，燃料電池具有許多優(yōu)點(diǎn)。

燃料電池系統(tǒng)（圖源：國鴻氫能）

燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

（1）環(huán)境污染小

燃料電池的主要產(chǎn)物是水，而且以天然氣為燃料時，只有水這一產(chǎn)物，二氧化碳排放量要比傳統(tǒng)發(fā)電裝置低40%左右，對于緩解溫室效應(yīng)起到非常重要的作用。燃料電池的燃料在反應(yīng)前進(jìn)行了脫硫處理，而且電化學(xué)反應(yīng)過程不存在燃燒過程，因此不會產(chǎn)生SO2、NOx等粉塵污染物，減小了對環(huán)境的污染，是一種環(huán)境友好型能源裝置。

（2）發(fā)電效率高

因其不受卡諾循環(huán)的限制，燃料電池能量轉(zhuǎn)換率在理論上是極高的，但由于反應(yīng)過程中各種極化現(xiàn)象的出現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)換率受到影響，所以實(shí)際使用過程中燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率為45%~60%。但相比與傳統(tǒng)發(fā)電方式30%~40%的能量轉(zhuǎn)化效率，燃料電池的效率也是相當(dāng)可觀的。

（3）噪音低

燃料電池由于結(jié)構(gòu)簡單，在工作時無需機(jī)械部件運(yùn)轉(zhuǎn)，所以工作時噪音很低，不會對環(huán)境產(chǎn)生噪音污染。

（4）燃料范圍廣

一般含有氫的燃料（甲烷、乙烷、酒精）都可以作為燃料電池的能量來源，而且這些燃料都可以通過采集或者人工合成的方式獲取。這就體現(xiàn)了其燃料來源廣、且易獲取的特點(diǎn)。

（5）可靠性高

燃料電池對負(fù)載功率的穩(wěn)定性要求較低，當(dāng)其負(fù)載有變動時，燃料電池仍然能穩(wěn)定工作，不受影響，所以燃料電池可以應(yīng)用于應(yīng)急電源。

燃料電池的分類

根據(jù)應(yīng)用場景不同，技術(shù)人員根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)或者工作原理開發(fā)出了多種類型的燃料電池。燃料電池有著多種不同的分類方法：按照工作的溫度的不同，燃料電池可以分為低溫型燃料電池、中溫型燃料電池、高溫型燃料電池和超高溫型燃料電池四類；按照電解質(zhì)的區(qū)別，燃料電池可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）這五類。按照技術(shù)發(fā)展水平可以分為第一代燃料電池、第二代燃料電池、第三代燃料電池、第四代燃料電池。

（1）堿性燃料電池

堿性燃料電池屬于第一代燃料電池，電解質(zhì)為KOH溶液，電極材料為碳材料。為適應(yīng)航空航天動力的需求，堿性燃料電池最早提出并開發(fā)利用。其工作溫度較低只有大約70℃，所以啟動速度較快，同時其還具有污染小、環(huán)境噪音低等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)殡婋x密度較低，其發(fā)電量較低，同時還具有以下缺點(diǎn)：壽命較短、腐蝕性較強(qiáng)、制造成本高。

（2）磷酸燃料電池

磷酸燃料電池也屬于第一代燃料電池，電解質(zhì)為液體磷酸，骨架為碳材料，燃料為氫氣、天然氣、甲醇等。磷酸燃料電池技術(shù)發(fā)展比較成熟，已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)電廠和公共汽車供電系統(tǒng)。PAFC具有反應(yīng)速度快、對雜質(zhì)的耐受程度高以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。PAFC存在一些缺點(diǎn)：效率低于其他燃料電池、工作溫度高（約為150~200℃）。

（3）熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池屬于第二代的燃料電池，電解質(zhì)為熔融態(tài)碳酸鹽，電極為多孔陶瓷陰極和多孔金屬陽極，電解質(zhì)隔膜為多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜。其能量轉(zhuǎn)換率較高，約為55%~65%，主要應(yīng)用于固定電站。熔融碳酸鹽燃料電池的優(yōu)點(diǎn)：單電池的功率較大、反應(yīng)速度快、成本低、對燃料的純度要求低等。熔融碳酸鹽燃料電池也存在一些缺點(diǎn)：工作溫度高（約為600~700℃）以及因此造成的液體電解質(zhì)管理較困難、功率密度低、體積大、電池壽命低等。

（4）固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池屬于第三代燃料電池，與一般的燃料電池結(jié)構(gòu)相同，但全由陶瓷組成，是全固態(tài)結(jié)構(gòu)。固體燃料電池主要應(yīng)用于電廠混合發(fā)電，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、結(jié)構(gòu)安全、不需要貴金屬催化劑、燃料選擇范圍廣、噪音小等。固體氧化物燃料電池也存在一些缺點(diǎn)：工作溫度高（800~1000℃），啟動時間長等。

（5）質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池屬于第四代燃料電池，電解質(zhì)為高分子材料質(zhì)子交換膜，電極由氣體擴(kuò)散層和催化劑層兩部分組成，氣體擴(kuò)散層是由基體材料和微孔層組成的，催化劑層是利用炭黑或石墨對電極材料進(jìn)行負(fù)載，燃料為氫氣、天然氣、甲烷等。

相對于前面幾代燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換效率以及功率密度高、電解質(zhì)無腐蝕性、常溫下工作、啟動速度快。當(dāng)然其也具有一定的缺點(diǎn)：催化劑價格高昂、對CO敏感、需要加濕反應(yīng)物等。質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池中發(fā)展較為成熟的電池技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事領(lǐng)域和新能源汽車領(lǐng)域。

（來源：殷卓成等: 氫燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與前景分析）

資料來源：李夢佳：碳紙的疏水改性及其性能研究，天津工業(yè)大學(xué)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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