浅谈燃料电池种类

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     燃料电池是利用水的电解的逆反应的"发电机"，通过电化学反应生成水，并释放出电能。燃料电池以氢或富氢气体为燃料，以空气中的氧为氧化剂，等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。

    燃料电池的工作原理与普通电化学电池相类似，两者都是通过电化学反应将化学能直接转换为电能。然而从实际应用来考虑，两者又存在较大的差别。普通电池只是一个有限的电能输出和储存装置；而燃料电池是一个可以连续不断产生电能的氢氧发电装置。

    图表1：氢燃料电池具有的特点示意图

    燃料电池的阳极是氢电极，阴极是氧电极，两极之间是电解质，可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型。另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

    图表2：燃料电池的组成

    按电解质分，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）；磷酸燃料电池（PAFC）；熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；固体氧化物燃料电池（SOFC）；质子交换膜燃料电池（PEMFC）等五种。按工作温度分，燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。低温(?100oC)；中温(100~500oC)高温(?500oC)。

    图表3：不同种类燃料电池对比

    从目前的商业应用来看，熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）与固体氧化物燃料电池（SOFC）型燃料电池是最主要的技术路线，其中MCFC和SOFC主要有应用于固定式燃料电池电站、家用热电联产，PEMFC主要应用与燃料电池汽车。

    图表4：重点应用领域技术

    固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。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。在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度最高，属于高温燃料电池。近些年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。国外的公司及研究机构相继开展了SOFC电站的设计及试验，100kW管式SOFC电站己经在荷兰运行。Westinghouse公司不但试验了多个kW级SOFC，而且正在研究MW级SOFC与燃气轮机发电系统。日本的三菱重工及德国的Siemens公司都进行了SOFC发电系统的试验研究。

    熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以高温下处于熔融状态的碳酸盐（碳酸锂、碳酸钾）作为电解质、工作温度600-700°C,发电效率45%-55%，具有不需要使用贵金属催化剂、也可不适用纯氢，热点联产能量转化率高的特点。因650°C的碳酸盐具有强腐蚀性，因此MCFC阳极通常采用多孔镍电极，阴极采用烧结镍电池。1991年后日本把该型电池作为研究重点。

    质子交换膜燃料电池（英语：ProtonExchangeMembraneFuelCell，简称：PEMFC），又称固体高分子电解质燃料电池（英语：PolymerElectrolyteMembraneFuelCells），是一种以含氢燃料与空气作用产生电力与热力的燃料电池，膜极组和集电板串联组合成一个燃料电池堆。质子交换膜燃料电池主要有氢燃料电池、甲醇重整燃料电池和直接甲醇燃料电池三种。目前，尤以氢燃料电池倍受电源研究开发人员的注目。它的结构紧凑，工作温度低（只有80℃），启动迅速，功率密度高，工作寿命长。

    图表5：质子交换膜燃料电池工作原理

    PEMFC的核心是一涂有铂催化剂的弹性塑料膜。铂催化剂把氢气转化为质子和电子，只有质子可以通过电解质膜，与膜另一侧的氧结合生成水，而电子在闭合的外电路中形成电流。燃料电池中，质子交换膜燃料电池相对低温与常压的特性，加上对人体无化学危险、对环境无害，适合应用在日常生活，得到了广泛的应用。世界各大汽车集团竞相投入巨资，研究开发电动汽车和代用燃料汽车。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力源，PEMFC电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向。

    20世纪60年代，美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行。伴随着全氟磺酸型质子交换膜碳载铂催化剂等关键材料的应用和发展，80年代，PEMFC的研究取得了突破性进展，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员对催化剂做了大量改进，使铂的用量减少了90%，同时全球领先的燃料电池开发商，加拿大的巴拉德动力系统公司通过改进电解质膜，使电池的能量密度成倍增加，电池的性能和寿命大幅提高，电池组的体积比功率和质量比功率分别达到1000W/L、700W/kg，超过了DOE和PNGV制定的电动车指标。90年代以来，基于质子交换膜燃料电池高速进步，各种以其为动力的电动汽车相继问世，至今全球已有数百台以PEMFC为动力的汽车、潜艇、电站在国内外示范运行。由于质子交换膜燃料电池高效、环保等突出优点，引起了世界各发达国家和各大公司高度重视，并投巨资发展这一技术。美国ZF将其列为对美国经济发展和国家安全至为关键的27个关键技术领域之一；加拿大ZF将燃料电池产业作为国家知识经济的支柱产业之一加以发展；美国三大汽车公司（GM，Ford，Chryster）、德国的Dajmier-Benz、日本的Toytomotor等汽车公司均投入巨资开发PEMFC汽车。

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关键词：燃料电池 electrolyte exchange Exchang Polymer 控制系统 工作原理 排水系统 实际应用 发电机

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