燃料電池作為一種高效、清潔能源，目前已達到準商品化或商品化階段，本文介紹了以下幾種典型燃料電池：AFC、PAFC、PEMFC、MCFC、SOFC的發展概況及應用價值。此外，詳盡介紹了它們的材料組成及特性，仔細分析了它們的市場價值以及我國燃料電池今后的發展趨勢。

關鍵詞:燃料電池AFC PAFC PEMFC MCFC SOFC 發展趨勢

1引言

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置[1]。燃料電池工作原理是：氫氣或其他燃料進入到陽極，并在電極和電解質的界面上發生氧化與氧氣還原的電化學反應，產生電流，輸出電能。

燃料電池是繼熱能發電、水力發電和原子能發電之后的第四種發電技術[2]。利用電化學反應把燃料電池中燃料的化學能(即吉布斯自由能)直接轉換成電能，這樣不會受卡諾循環效應的限制，所以效率高[3,4];此外，燃料電池用燃料和氧氣作為反應物，有害氣體(SOX,NOX)的排放量極少;由于在整個過程中，沒有機械傳動，所以無噪聲污染。因此，從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是一種很有發展前途的發電技術。

到目前為止，已經出現了很多種技術和結構類型的燃料電池，但是根據電解質的不同，一般分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)等五大類[1,5]。其中前三種類型工作溫度不大于200℃，又稱做低溫燃料電池，MCFC和SOFC的工作溫度大于650℃，叫做高溫燃料電池。

2 燃料電池系統組成及特點

2.1組成

燃料電池PAFC的結構最為典型，主要由四部分組成，分別是呈多孔狀態、涂有催化劑的陽極、陰極、隔離電極的離子導電電解質、集流體[6](圖1)。單電池產生的電壓很低[6～8](表1)，所以需要鈀電池串聯成電池堆來提高電壓。燃料電池整裝機組由電池組、重整器與熱交換器(廢熱回收)、直流-交流轉換裝置、監控器一起構成。PAFC、AFC和MCFC使用液態電解質，兩個電極呈氣、液、固三相接觸，而SOFC和PEMFC使用固態電解質僅呈兩相接觸，故在結構上有所不同。五種燃料電池的工作特性見表1。

2.2特點

2.2.1高能量轉換效率

燃料電池屬于一種能源轉換工具，可以將燃料的化學能直接轉換為電能而不用經過熱能轉換、機械能轉換，所以不受熱機原理中卡諾循環的限制，能達到40%以上的發電效率，如PAFC的發電效率為42%，MCFC的發電效率大于60%，比傳統的火電廠高的多。此外，燃料電池在發電的同時還生產熱水和低溫蒸汽，電/熱比大于1.0，多呈汽電共生形式，其總的能量轉換效率高達90%。

2.2.2可靠性好

由于不需要經過熱能轉換，機械能轉換等復雜能量轉化，所以電池內運動零件很少，不會出現內燃機轉動零件和燃氣渦輪損壞等導致的嚴重事故。套裝機組可以在線監控，可以自動操作。

2.2.3利于環保

燃料電池與普通電廠相比，極大的降低了CO2排放，大幅度減少粉塵、SO2和NOx的排放，改善空氣質量，同時水的消費和廢水排放大幅度降低。此外，燃料電池轉動機件少，消除了普通電廠的噪聲源。因為不需要燃燒，所以占地面積小，安全可靠，這種發電方式適合設置在城區作電源。以汽電共生方式可同時向旅館、餐廳、辦公樓、醫院、百貨公司提供電力和熱量大約需要40～1000kW的燃料電池;3～20kW的燃料電池可供住宅使用，高溫燃料電池對熱電廠的競爭力更高。可以在孤立的邊遠市鎮、礦區及軍隊哨所建立這種潔凈的小型汽電共生系統來提供電力、熱水、暖氣與空調，如新疆等地的油氣田，實用價值很高。

2.2.4穩定性高

由于受負載因素及容量變化的影響不大，所以效率穩定，。負載追隨迅速，可提高電力系統穩定度。

2.2.5燃料選擇范圍大

柴油、輕油、煤氣、天然氣、液化天然氣、沼氣、含氫廢氣等皆可使用。

2.2.6建廠時間短

廠址選擇限制少、占地面積小，建廠時間不超過兩年，可靠近用戶建立現場發電裝置，減少了輸電系統的費用。

由于燃料電池存在造價偏高、冷機啟動時間長、長期使用的實驗數據缺少、電池組壽命比機組壽命短等問題，所以要想實現商品化氦需要進一步努力。除PAFC以外其它技術尚不夠成熟[9～13]。

3燃料電池的市場分析

燃料電池作為一種能量轉換率高，循環壽命長的清潔型新能源，在電動汽車、分散電站、備用及輔助電源、便攜式電源、可移動電源、特殊場合動力源及軍用領域有著廣闊的應用前景。燃料電池應用主要歸納為三方面[14]。

3.1交通運輸

電動汽車，包括大型公共汽車、貨車、小臥車、汽車等，要求在動力系統中的重量、成本、壽命、一次加燃料行駛距離等方面均能優于或等于現代內燃機式汽車。同時也包括船舶，如潛艇、貨船等。它的特點就是用燃料電池裝備的潛艇沒有紅外信號排放，所以不易被對方發現。德國、瑞典均在發展這類潛艇。將來還可以發展電動火車頭，可建成完全省去架空導線的電氣化鐵路。就電動汽車而言，燃料電池汽車在乘客空間，運行里程，運行安全及造價方面都足以與傳統汽車競爭。此外,它還具有燃料效能高和噪音、污染小的優點，是未來汽車發展的重要方向之一。

3.2固定式電站

目前燃料電池適合中、小型燃料電站，根據科學家的預測，未來的電網系統很可能是現有的大電網和中小燃料電站共存狀態。大電網系統有其優越性的同時，也存在無法避免的缺陷，因為高電壓長距離輸電時有6%一8%的損失，如熱量損失等。如果利用分散的中小型燃料電站，建立在公寓、大學校園、醫院、超級市場等處，就可以減少大電網送電損失(輸氫損失一般僅為3%)。據資料報導，像美國這樣電力工業已很發達的情況下，對燃料電池的市場需要依然很大(約為17000MW以上)，所以說中小型分散電站，有其獨特的優越性。作為人口大國，我國亦將是這樣。現在，美國lPugoPwer公司已推出一種家用3kw-5kw級的燃料處理器(實際上就是將天然氣加工成氫的裝置)PEMFC發電裝置，估計所發電量的成本可比利用電網降低20%。可以想象，其優越性是很明顯的，其市場也不可忽視。

3.3流動性電源

據墨西哥一家公司報道，他們準備用酒精溶液作燃料，經PEMFC制成移動電源。該電源提供的電力可供移動電話使用半年，并將在一年半后正式上市。由此可見，對于信息技術高度發展的今天，其市場空間可想而知。這種移動電源在農村，也有廣闊的空間。如果將低溫電源用在打谷場上，打谷場沒有火源就不會發生火災，因為這種燃料電池的工作溫度在100℃以下。傳統的熱發電主要是熱化學化和機械化的過程，即需經熱化學燃料反應，首先得到蒸氣，經汽輪機再經發電機才能得到電力。而燃料電池才是真正的直接從燃料(氫)得到電力，即“電氣化”。PEMFC具有高功率密度、高效率、低成本等特點。可想而知，今后它將具有廣闊的市場前景。

4燃料電池的特性

4.1堿性燃料電池(AFC)

AFC采用35%-45%KOH或NaOH溶液作為電解質，工作溫度一般為23-70℃。其催化劑主要用貴金屬鉑、鈀、金、銀和過渡金屬鎳、鈷、錳等，但催化劑對反應物中含有的微量CO2很敏感。

AFC的特點：較低的價格和較高的效率(50-55%)。AFC屬于低溫燃料電池，低溫時也能保證啟動時間較短，可以用于交通工具。價格低廉、作用高效、技術成熟，在交通運輸領域，有廣闊的發展和應用前景。盡管AFC的研究已比較成熟，但AFC的電解質采使具有腐蝕性的液體，具有一定的危險性，而且容易造成環境污染。此外，如果要解決CO2毒化問題，使用循環電解液來吸收CO2等，就增加了燃料電池系統的復雜性。

4.2磷酸燃料電池(PAFC)

PAFC是迄今唯一接近商品化的電池，其反應原理如圖2所示[15]。陽極反應為：H2→2H++2e-，陰極反應為：1/2O2+2H++ 2e-→H2O。顯然，其全反應為電解水的逆過程：H2+1/2O2→H2O。PAFC工藝的發展主要是在70年代后期開發出合適的碳黑和石墨電池零部件才取得重大突破。

與堿性氫氧化物燃料電池相比，PAFC的優點在于貴金屬催化劑用量相對明顯減少，還原劑的純度大大降低，CO含量可允許達5%;PAFC屬于低溫燃料電池，低溫下發電，具有良好的穩定性;人們日常生活用水可以直接利用余熱獲得的水;與高溫燃料電池相比，啟動時間明顯較短。缺點與AFC一樣，必須用貴金屬電作催化劑;CO含量不能過高，否則電催化劑將會被毒化，失去催化活性;電解質為高濃度磷酸，具有很強的腐蝕性，影響電池系統使用壽命;因僅有40-50%的發電效率(低熱值)，所以燃料需要重整改質，增加了燃料電池系統的復雜性。

4.3質子交換膜燃料電池(PEMFC)

PEMFC一般用于小型發電裝置和用作車輛等交通運輸工具的動力。結構與PAFC差不多，都是由二層作為電極的催化層，中間有一層固態電解質(質子交換膜)同時起隔離層作用和外側作結構支撐與氣體擴散層用的碳紙組成，PEMFC工作原理如圖3。

PEMFC采用多孔氣體擴散電極，電解質為全氟磺酸型固體聚合物，電催化劑采用純鉑或碳載鉑，氫氣(H2)為燃料，氧氣或空氣為氧化劑。當PEMFC工作時，H2通過管道或導氣板到達陽極，經過陽極催化劑催化作用，將H2分解為帶正電的氫離子(H+)并釋放出帶負電的電子(e-)。H+穿過電解質到達陰極;電子通過外電路到達陰極，在這個過程中形成電流，通過連接電路可以向負載輸出電能。在電池另一端，O2或空氣通過管道或導氣板到達陰極，經過陰極催化劑催化作用，氧與氫離子及電子發生反應生成水。

PEMFC的發展在AFC、MCFC、SOFC之后，但發展迅速，屬于比能最高、溫度最低、應用最廣、啟動最快、壽命最長的第五代燃料電池。它具有優點：(1)效能高。PEMFC不存在燃燒過程，所以不受卡諾循環限制，目前該燃料電池的效率大約是內燃機的兩倍，其理論熱效率可達85%-90%，;(2)燃料多樣性。PEMFC不但可以純氫為燃料，而且也可以用重整氣為燃料;(3)模塊化。在結構上PEMFC具有模塊化的特點，根據不同動力的需求以“搭積木”的堆積形式組合安裝;(4)可靠性高。PEMFC電堆采用模塊化的設計方法，結構簡單、便于安裝、易于維護;(5)環境友好。PEMFC用純氫作為燃料時水是唯一的產物，零排放，無污染。此外，PEMFC還具有噪聲低，格結構部件均可回收利用等。

4.4熔融碳酸鹽電池(MCFC)

MCFC屬高溫燃料電池，其工作溫度在600～650℃。作為第二代燃料電池在近10余年來獲得了長足進展。MCFC被美國認為是下一世紀的燃煤電廠的光明未來。美國投巨資建造了一座2MW的MCFC工廠。日本也在準備開發1MW的MCFC工廠。MCFC的電解質采用碳酸鋰和碳酸鉀構成的共晶混合物，離子導體是碳酸根。單電池系統由一個陽極、一個陰極及電解質組成。氧和CO2陰極反應形成碳酸根，碳酸根通過熔鹽電解質擴散到陽極，與此同時碳酸根與氫反應將氫氧化，給出電子，進入外電路(圖4)。MCFC采用重整產物如氣態CO和H2的混合物作燃料。電極反應是：

陽極：H2+CO32-→H2O+CO2+2e-;CO+CO32-→2CO2+2e-(少量);

遷移反應：CO+H2O→H2+CO2;

陰極：1/2O2+CO2+2e-→CO32-;

總反應：H2+1/2O2→H2O。

通過該化學反應方程式可知如果要產生2F的電量，陰極必須消耗1molCO2，而陽極則產生1molCO2。因此為保持電解質成分不變，需要使CO2實現循環。

MCFC的優點：(1)較高的工作溫度。由于電極反應活化能較小，不論是氫的氧化還原，還是氧的還原，都不需要高效催化劑，不用使用貴金屬，使成本降低;(2)余熱高。電池排放的余熱溫度高達400℃，可以回收利用，總效率以可達90%以上;(3)燃料氣體對CO含量要求降低，可以直接使用如煤制氣等燃料;(4)可以不用水冷卻，尤其適用于缺水的偏遠地區。缺點：(1)將陽極產生的CO2重新輸送到陰極，需增加CO2循環系統，增加了電池系統結構的復雜性;(2)高溫工作環境以及強的腐蝕性電解質對電池各種材料的耐腐蝕性要求嚴格，影響電池壽命;(3)電池邊緣的高溫濕密封技術難度大，特別是在遭受腐蝕嚴重的陽極區。

4.5固體氧化物燃料電池(SOFC)

SOFC是一種全固態發電系統，它是以固體氧化物為電解質在高溫環境下(約1000℃)工作，以確保其各部分元件有適當的離子和電子導電率。其剖面如圖5所示。氧離子(O2-)是陰極與電解質的界面電子將電荷轉移給氧分子以所產生。氧離子與陽極板表面的H2和CO結合分別產生H2O和CO2，并釋放電子連通電路。各電極反應為：陰極：1/2O2 +2e-→O2-;陽極：H2+O2-→H2O +2e-;電池總反應：H2+1/2O2→H2O(CO +1/2O2→CO2)。

持續向SOFC的陽極一側通入氣體燃料，如氫氣(H2)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)等，陽極表面呈多孔結構并且具有催化作用，利用陽極表面吸附燃料氣體，通過多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。向陰極一側持續通入氧氣或空氣，陰極板結構與陽極相同，利用陰極表面的多孔結構吸附氧，并且通過催化作用，使得O2得到電子變為O2-，在化學勢的作用下，氧離子進入電解質，利用濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發生反應，電子利用電壓差通過外電路回到陰極。

SOFC的優點包括：(1)不必使用貴金屬作催化劑，可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料;(2)較高的電流密度及功率密度;(3)提供高質余熱，實現熱電聯產。燃料綜合利用率高(可達90%以上)，是一種清潔高效的能源系統;(4)沒有使用酸堿電解質或熔鹽電解質，避免了中、低溫燃料電池的腐蝕及封接問題;(5)采用陶瓷材料作陰極、陽極及電解質，具有全固態結構。缺點是對陶瓷材料的性能要求高、組裝困難、預熱和冷卻系統復雜、成本高、不易建立。

5我國燃料電池的發展

燃料電池是一種很有前途的清潔能源，在未來很可能代替傳統能源成為主要能源。所以，很多國家和跨國集團都極其重視燃料電池技術的開發和研究。美國將燃料電池技術列為國家安全技術;歐盟在2008年制定了2020年氫能與燃料電池發展計劃，投資近10億歐元用于燃料電池與氫能研究、技術開發及驗證等方面;加拿大計劃將燃料電池發展成國家的之助產業;日本認為燃料電池技術是21世紀能源環境領域的核心;《時代》周刊將燃料電池電動汽車列為21世紀10大高技術之首;我國中長期科學和技術發展規劃綱要明確提出，大力發展氫燃料的制取、存儲及專用燃料電池技術的開發與研究，提高產業化技術。

近20年來，我國科技人員經過不懈努力，盡管燃料電池及材料的開發和應用得到了極大的進展，但由于研究投入和產業化資金數量很少，燃料技術的總體水平與發達國家相比還有較大差距，燃料電池技術的阻力主要在于基礎設施匱乏，技術人才不足，成本高、耐久性差，研究力量分散，產業化體系尚未形成，尤其是缺少企業的參與，很難將研究成果進行示范應用。所以，我國應尋找最佳切入點，根據當前和中長期經濟和社會發展需要，集中研究力量，大力推動燃料電池發電技術的發展，加大研發和產業化投入，為我過的國家能源安全和國民經濟可持續發展服務。

從長遠來看，隨著我國經濟的發展，現代工業化的推進，能源短缺的矛盾必將日益突出。與此同時，傳統燃料燃燒時，釋放出CO2、SO2、CO、NOx等有害物質，使環境惡化，破壞了生態環境。因此，研制非貴金屬催化劑、提高發電效率，延長使用壽命、降低制造成本、大力研究和開發SOFC、PEMFC等發電技術，兼顧MCFC的開發與應用，是發展循環經濟、建設資源節約型社會的一項重要措施。

預計在未來10-15年內[1]，我國科技人員開發的燃料電池必將作為便攜式電源，首先實現產業化批量生產，用于各類便攜式數

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