新能源燃料電池分析

摘 ?要：燃料電池被看作最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。近年來(lái)，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家從資源和環(huán)保的角度出發(fā)，積極推進(jìn)氫和燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文介紹了燃料電池的工作原理，并對(duì)各種燃料電池進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)，最后對(duì)燃料電池的進(jìn)一步發(fā)展作出了展望和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：燃料電池、新能源材料、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、儲(chǔ)氫

電化學(xué)發(fā)電是繼水力、熱能和原子能之后的第四種發(fā)電技術(shù)。[1]由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制[2];從節(jié)約能源的角度來(lái)看，燃料電池的原料主要為燃料和氧化劑，排放出的有害氣體少;由于沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故也沒(méi)有噪聲污染。[3，4，5]

一、工作原理

燃料電池按電化學(xué)原理工作。實(shí)際過(guò)程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成：陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽(yáng)極和陰極通入。燃料氣在陽(yáng)極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場(chǎng)作用下，通過(guò)電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。

二、電池分類(lèi)

燃料電池有不同的分類(lèi)方法：根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性、磷酸、熔融碳酸鹽、固體氧化物和質(zhì)子交換膜燃料電池;根據(jù)工作環(huán)境溫度的不同，可分為低溫、中溫、高溫和超高溫型;按燃料處理方式分為直接、間接和再生[6]。

1. 堿性燃料電池（AFC）

堿性燃料電池是燃料電池中最早開(kāi)發(fā)并獲得應(yīng)用的一種，因?yàn)橐后w燃料儲(chǔ)運(yùn)方便，易于處理。曾考慮用作AFC電池的液體燃料包括阱、液氨、甲醇和烴類(lèi)。由于AFC系統(tǒng)通常以KOH溶液作為電解質(zhì)，KOH與某些燃料可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使得AFC幾乎不可以使用液體燃料。阱空氣燃料電池曾作為軍用電源大力開(kāi)發(fā)，但缺點(diǎn)是具有高毒性。除了阱-空氣燃料電池，曾研究過(guò)的AFC系統(tǒng)還有氨-空氣燃料電池，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，最具潛力的液體燃料是烴類(lèi)、甲醇等。

2. 硝酸燃料電池（PAFC）

PAFC和AFC都是第一代燃料電池技術(shù)，是目前最為成熟的應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用和批量生產(chǎn)。這種電池使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中，電極上的白金催化劑來(lái)加速反應(yīng)。

電池中采用的是磷酸電解質(zhì)。氫氣燃料被加入到陽(yáng)極，在催化劑作用下被氧化成為質(zhì)子，同時(shí)釋放出兩個(gè)自由電子。氫質(zhì)子和磷酸結(jié)合成磷酸合質(zhì)子，向正極移動(dòng)。電子向正極運(yùn)動(dòng)，而水合質(zhì)子通過(guò)磷酸電解質(zhì)向陰極移動(dòng)。在正極上，電子、水合質(zhì)子和氧氣在催化劑的作用下生成水分子。

3. 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

熔融碳酸鹽燃料電池由于其可以作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。它在電池材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進(jìn)。80年代，它已被作為第二代燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池以熔融堿金屬碳酸鹽的混合物組成低共熔體系作電解質(zhì)，以氧化鎳為正極、鎳為負(fù)極的一種燃料電池。其燃料用氫和一氧化碳，氧化劑為空氣。電池主要是由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)基底和集流板或雙極板構(gòu)成。MCFC的特點(diǎn)就是能夠?qū)⒚簹庾鳛槿剂?，能夠?qū)Π偃f(wàn)kW級(jí)火力發(fā)電設(shè)備進(jìn)行有效替換，可以在煤氣站中安裝應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)是電極反應(yīng)不需要高效催化劑，節(jié)省了成本

4. 固體氧化物燃料電池（SOFC）

固體氧化物燃料電池（SOFC）屬于第三代燃料電池，被普遍認(rèn)為是在未來(lái)會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。電解質(zhì)采用固體氧化物氧離子導(dǎo)體，起傳遞及分離空氣和燃料的雙重作用。電解質(zhì)材料是SOFC所有組分中的重要組分之一，在SOFC運(yùn)行過(guò)程中，電解質(zhì)起著傳導(dǎo)電離子和分離空氣、燃料氣的作用。

5. 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

質(zhì)子膜燃料電池，是一種新型燃料電池，其電解質(zhì)是一種固體有機(jī)膜，在增濕情況下，膜可傳導(dǎo)質(zhì)子。質(zhì)子交換膜燃料電池單體主要由膜電極、密封圈、和帶有導(dǎo)氣通道的流場(chǎng)板組成。膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部分，中間是質(zhì)子交換膜，流場(chǎng)板通常由石墨制成。質(zhì)子交換膜燃料電池以氫為燃料。質(zhì)子交換膜燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)污染，可在室溫下快速啟動(dòng)，特別適合用做動(dòng)力電源。

三、燃料電池優(yōu)點(diǎn)

燃料電池沒(méi)有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，還可回收發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的余熱，綜合考慮效率能達(dá)到80%;發(fā)電過(guò)程，機(jī)械部件很少，噪聲低;化學(xué)反應(yīng)的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會(huì)污染環(huán)境;從中斷運(yùn)轉(zhuǎn)到再啟動(dòng)，輸電能力回升速度快，并可在短時(shí)間內(nèi)增加和減少電力輸出。

四、應(yīng)用與展望

燃料電池的高效無(wú)污染的突出優(yōu)點(diǎn)是其它發(fā)電方式所無(wú)法比擬的， 被稱(chēng)為綠色能源也當(dāng)之無(wú)愧。無(wú)論在我國(guó)還是世界， 積極發(fā)展高效無(wú)污染的能源工業(yè)都是日益迫切的課題， 積極發(fā)展燃料電池發(fā)電技術(shù)是能源工業(yè)發(fā)展的必然。我們應(yīng)抓住機(jī)遇， 迎接挑戰(zhàn)， 大力開(kāi)展我國(guó)燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究。

參考文獻(xiàn).

[1]田玫，孫麗榮，魏英智.燃料電池發(fā)展的歷史[J].化學(xué)與粘合，1995（04）：224-226.

[2].燃料電池產(chǎn)業(yè)分析[J].電器工業(yè)，2020（09）：20-25.

[3]劉潔， 王菊香， 邢志娜等. 燃料電池研究進(jìn)展及發(fā)展探析[J]. 節(jié)能技術(shù)， 2010， （4）：364-368.

[4]陳少峰，侯蘭鳳.燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)探討[J].冶金與材料，2019，39（05）：65-66+68..

[5]崔愛(ài)玉，付穎.燃料電池——新的綠色能源[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2006（07）：14-15+48..

[6]王恒.氫能發(fā)展模式應(yīng)用[J].農(nóng)村電氣化，2021（05）：65-69.

作者簡(jiǎn)介：

李鑫圣（1999.10——），男，漢族，山西省陽(yáng)泉市人，本科，拉薩市城關(guān)區(qū)西藏大學(xué)在讀本科生， 研究方向：新能源制造。