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百篇科普系列（26）

燃料電池及其應用

華中科技大學，徐長發，2017.5.25.

燃料電池是一種直接將燃料的化學能轉化為電能的裝置，具有高效節能、環境友好、燃料來源廣泛以及可靠性高等優勢，成為近十幾年來最受矚目的新能源供應技術之一。它被公認為繼火力發電、水力發電和核能發電技術之后的第四代化學能發電技術，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。如果電解質是酸性的，則稱為酸性燃料電池。電解質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。先看負極一端，工作時，負極端供給燃料氫氣，在催化劑的作用下，氫被激活為氫離子H+和電子e-，氫離子穿過質子交換膜進入電解質，再穿過質子交換膜到達正極的催化劑層；而電子在負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，氧離子和負極那邊游離過來的氫離子結合成水，水在正極催化劑層被排出。發生的反應為：

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生反應，生成水和電。水的電解反應是消耗水和電生成氫和氧。燃料電池本質上是使用燃料又不用燃燒燃料的化學反應發電機，只是因為它的形狀像塊蓄電池，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是預先放在電池內部的，因而電池容量取決于貯存的活性物質的多少，活性物質用完了電池就報廢了；燃料電池是外部提供活性物質（燃料物質），內部物質并不損耗，理論上可以長期工作。

二．技術關鍵

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要求。

1）負極催化劑。其作用是讓氫氣產生活性，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，增加一個氫氣的擴散層。還有，催化劑層被激活的電子就由負極催化劑（金屬）層導出。

2）質子交換膜。由示意圖可以看出，質子交換膜要將兩個電極和電解質隔開。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。其作用是讓氧氣產生活性，生成氧離子和電子，再和氫離子反應生成水。此層也做成多孔形狀，以便反應通暢，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。其作用是讓氫離子順利地從陽極向陰極移動，電解質層的厚度要適中。用什么材料做電解質？例如，氫-氧-磷酸燃料電池的電解質是濃磷酸溶液。其實電解質可以是酸性的也可以是堿性的，可以是液態的也可以是固態的。

由上述分析很容易看到，燃料電池的技術關鍵就是三樣，一是電極催化層，二是質子交換膜，三是電解質層。

三.實用要求

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

圖3，若干單體組合成一個燃料電池堆

在實用中，為維持電池堆的正常運轉，還必須配備以下幾個部分設施：

氫氧供給分系統。首先要保證氫氣和氧氣的純凈，不能有小顆粒，否則會堵塞反應器。其次，實用中如果使用液態氫，則要求貯罐耐高壓，避免爆炸危險。

排水分系統。因為氫-氧合成水的反應是放熱的，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。要對電池堆散熱，以保證電池能正常工作。

自動控制系統。包括電池堆工作壓力、溫度、排水與排氣、電壓、安全和冷卻液循環等系統的協調控制與調節。

四.幾種可以實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用的燃料電池堆及其工作參數。

簡稱 燃料電池類型 電解質 工作溫度（℃） 電化學 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% 多種燃氣 2MW-10MW

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

從這幾種燃料電池的有關參數中，讀者不難看出以下幾點。

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）之區別。

酸性燃料電池中使用的是酸性電解質，合成水在氧氣一側排出。堿性燃 料電池的電解質是堿性的，堿性燃料電池的工作原理和電池結構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，發電功率也不是很大，采用液態的電解液，其質子交換膜都比較薄，交換膜的材質，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，也可以用有機材料制成微孔隔膜。

要想提高發電功率，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做大一點，再用熔融的鋰－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀等電解質侵入孔洞中。

固態的電解質（例如SOFC）的使用可以進一步提高工作溫度和發電效率。

3.甲醛燃料電池（DMFC）。它直接使用甲醇而勿需預先重整，甲醇在一端經催化后轉換成二氧化碳和氫離子和電子，氫離子在另一端與氧反應生成水。甲醇燃料電池最有可能補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）。當然，這類燃料必須先經過預處理，得到純氫氣之后才能用于發電。預處理過程會提高氫的溫度，再配合使用適合高溫的質子交換膜和固態的電解質，就可進一步提高發電功率了。

5.催化劑電極是燃料電池的關鍵技術之一。

在常溫下能做催化劑的物質有很多，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，成本太高是個大問題。為了減低電極成本和提高催化效率，現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，用導電的有機材料制作多孔載體，再讓鉑附著在載體上。至于多孔載體的制作方法應該和超級電容的電極制作方法是一樣的。　　　

五。燃料電池的優點

1.能量轉化效率高。因為燃料電池是直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經過燃燒過程，所以它的燃料—電能轉換效率較高，注意，這里不是電化學效率，而是熱能充分利用后轉換為電效率。如果直接使用氫氣，其電能轉換效率超過50%；如果發電設施與燃氣渦輪機并用，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-電轉換效率不到30%，火電的大約在40%左右，很多熱能都浪費了。

2.安裝地點靈活，燃料電池的電站占地面積小，建設周期短。

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

4.電站的負荷響應性好，只要調節燃料供給量，就可以低負荷運行或者滿負荷運行。

6.燃料的適應面廣泛。

7.非常環保。

從目前來看，燃料電池集合了眾多的優勢于一身，它已經引起人們的極大關注。由燃料電池構成的發電系統對電力工業都具有極大的吸引力。

六。燃料電池的應用前景

近20多年來，燃料電池的研究和應用發展極快，目前已經是世界熱點研究課題，國內國外許多大學和研究機構都在研究和開發燃料電池。

1.燃料電池小型化是重要發展方向之一。例如，現在已經研究制作出了用于手機的超薄的燃料電池，可以連續使用一周以上，當然這款樣機手機還特意在背殼上開孔，以確保微量水蒸汽盡快排出機身。又例如，現在已經研究制作出了微型的燃料電池作為移動式外接電源。未來小型化的燃料電池將可以取代現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備中，如筆記本電腦、無線電話、錄像機、照相機等。預計再2020年，這些微型電池將正式批量生產和應用。

2.燃料電池用于電動機車領域也是一個重要的發展方向。有很多種燃料電池可用于電動汽車，但多數為質子交換膜燃料電池。因為這種燃料電池具有發電效率高、輸出功率高、使用壽命長、噪音低等特點，用于電動汽車上非常合適。早在1994年奔馳就生產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中。現在，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，續航能力可達400-800公里。

2017年底，燃料電池火車將在德國正式商業運行，該燃料電池火車在滿載燃料時可連續行駛600至800公里，最高時速可達140公里，最多可運送300人。未來，它有望替代以柴油機為動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重要的發展方向。磷酸燃料電池（PAFC）是作為中小型電站的首選。現在，2-11MW的多種等級的成套的燃料電池發電廠相繼在一些發達國家建成。這些分布式的發電設備，可解決小中區域的電力供應、停電應急、電網調峰等問題，具有很強的機動靈活性。

4.大型燃料電池發電設備同樣受到重視。熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC），固態氧化物燃料電池（SOFC）是大規模清潔發電站的優選對象。這種大型的燃料電池發電站的燃料來源很廣，可以是天然氣或煤氣，如果再和常規的蒸汽輪機或燃氣輪機聯合使用,可將燃料利用率提高到80％以上。大型的燃料電池發電站既能夠做到零排放保護環境，又能夠提高燃料的利用率，有望取代現在的大型火力發電站，這的確是有重要前景的。

現在，發達國家都在建設大型的燃料電池發電站，有的國家已建成了360MW的燃料電池發電站。

七．結束語

我國開發燃料電池技術相對乏力，不僅在研究方面起步晚，投入少，力量分散，而且在應用開發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國和消費國，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，要實現實用化、商業化還有很長的路要走。迄今為止，我國還沒有燃料電池發電站的應用實例，更不要說是大型的電站了。這和我國這樣一個大國的地位是很不相稱的。不過可喜的是，目前國內從民間到政府，對燃料電池的研究與開發已經開始相當地重視了。

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

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