1燃料電池的工作原理

人們常用的普通電池有堿性干電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。燃料電池和普通電池相比，既有相似，又有很大的差異。它們有著相似的發(fā)電原理，在結構上都具有電解質，電極和正負極連接端子。二者的不同之處在于，燃料電池不是一個儲存電能的裝置，實際上是一種發(fā)電裝置，它所需的化學燃料也不儲存于電池內部，而是從外部供應。在燃料電池中，反應物燃料及氧化劑可以源源不斷地供給電極，只要使電極在電解質中處于分隔狀態(tài)，那么反應產物可同時連續(xù)不斷地從電池排出，同時相應連續(xù)不斷地輸出電能和熱能，這便利了燃料的補充，從而電池可以長時間甚至不間斷地工作。人們之所以稱它為燃料電池，只是由于在結構形式上與電池有某種類似：外特性像電池，隨負荷的增加，它的輸出電壓下降[4]。

燃料電池實際上是一個化學反應器[5]，它把燃料同氧化劑反應的化學能直接轉化為電能。它沒有傳統(tǒng)發(fā)電裝置上的原動機驅動發(fā)電裝置，也沒有直接的燃燒過程。燃料和氧化劑從外部不斷輸入，它就能不斷地輸出電能。它的反應物通常是氫和氧等燃料，它的副產品一般是無害的水和二氧化碳。燃料電池的工作不只靠電池本身，還需要燃料和氧化劑供應及反應產物排放等子系統(tǒng)與電池堆一起構成完整的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池可以使用多種燃料，包括氫氣、碳、一氧化碳以及比較輕的碳氫化合物，氧化劑通常使用純氧或空氣。它的基本原理相當于電解反應的逆向反應，即水的合成反應。燃料及氧化劑在電池的陰極和陽極上借助催化劑的作用，電離成離子，由于離子能夠通過二電極中間的電解質在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓。當電極同外部負載構成回路時，就可向外供電(發(fā)電)。圖1是燃料電池的工作原理圖[6]。

2燃料電池的發(fā)展簡史、分類及各自特性

1839年，WilliamGrove提出了氫和氧反應可以發(fā)電的原理，并發(fā)明了第一個燃料電池。他把封有鉑電極的玻璃管浸入稀硫酸中，電解產生氫和氧，連接外部裝置，氫和氧就發(fā)生電池反應，產生電流。

1896年，W.W.Jacques提出了用煤作為燃料電池的燃料，但由于無法解決環(huán)境污染的問題，沒有取得滿意的效果。

1897年，W.Nernst用氧化釔和氧化鋯的混合物作為電解質，制作成了固體氧化物燃料電池。

1900年，E.Baur研究小組發(fā)明了熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)。此后，I.Taitelbaum等人就此進行了一些拓展性的研究。

1902年，J.H.Reid等人先后開始研究堿質型燃料電池(AFC)。

1906年，F.Haber等人用一個兩面覆蓋鉑或金的玻璃圓片作為電解質，與供氣的管子相連，做出了固體聚合物燃料電池(SPFC)的雛形。

1952年，英國學者F.T.Bacon在借鑒前人研究經驗的基礎上研制出具有實用性的培根電池并獲得專利。它的研制思路是避免采用貴金屬并設法獲得盡可能高的輸出功率。采用雙層孔徑燒結鎳做電極，氫氧化鉀水溶液做電解質，以純氫和純氧為燃料及氧化劑。副產物是純水。培根電池是燃料電池由實驗走向實用具有里程碑性質的燃料電池[7]。

20世紀60年代以來，燃料電池進入了廣泛的實用性開發(fā)階段。按所使用的電解質的不同，燃料電池通常可以分為以下幾種[8]：

2.1堿性燃料電池(alkalinefuelcell簡稱AFC)

這種電池是以氫氧化鉀或氫氧化鈉等堿性溶液為電解質，電解液滲透于多孔而惰性的基質隔膜材料中，導電離子為OH-，使用的電催化劑主要是貴金屬(如鉑、鈀、金、銀等)和過渡金屬(如鎳、鈷、錳等)或者由它們組成的合金。電池的工作溫度一般在60℃～90℃范圍。它設計簡單，但不耐CO2，所以原則上它必須采用純氫和純氧做為燃料。

2.2磷酸鹽燃料電池(phosphoricacidfuelcell簡稱PAFC)

這種電池一般以Pt/C為電極基材，電解質為吸附于SiC上的85%的磷酸溶液，工作溫度范圍在150℃～200℃，其主要優(yōu)點是產生熱量高，產生CO的量少。缺點是電導率較低且有漏液問題。

2.3質子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell簡稱PEMFC)

這種電池以磺酸型質子交換膜為固體電解質，無電解質腐蝕問題，能量轉換效率高，無污染，室溫下快速啟動。

2.4熔融碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell簡稱MCFC)

該型電池采用多孔Ni/Al/Cr作陽極，NiO為陰極，Li2CO3/Na2CO3為電解質，并加入LiAlO2做穩(wěn)定劑。MCFC型燃料電池由于反應溫度高，正常工作溫度在650℃左右，電解質成熔融態(tài)，電荷移動很快，在陰陽電極處電化學反應快，因此可不用昂貴的貴金屬作催化劑；對燃料適應廣，可直接使用天然氣或煤氣作為燃料使用，降低了投資；可同汽輪發(fā)電機組組成聯(lián)合循環(huán)，進一步提高發(fā)電效率。其優(yōu)點是高效，耐CO.主要缺點是啟動時間長。

2.5固體氧化物燃料電池(solidoxidefuelcell簡稱SOFC)

固體氧化物燃料電池，又稱高溫燃料電池，電解質采用ZrO2+Y2O3，陽極為Ni+ZrO2(Y2O3)，陰極為La/SrMnO3。電解質允許氧離子自由通過，而不允許氫離子和電子通過。其電子導電性很差，低溫時比電阻很大，因此，工作溫度要維持在800～1000℃才能有較高的發(fā)電效率。從而要求采用高溫密封材料。其優(yōu)點是高效，耐CO，可以不用貴金屬催化劑。缺點是啟動時間長，工作溫度高，帶來材料耐高溫，耐腐蝕問題。

還有一種分類方法是按電池工作溫度對電池進行分類[9]，可分為：低溫燃料電池(工作溫度一般低于100℃)，它包括堿性燃料電池和質子交換膜燃料電池；中溫燃料電池(工作溫度一般在100℃～300℃)，它包括培根型堿性燃料電池和磷酸型燃料電池；高溫燃料電池(工作溫度在600℃～1000℃)，它包括熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。表1是各種類型燃料電池的結構特性[10-13]。