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燃料电池1839年，英国科学家WilliamGrove设计出了第一款燃料电池，之后，燃料电池得到了广泛的研究。随着能源危机的出现，燃料电池更得到了进一步的关注。燃料电池和传统的内燃机比较，二者都是用化学燃料作为能源，但是在燃料利用率上，传统的内燃机只有约18%的效率，而燃料电池的效率可高达80%。一、燃料电池的分类二、燃料电池的特点三、燃料电池的发展历程四、燃料电池的应用本章内容1.按燃料电池的运行机理分1.1酸性燃料电池1.2碱性燃料电池一、燃料电池的分类2.按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质2.1碱性燃料电池（AFC）2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC）2.3磷酸燃料电池（PAFC）2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)2.5固体氧化物燃料电池（SOFC）3.按燃料类型分3.1氢燃料电池3.2甲烷燃料电池3.3甲醇燃料电池3.4乙醇燃料电池2.1碱性燃料电池（AFC）2.1.1碱性染料电池简介•碱性燃料电池是该燃料电池技术中发展最快的一种，主要为空间任务，包括为航天飞机提供动力和饮用水。•碱性燃料电池使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。•负极反应：2H2+4OH-→4H2O+4e-•正极反应：O2+2H2O+4e-→4OH-•碱性燃料电池的启动很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。•如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。2.1.2碱性燃料电池的优点：•因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高，所以效率高；•因为是碱性介质，可以使用非铂催化剂；•因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极板。2.1.3碱性燃料电池的缺点：•因为电解质为碱性，易与CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去CO2，这给其在常规环境中应用带来很大的困难。•电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。2.1.4碱性燃料电池的类型•碱性燃料电池要能达到实用的量级，需要将单体电池串联和并联形成电池堆，根据其电解质的形态，堆结构有3种类型：•①循环式电解质碱性燃料电池。电解质溶液被泵入燃料电池的碱腔，电解质在碱腔中循环使用。这一设计的优点在于它可以随时更换电解质。•②固定式电解质碱性燃料电池。电池堆的每一个电池都有一个属于自己的独立的电解质，它被放在两个电解之间的隔膜材料里。这个设计由于其结构的简单性，现已广泛应用于航天飞行器中。•③可溶解燃料碱性燃料电池。在电解质中混合了肼或氨这类燃料。这个设计成本低，结构紧密，制作简单且易于补充燃料。•2.1.5碱性染料电池的发展现状•碱性燃料电池是最早开发并获得成功的燃料电池，早在20世纪60年代就被用于宇宙飞船和登月飞行。碱性燃料电池采用KOH等碱性溶液为电解质，用H2或NH3、N2H2裂解的H2为燃料，空气或O2为氧化剂，使用贵金属（如Pt、Ag等）和过渡金属（如Ni等）或者由它们组成的合金等作为催化剂。碱性燃料电池具有稳定、耐久等优点，具有较高的电效率（60%～90%），迄今为止，它仍是最适合于太空使用的燃料电池。•碱性燃料电池分为中温（工作温度约为523K）和低温（工作温度低于373K）两种。中温碱性燃料电池被用于航天飞行和太空项目上的电源，经过几十年的使用，被证明为安全可靠的太空电源；低温碱性燃料电池是今后开发重点，其应用目标是便携式电源和交通工具用动力电源。•碱性燃料电池可以在室温下快速启动，并迅速达到额定负荷，而且电池的本体材料选择广泛，电池造价较低。因此，碱性燃料电池若应用于便携式电源和交通工具用动力电源，具有一定的发展和应用前景。•碱性燃料电池在实际使用中，往往采用空气作为氧化剂，由于CO2会跟碱性电解质反应，对电池的效率和使用寿命造成影响，使得碱性燃料电池系统需要复杂的CO2脱除装置，而且只能用纯H2为燃料；此外，碱性燃料电池的催化剂一般采用贵金属Pt才能获取电池的高性能，且需要一个控制体系保持电解质浓度的恒定。这些造成碱性燃料电池系统的复杂化，成本增高，导致其不适于民用、与其他燃料电池相比竞争力降低。•20世纪90年代以来，众多汽车生产商都在研究使用低温燃料电池作为汽车动力的可行性。由于低温碱性燃料电池存在易受CO2毒化等缺陷，使其在汽车上的应用受到限制，目前大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）上寻求突破。然而PEMFC和DMFC都以贵金属Pt为主催化剂，一旦PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶段，将被迫面临Pt的匮乏。碱性燃料电池可以不采用贵金属作催化剂，如果采用CO2过滤器或碱液循环等手段去除CO2，克服其致命弱点后，用于汽车的碱性燃料电池将具有现实意义。因此，碱性燃料电池领域近年的研究重点是CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂。2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC）2.2.1质子交换膜燃料电池简介质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。两电极的反应分别为：阳极(负极)：2H2-4e=4H+阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。双极板常用石墨板材料制作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。2.2.2质子交换膜燃料电池优点•其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；•发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。•质子交换膜燃料电池工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便•被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。2.2.3质子交换类膜的缺点：•制作困难、成本高。全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；•对温度和含水量要求高。Nafion系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题。2.2.4质子交换膜燃料电池的应用•质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，经过多年的基础研究与应用开发，用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。•采用质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。2.3磷酸燃料电池（PAFC）2.3.1磷酸燃料电池工作原理•磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。可以在150～220℃工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易被CO毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。•阳极反应：H2+2e-→2H+•阴极反应：1/2O2+2H+→H2O+2e-•总反应：1/2O2+H2→H2O2.3.2磷酸燃料电池优点•排气清洁。燃料并不燃烧就发电，所以完全没有NOX,SOX等污染大气的物质排放。•发电效率高。内燃机发电装置是将燃料燃烧，驱动涡轮等机械带动发电机发电产生电能，能量变换损耗大。燃料电池发电是把燃料的化学能直接变换成电能，所以能量变换损失少，发电效率远高于内燃机：•低噪音，低振动。由于是不伴有旋转机械的发电方式，所以具有低噪音、低振动的特点。2.3.3磷酸燃料电池应用•PAFC作为一种中低温型（工作温度180-210℃）燃料电池，不但具有发电效率高、清洁、适应多样燃料、无噪音、运转费低、设置场所限制少、大气压运转容易操作、安全性优良、部分负荷特性好等特点，而且还可以热水形式回收大部分热量。最初开发PAFC是为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。•PAFC用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在10-20MW之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量在100MW以上，可以作为中等规模热电厂。PAFC电厂比起一般电厂具有如下优点：即使在发电负荷比较低时，依然保持高的发电效率；由于采用模块结构，现场安装简单，省时，并且电厂扩容容易。2.4熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）•2.4.1熔融碳酸盐燃料电池工作原理•工作温度可达650℃。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。•溶化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，使用溶化的锂钾碳酸盐或者锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650℃时，盐就会熔化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水、二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。•阳极反应：CO32-+H2→H2O+CO2+2e-阴极反应：CO2+1/2O2+2e-→CO32-这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。在这样高的温度下，尽管硫仍然是一个问题，而一氧化碳污染却不是问题了，且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。如果其浪费的热量能够加以利用，其潜在的效率可高达80%。不过，高温也会带来一些问题。这种电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能用于交通运输，其电解质的温度和腐蚀特性表明它们用于家庭发电不太安全。但是，其较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电气轮机则具有较大