中國(guó)粉體網(wǎng)訊  燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置,，可以在沒(méi)有燃燒的情況下發(fā)電,，不會(huì)排放污染物,。燃料電池的燃料可以是氫氣,、天然氣,、甲烷,、甲醇,、乙醇等,，氧化劑始終是空氣,，除非在非常特殊的情況下可以是純氧（例如空間應(yīng)用）,。

燃料電池主要由陽(yáng)極、陰極,、電解質(zhì)以及外部電路四部分構(gòu)成,，通過(guò)氧化還原反應(yīng)，完成將化學(xué)能到電能的能量轉(zhuǎn)換：陽(yáng)極的反應(yīng)物通過(guò)氧化反應(yīng)產(chǎn)生帶正電的氫離子并釋放電子,，電子從陽(yáng)極流經(jīng)外部電路到達(dá)陰極被吸收,，陽(yáng)離子通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極與陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成產(chǎn)物水和二氧化碳，陰,、陽(yáng)兩極反應(yīng)產(chǎn)生離子在電解質(zhì)中遷移,，電子流經(jīng)外部電路，就此形成回路產(chǎn)生電流,。因其反應(yīng)不需要通過(guò)燃燒等條件而被稱為電化學(xué)發(fā)生器,。

在使用過(guò)程中，化學(xué)能—電能轉(zhuǎn)換率約為50%~80%,，比傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)效率更高,。燃料電池的燃料來(lái)源不受限制，產(chǎn)物無(wú)污染,，其廣泛的使用與普及可以減少對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的依賴,。由于其良好的性能和無(wú)污染效率高的優(yōu)點(diǎn)，引起了許多科研工作者的關(guān)注,。未來(lái),，燃料電池將有望被普遍應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè),、居民用發(fā)電,、移動(dòng)電源等領(lǐng)域。相比較于傳統(tǒng)發(fā)電裝置,，燃料電池具有許多優(yōu)點(diǎn),。

燃料電池系統(tǒng)（圖源：國(guó)鴻氫能）

燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

（1）環(huán)境污染小

燃料電池的主要產(chǎn)物是水,，而且以天然氣為燃料時(shí)，只有水這一產(chǎn)物,，二氧化碳排放量要比傳統(tǒng)發(fā)電裝置低40%左右,，對(duì)于緩解溫室效應(yīng)起到非常重要的作用。燃料電池的燃料在反應(yīng)前進(jìn)行了脫硫處理,，而且電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不存在燃燒過(guò)程,，因此不會(huì)產(chǎn)生SO2、NOx等粉塵污染物,，減小了對(duì)環(huán)境的污染,，是一種環(huán)境友好型能源裝置。

（2）發(fā)電效率高

因其不受卡諾循環(huán)的限制,，燃料電池能量轉(zhuǎn)換率在理論上是極高的,，但由于反應(yīng)過(guò)程中各種極化現(xiàn)象的出現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)換率受到影響,，所以實(shí)際使用過(guò)程中燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率為45%~60%,。但相比與傳統(tǒng)發(fā)電方式30%~40%的能量轉(zhuǎn)化效率，燃料電池的效率也是相當(dāng)可觀的,。

（3）噪音低

燃料電池由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，在工作時(shí)無(wú)需機(jī)械部件運(yùn)轉(zhuǎn)，所以工作時(shí)噪音很低,，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生噪音污染,。

（4）燃料范圍廣

一般含有氫的燃料（甲烷、乙烷,、酒精）都可以作為燃料電池的能量來(lái)源,，而且這些燃料都可以通過(guò)采集或者人工合成的方式獲取。這就體現(xiàn)了其燃料來(lái)源廣,、且易獲取的特點(diǎn),。

（5）可靠性高

燃料電池對(duì)負(fù)載功率的穩(wěn)定性要求較低，當(dāng)其負(fù)載有變動(dòng)時(shí),，燃料電池仍然能穩(wěn)定工作,，不受影響，所以燃料電池可以應(yīng)用于應(yīng)急電源,。

燃料電池的分類

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同,，技術(shù)人員根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)或者工作原理開發(fā)出了多種類型的燃料電池。燃料電池有著多種不同的分類方法：按照工作的溫度的不同,，燃料電池可以分為低溫型燃料電池,、中溫型燃料電池、高溫型燃料電池和超高溫型燃料電池四類,；按照電解質(zhì)的區(qū)別,，燃料電池可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）,、堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）,、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）這五類,。按照技術(shù)發(fā)展水平可以分為第一代燃料電池、第二代燃料電池,、第三代燃料電池、第四代燃料電池,。

（1）堿性燃料電池

堿性燃料電池屬于第一代燃料電池,，電解質(zhì)為KOH溶液，電極材料為碳材料,。為適應(yīng)航空航天動(dòng)力的需求,，堿性燃料電池最早提出并開發(fā)利用。其工作溫度較低只有大約70℃,，所以啟動(dòng)速度較快,，同時(shí)其還具有污染小、環(huán)境噪音低等優(yōu)點(diǎn),。因?yàn)殡婋x密度較低,，其發(fā)電量較低，同時(shí)還具有以下缺點(diǎn)：壽命較短,、腐蝕性較強(qiáng),、制造成本高。

（2）磷酸燃料電池

磷酸燃料電池也屬于第一代燃料電池,，電解質(zhì)為液體磷酸,，骨架為碳材料，燃料為氫氣,、天然氣,、甲醇等。磷酸燃料電池技術(shù)發(fā)展比較成熟,，已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)電廠和公共汽車供電系統(tǒng),。PAFC具有反應(yīng)速度快、對(duì)雜質(zhì)的耐受程度高以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),。PAFC存在一些缺點(diǎn)：效率低于其他燃料電池,、工作溫度高（約為150~200℃）。

（3）熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池屬于第二代的燃料電池,，電解質(zhì)為熔融態(tài)碳酸鹽,，電極為多孔陶瓷陰極和多孔金屬陽(yáng)極，電解質(zhì)隔膜為多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜,。其能量轉(zhuǎn)換率較高,，約為55%~65%,，主要應(yīng)用于固定電站。熔融碳酸鹽燃料電池的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)坞姵氐墓β瘦^大,、反應(yīng)速度快,、成本低、對(duì)燃料的純度要求低等,。熔融碳酸鹽燃料電池也存在一些缺點(diǎn)：工作溫度高（約為600~700℃）以及因此造成的液體電解質(zhì)管理較困難,、功率密度低、體積大,、電池壽命低等,。

（4）固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池屬于第三代燃料電池，與一般的燃料電池結(jié)構(gòu)相同,，但全由陶瓷組成,，是全固態(tài)結(jié)構(gòu)。固體燃料電池主要應(yīng)用于電廠混合發(fā)電,，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單,、結(jié)構(gòu)安全、不需要貴金屬催化劑,、燃料選擇范圍廣,、噪音小等。固體氧化物燃料電池也存在一些缺點(diǎn)：工作溫度高（800~1000℃）,，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等,。

（5）質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池屬于第四代燃料電池，電解質(zhì)為高分子材料質(zhì)子交換膜,，電極由氣體擴(kuò)散層和催化劑層兩部分組成,，氣體擴(kuò)散層是由基體材料和微孔層組成的，催化劑層是利用炭黑或石墨對(duì)電極材料進(jìn)行負(fù)載,，燃料為氫氣,、天然氣、甲烷等,。

相對(duì)于前面幾代燃料電池,，質(zhì)子交換膜燃料電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換效率以及功率密度高、電解質(zhì)無(wú)腐蝕性,、常溫下工作,、啟動(dòng)速度快。當(dāng)然其也具有一定的缺點(diǎn)：催化劑價(jià)格高昂,、對(duì)CO敏感,、需要加濕反應(yīng)物等。質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池中發(fā)展較為成熟的電池技術(shù),，被廣泛應(yīng)用于航空航天,、軍事領(lǐng)域和新能源汽車領(lǐng)域,。

（來(lái)源：殷卓成等: 氫燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與前景分析）

資料來(lái)源：李夢(mèng)佳：碳紙的疏水改性及其性能研究，天津工業(yè)大學(xué)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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