什么是氢燃料电池

燃料电池所使用的燃料通常是氢，由两个电极和一个电解质膜组成，电极分为负极和正极，将电解质膜夹在中间。这个系统通过一系列的化学反应，将电子从燃料分子中分离出来，从而产生能量。因此，燃料电池就是直接将燃料的这种化学能转化为电能的装置。从理论上来讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。

燃料电池可以灵活使用多种类型的燃料。虽然氢是最常见的燃料来源（因此燃料电池俗称氢燃料电池），但天然气和氨等富氢燃料也是可行的。

为什么要研究燃料电池

燃料电池利用氢气与氧气反应生成电能、热能和水，化学反应的过程可以通过以下反应式表示：

2H2+O2→2H2O+电能

与内燃机不同，燃料电池并不依赖于燃烧过程，而是通过电化学反应直接生成电流，避免了内燃机中产生大量热量并转化为机械能的低效过程，通过提升燃料电池的效率，能够在更小的能源投入下产生更多的电能，从而减少对传统化石能源的依赖。对于能源的开发使用、产能的提质增效、技术的革新创造具有重要意义。

燃料电池可以是理想的全固态机械结构，即没有可移动的部件，意味着燃料电池非常安静，这样的系统相对而言具有较高的可靠性和较长的使用寿命。而且在发电过程中可以做到NOx、S0x和微粒排放等污染物排放量为0，为全球能源结构的优化、碳排放的减少以及可持续发展目标的实现提供重要支持。

它的能量转化率高、噪音低以及零排放等优点，应用于交通领域、固定电源、航天和军事领域以及可再生能源集成等的前景十分广阔。

氢燃料电池的主要类型

通常情况下，燃料电池可以分为磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等。近年来，随着对燃料电池研究的日益深入，逐渐诞生了直接碳燃料电池、微生物燃料电池、直接甲醇燃料电池、葡萄糖/O2酶燃料电池等等。

    在上述种类中，最早被开发的燃料电池为磷酸燃料电池和碱性燃料电池，也被称为第一代燃料电池，发展至今已经拥有较为成熟的技术。而第二代燃料电池为熔融碳酸盐燃料电池，第三代燃料电池为固体氧化物燃料电池。第四代为氢质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池。

碱性燃料电池的核心原理是通过电化学反应将氢气（H₂）和氧气（O₂）转化为电能。具体来说，氢气在负极（阳极）与电解质反应，生成电子和氢离子（H⁺）；这些电子通过外部电路流向正极（阴极），形成电流，而氢离子则通过电解质迁移至正极，与氧气反应生成水。工作原理如图所示，碱性燃料电池的工作温度大约80℃。它们的启动也很快，但其电流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。

阳极（负极）：氢气在阳极与氢氧化物离子反应，释放电子。阳极通常由贵金属（如铂、金等）或其他高导电材料制成。

阴极（正极）：氧气与电子和水反应生成氢氧化物离子。阴极通常也由贵金属材料制成，能够有效地促进氧气的还原反应。

电解质：碱性燃料电池中的电解质是氢氧化钾（KOH）溶液或其他碱性溶液，负责在电池两极之间传递氢氧化物离子（OH⁻）。

外部电路：电子通过外部电路从阳极流向阴极，产生电流供外部负载使用。

气体供给系统：氢气和氧气需要持续供给给阳极和阴极。通常，氢气通过管道传送到阳极，氧气（或空气中的氧）通过管道输送到阴极。

优点：

高效率：由于直接电化学反应，碱性燃料电池的能量转换效率比传统内燃机更高。

环境友好：只排放水，不产生有害气体，因此非常适合用于清洁能源应用。

运行温度较低：与高温燃料电池相比，碱性燃料电池的工作温度较低，通常在60°C到120°C之间。

缺点：

对CO₂敏感：碱性燃料电池对二氧化碳敏感，二氧化碳会与氢氧化物离子（OH⁻）反应，影响电池的性能和寿命。

催化剂要求：阳极和阴极反应需要催化剂，但传统的贵金属催化剂成本较高。

氢气储存问题：燃料电池的氢气储存和运输问题依然是制约其广泛应用的一大障碍。

质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应将氢气（H₂）和氧气（O₂）转化为电能、水和热量的装置。PEMFC的主要特点是其使用质子交换膜（PEM）作为电解质，它能够在高温下保持稳定，并且具有导电性，仅允许氢离子（H⁺）通过。质子交换膜在电池内部形成了阳极和阴极之间的隔离层，它起到传递氢离子、隔离氢气和氧气两个重要作用。

阳极：氢气氧化反应发生的地方，通常使用贵金属催化剂（如铂）来提高反应效率。

阴极：氧气还原反应发生的地方，通常也需要催化剂。

质子交换膜（PEM）：作为电解质，传导氢离子，同时隔离阳极和阴极，防止氢气和氧气直接反应。

催化剂层：涂覆在阳极和阴极上的催化剂，常用铂或铂合金，促进氢气氧化和氧气还原反应。

流场板：导入和排出氢气、氧气和水的板，帮助气体分布均匀，且有效地移除水蒸气，防止电池性能下降。

电极：电极由催化剂层和电解质组成，是电池内部电化学反应发生的主要场所。

磷酸燃料电池的基本工作原理与其他类型的燃料电池相似，都是通过电化学反应将氢气（H₂）和氧气（O₂）转化为电能、水和热量。磷酸燃料电池的电解质是液态的磷酸，工作温度通常在160°C到220°C之间。磷酸（H₃PO₄）作为电解质，在PAFC中起到重要作用。它是一个质子导体，能够有效地将氢离子从阳极传输到阴极。磷酸的液态性质使得它在高温下仍然能够保持良好的导电性，支持高效的电化学反应。

阳极（负极）：氢气在阳极氧化，释放电子。阳极通常由催化剂（如铂、钯或其他合金）制成，以促进氢气的氧化反应。

阴极（正极）：氧气在阴极还原，生成水。阴极也需要催化剂来促进氧气的还原反应。

电解质（磷酸）：液态的磷酸作为电解质，提供氢离子（H⁺）的导电通道，将阳极和阴极连接起来。

外部电路：电子从阳极通过外部电路流向阴极，形成电流供负载使用。

气体供给系统：氢气供给到阳极，氧气（或空气中的氧）供给到阴极。燃料和氧化剂的供给需要通过精确的控制系统来维持燃料电池的稳定运行。

优点：

高效率：与传统燃烧方式相比，PAFC具有较高的能量转换效率。

长寿命：由于电解质是液态磷酸，它比固态电解质更耐用，可以承受较长时间的运行。

良好的热管理：PAFC在高温下运行，可以利用产生的热量进行热电联产（CHP），提高整体能源利用效率。

环保：产生的唯一副产物是水，没有二氧化碳或其他污染物排放，适合用于清洁能源领域。

缺点：

较高的工作温度：虽然高温有其优势，但也需要更高的启动时间和额外的热管理系统。

对催化剂要求高：虽然使用磷酸电解质，但阳极和阴极催化剂的选择依然需要高成本的贵金属材料（如铂或合金）。

氢气储存问题：氢气的储存和运输依然是一个技术挑战，尤其是在移动应用（如燃料电池汽车）中。

熔融碳酸盐燃料电池是一种高温燃料电池，通常工作在650°C左右。MCFC的主要特点是采用熔融碳酸盐作为电解质，利用碳酸盐的电解性质进行电化学反应。这种燃料电池适用于大功率发电、分布式发电和高温工业应用。但MCFC使用的是熔融碳酸盐作为电解质，因此其工作环境温度较高，反应方式也与传统的质子交换膜燃料电池（PEMFC）有所不同。

阳极：通常由金属材料（如镍）构成，提供气体（氢气）的接触和氧化反应场所。

阴极：通常由镍氧化物等催化剂构成，氧气还原反应发生在此。

熔融碳酸盐电解质：如碳酸锂（Li₂CO₃）、碳酸钠（Na₂CO₃）或碳酸钾（K₂CO₃）等组成的电解质，是导电的核心物质，允许CO₃²⁻离子的迁移。

流场板：用于分配氢气和氧气，并将生成的水和二氧化碳带走。

隔离层：用来分隔阳极和阴极，防止两者直接接触。

优点：

高效率：MCFC能在高温下工作，其热能可以直接用于热电联产系统，从而提高整体能效。

燃料灵活性：MCFC不仅能使用氢气，还能使用其他燃料如天然气、煤气等，通过重整过程将这些燃料转化为氢气进行利用。

低排放：MCFC的排放物主要是二氧化碳和水，相较于传统化石燃料发电，CO₂排放量较少。

适应高温环境：由于其在高温下运行，MCFC能有效地利用其废热，用于其他工业用途或热电联产。

缺点：

高温操作：MCFC在650°C左右的高温下工作，造成了热管理和材料耐高温的挑战。

二氧化碳排放：虽然MCFC具有较低的排放，但它仍然会产生二氧化碳，这在环境保护日益关注的今天是一个问题。

电解质的稳定性：熔融碳酸盐在高温下长期使用可能会遇到稳定性和腐蚀的问题，需要定期维护和更换。

催化剂寿命：由于高温环境的影响，阳极和阴极的催化剂（尤其是镍基材料）容易发生降解，从而影响电池的性能。

固体氧化物燃料电池是一种高效、环保的燃料电池技术，广泛应用于发电和热电联产系统。SOFC通过电化学反应将化学能直接转化为电能，其工作原理基于氧气还原反应和燃料氧化反应，使用固体氧化物作为电解质。SOFC的特点是能够在高温（通常在600°C至1000°C之间）下工作，具有高效率、长寿命和较高的燃料灵活性。SOFC的工作原理是基于电化学反应，类似于其他燃料电池。其工作过程可以分为几个关键步骤：阳极反应、阴极反应和电解质的离子导电作用。

阳极：通常由镍和氧化锆等材料组成，负责燃料（通常是氢气或烃类燃料）的氧化反应。

阴极：通常由钙钛矿型氧化物制成，负责氧气的还原反应。

电解质：SOFC的核心部分，是一种固态氧化物材料，常用的电解质是氧化锆掺钙或掺镁形成的陶瓷材料。它在高温下具有良好的氧离子导电性。

流场板：用于将燃料和氧气分配到电池的阳极和阴极，同时排出反应生成的水和二氧化碳。

优点：

高效率：SOFC能够在高温下运行，通常具有较高的热效率，可以将废热用于热电联产系统，从而提高整体效率。其效率通常可以达到40-60%，热电联产系统下的整体效率甚至可以达到80%以上。

燃料灵活性：SOFC可以使用多种燃料，如氢气、天然气、甲烷、甚至合成气等，燃料的选择更加灵活。这使得SOFC适用于不同类型的能源来源。

低排放：SOFC的排放物主要是二氧化碳和水，其排放比传统的燃烧发电更为清洁，尤其是在使用氢气作为燃料时，不会产生任何污染物。

耐高温能力：SOFC能够在600°C到1000°C的高温下稳定运行，适应各种工业环境。

长寿命：SOFC的设计和结构使得其使用寿命较长，相比于其他类型的燃料电池具有更强的耐用性。

缺点：

高工作温度：SOFC需要在高温下运行，这对材料的耐高温性和稳定性提出了较高要求，此外高温也可能导致系统的启动时间较长。

材料问题：高温环境可能导致电池材料的膨胀和收缩，从而影响电池的长期稳定性。电解质材料的导电性随着温度变化而变化，这可能影响电池性能。

初期成本：SOFC的初期建设和维护成本较高，尤其是涉及高温材料和复杂的系统设计时。

启动时间长：由于SOFC在高温下工作，启动时间较长，因此适用于长期稳定运行的应用，而不适用于需要快速启停的场合。