燃料电池原理与发展
燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。
近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。
介绍一下熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述 1.1 燃料电池简述燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，结构如图1-1所示。它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。同汽油发电机相似，它的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐的贮量决定。总体上，燃料电池具有以下特点：
(l) 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。
(2) 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。
(3) 环保问题少。
(4) 负荷应答速度快，运行质量高。
由于FC具有以上显著的优点，在50~60年代呈现第一个研制高峰，那时侧重于发展碱性FC，尽管后来未曾象预期的那样在交通工具及大型电厂获得应用，但是FC在航天飞行中取得的成功足以证明它所具有的突出优点。70年代初，由于投资减少，FC研究进入低潮。70年代末，由于材料科学的进展和世界性的能源紧缺，开发新的发电技术，提高石油、天然气和煤炭等矿物燃料的利用率又成为人们关注并具有深远意义的课题，这样FC研究又呈现第二个高潮，此时则侧重于发展磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。现在，燃料电池作为继水力、火力和原子能之后的第四代电源止受到世界的瞩目。
1.2 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，首字母缩写为MCFC)，通常被称为第二代燃料电池，因为预期它将继磷酸盐燃料电池之后进入商业化阶段。MCFC的工作温度为873~923K，因而，与低温燃料电池相比，有几个潜在优势。首先，在MCFC的工作温度下，燃料(如天然气)的重整可在电池堆内部进行，既降低了系统成本，又提高了效率;其次，电池反应高温余热可用于工业加工或锅炉循环;第三，几乎所有燃料重整都产生CO，它可使
低温燃料电池电极催化剂中毒，但却可成为MCFC的燃料。MCFC的缺点是在其工作温度下，电解质的腐蚀性强，阴极需不断供应CO2。
MCFC的研究开发始于1950年，其后近半个世纪时间内，在电极反应机理、电池材料、电池性能和制造技术等方面，均取得了巨大进展，规模不断扩大，几年前即己达到100kw水平，目前已达到250~2000kw。
与低温燃料电池相比，MCFC的成本和效率很有竞争力。PAFC和PEMFC都需要贵金属催化剂，重整富氢燃料中的CO也需要去除。而在高温，H2的反应活性高，可以使用非贵金属作电化学催化剂。尽管提高反应温度使电池理论效率降低，但同时也降低了过电位损失，实际效率是提高了。
MCFC的工作温度足够产生有价值的余热，又不至于有过高的自由能损失(MCFC的理论开路电压比SOFC高100mV)。余热可被用来压缩反应气体以提高电
池性能;用于燃料的吸热重整反应;用于锅炉，或用于供暖。
MCFC的一个最主要优点是可以内部重整。甲烷的重整反应可以在阳极反应室进行，重整反应所需热量由电池反应提供。在内部重整的MCFC中，空速较低，重整反应速率很适当。但硫和微量碳酸盐可使重整催化剂中毒。
目前MCFC已初步进入商品化阶段，它将成为未来大型发电的主力之一。尽管MCFC在反应动力学上有明显的优势，但其高温运行带来的熔盐腐蚀和密封等问题，阻碍了它的快速发展。
二、MCFC发电原理及特性
2.1 发电原理熔融碳酸盐燃料电池采用碱金属(如Li、Na、K)的碳酸盐作为电解质，电池工作温度为873-973K。在此工作温度，电解质呈熔融状态，载流子为碳酸根离子( )。典型的电解质由摩尔分数62% +38% (熔点763K)组成。MCFC 的燃料气为，氧化剂是和。当电池工作时，阳极上的与从阴极区迁移过来的反应，生成和，同时将电子输送到外电路;而阴极上的和与从外电路输送过来的电子结合，生成碳酸根离子，反应方程式如下：
从上述方程式可以看出，不论阴阳极的反应历程如何，MCFC的发电过程实质上就是在熔融介质中氢的阳极氧化和氧的阴极还原过程，其净效应是生成水。
熔融碳酸盐燃料电池与其他类型燃料电池的电极反应有所不同：在阴极，为反应物，在阳极，为产物，从而在电池工作过程中构成了一个循环。为确保电池稳定连续地工作，必须将阳极产生的返回到阴极，通常采用的办法是将阳极室所排出的尾气经燃烧消除其中的和后，进行分离除水，然后再将送回至阴极。
2.2 电池系统特性
MCFC单体及电池堆的结构在原理上与普通的叠层电池类似，但实际上要复杂得多。它的主要特点为:
(l)阴、阳极的活性物质都是气体，电化学反应需要合适的气/固/液三相界面。因此，阴、阳电极必须采用特殊结构的三相多孔气体扩散电极，以利于气相传质、液相传质和电子传递过程的进行;
(2)两个单电池间的隔离板，既是电极集流体，又是单电池间的连接体。它把一个电池的燃料气与邻近电池的空气隔开，因此，它必须是优良的电子导体并且不透气，在电池工作温度下及熔融碳酸盐存在时，在燃料气和氧化剂的环境中具有十分稳定的化学性能。此外，阴阳极集流体不仅要起到电子的传递作用，还要具有适当的结构，为空气和燃料气流提供通道;
(3)单电池和气体管道要实现良好的密封，以防止燃料气和氧化剂的泄漏。当电池在高压下工作时，电池堆应安放在压力容器中，使密封件两侧的压力差减至最小;
(4)熔融态的电解质必须保持在多孔惰性基体中，它既具有离子导电的功能，义有隔离燃料气和氧化剂的功能，在4KPa或更高的压力差下，气体不会穿透。
在实用的MCFC中，燃料气并不是纯的氢气，而是由天然气、甲醇、石油、石脑油和煤等转化产生的富氢燃料气。阴极氧化剂则是空气与二氧化碳的混合物，其中还含有氮气。因此，转化器是MCFC系统的重要组成部分，目前有内部转化和外部转化两种方式。内部转化又区分为直接内部转化和间接内部转化。
基于上述的特点，MCFC主要具有如下的优点和缺点。 (l)优点
(i)上作温度高，电极反应活化能小，无论氢的氧化或是氧的还原，都不需贵金属作催化剂，降低了成本;
(ii)可以使用含量高的燃料气，如煤制气; (iii)电池排放的余热温度高达673K之多，可用于底循环或回收利用，使总的热效率达到80%;
(iv)可以不需用水冷却，而用空气冷却代替，尤其适用于缺水的边远地区。 (2)缺点
(i)高温以及电解质的强腐蚀性对电池各种材料的长期耐腐蚀性能有十分严格的要求，电池的寿命也因此受到一定的限制:
(ii)单电池边缘的高温湿密封难度大，尤其在阳极区，这里遭受到严重的腐
蚀。另外，熔融碳酸盐的一些固有问题，如由于冷却导致的破裂问题等;
(iii)电池系统中需要有循环，将阳极析出的重新输送到阴极，增加了系统结构的复杂性。
三、MCFC电池的构成
熔融碳酸盐燃料电池主要是由阳极、阴极、电解质基底和集流板或双极板构成， 3.1 阳极
MCFC的阳极催化剂最早采用银和铂，为降低成本，后来改用了导电性与电催化性能良好的镍。但镍被发现在MCFC的工作温度与电池组装力的作用下会发生烧结和蠕变现象，进而MCFC采用了Ni-Cr或Ni-Al合金等作阳极的电催化剂。加入2%~10%Cr的目的是防止烧结，但Ni-Cr阳极易发生蠕变。另外，Cr还能被电解质锂化，并消耗碳酸盐，Cr的含量减少会减少电解质的损失，但蠕变将增大。相比之下，Ni-Al阳极蠕变小，电解质损失少，蠕变降低是由于合金中生成了。
3.2 阴极
熔融碳酸盐燃料电池的阴极催化剂普遍采用氧化镍。其典型的制备方法是将多孔镍电极
在电池升温过程中就地氧化，而且部分被锂化，形成非化学计量化合物，电极导电性极大提高。但是，这样制备的NiO电极会产生膨胀，向外挤压电池壳体，破坏壳体与电解质基体之间的湿密封。改进这一缺陷的方法有以下几种: (l)Ni电极先在电池外氧化，再到电池中掺Li;或氧化和掺Li都在电池外进行; (2)直接用NiO粉进行烧结，在烧结前掺Li，或在电池中掺Li: (3)在空气中烧结金属镍粉，使烧结和氧化同时完成;
(4)在Ni电极中放置金属丝网(或拉网)以增强结构的稳定性等等。 3.3 电解质基底
电解质基底是MCFC的重要组成部件，它的使用也是MCFC的特征之一。电解质基底由载体和碳酸盐构成，其中电解质被固定在载体内。基底既是离子导体，又是阴、阳极隔板。它必须具备强度高，耐高温熔盐腐蚀，浸入熔盐电解质后能够阻挡气体通过，而又具有良好的离子导电性能。其塑性可用于电池的气体密封，防止气体外泄，即所谓“湿封”。当电池的外壳为金属时，湿封是唯一的气体密
封方法。
3.4 集流板(双极板)
双极板能够分隔氧化剂和还原剂，并提供气体的流动通道，同时还起着集流导电的作用，因此也称作集流板或隔离板。它一般采用不锈钢(如SS316，SS310)制成。在电池工作环境中，阴极侧的不锈钢表面生成，其内层又有氧化铬，二者均起到钝化膜的作用，减缓不锈钢的腐蚀速度。SS310不锈钢由于铬镍含量高于SS316，因而耐蚀性能更好。一般而言，阳极侧的腐蚀速度大于阴极侧。双极板腐蚀后的产物会导致接触电阻增大，进而引起电池的欧姆极化加剧。为减缓双极板阳极侧的腐蚀速度，采取了在该侧镀镍的措施。MCFC是靠浸入熔盐的偏铝酸埋隔膜密封，称湿密封。为防止在湿密封处造成原电池腐蚀，双极板的湿密封处通常采用铝涂层进行保护。在电池的_上作条件下，该涂层会生成致密的偏铝酸铿绝缘层。
3.5 电池整体结构
熔融碳酸盐燃料电池组均按压滤机方式进行组装，在隔膜两侧分置阴极和阳极，再置双极板，周而复始进行，最终由单电池堆积成电池堆。氧化气体和燃料气分别进入各节电池孔道(称气体分布管)，MCFC电池组的气体分布管有两种方式:内气体分布管和外气体分布管。近年国外逐渐倾向采用内分布管方式，并对其进行了改进。氧化与还原气体在电池内的相互流动有并流、对流和错流三种方式，人部分熔融碳酸盐燃料电池采用错流方式。
四、商业化需解决的关键技术问题 4.1阴极的溶解
熔融碳酸盐燃料电池以 NiO 材料为阴极。而 NiO 在熔盐中有微小溶解度 , 电池长期运行中 , NiO 逐步溶解 , 扩散至隔膜中 , 还原成金属镍造成短路 , 从而缩短了电池的寿命。其机理如下式所示:
2+2-23
NiO + CO= NiCO 2+2-3222NiCOH = Ni + CO+HO
为提高阴极抗熔盐电解质的腐蚀能力，国外普遍采取的方法有如下几种:
1、向电解质中加入碱土类金属盐以抑制氧化镍的溶解，如碳酸
钡(BaCO3)和碳酸锶(SrCO3)等;
2、向阴极中氧化钴、氧化银或氧化镧等稀土氧化物;
3、发展新的阴极替代材料，如LiFeO2、LiMnO2和LiCoO2等，也有提出用SnO2、Sb2O3和CeO2等作阴极替代材料;
4、改变熔盐电解质的组分配比，以减缓氧化镍的溶解;
5、降低气体工作压力，以降低阴极的溶解速度。 4.2 阳极的蠕变MCFC的阳极在早期是采用烧结镍作为电极材料。但MCFC属高温燃料电池，在这种高的工作温度下，还原气氛中Ni会发生蠕变，并不可避免地影响电池的密封和性能。为提高阳极的抗蠕变性能和机械强度，国外采用的主要方法有:
1、向Ni阳极中加入Cr、Al等元素形成Ni-Cr和Ni-Al合金等，以达到弥散强化的目的；
2、向Ni阳极中加入非金属氧化物，如LiAlO2和SrTiO3等，利用非金属氧化物良好的抗高温蠕变性能对阳极进行强化;
3、在超细LiAlO2或SrTiO3表面上化学镀一层Ni或Cu，在将化学镀后的LiAlO2或SrTiO3热压烧结成电极。由于以非金属氧化物作为“陶瓷核”，这种电极的抗蠕变性能很好。
4.3 熔盐电解质对电池集流板的腐蚀
熔融碳酸盐燃料电池的集流板通常采用SUS310或SUS316等不锈钢材料。这种材料在数千小时的工作时间内，是不存在问题的，但无法满足大规模商品化所要达到的40000h工作寿命的要求。目前，有以下几种方法可提高集流板的抗腐蚀性能:
1、在集流板材料表面包覆一层Ni或Ni-Cr-Fe耐热合金，或在集流板表面镀Al或Co。
2、在集流板表面先形成一层NiO，然后与阳极接触的部分再镀一层镍-铁酸盐-铬合金层。
3、以气密性好、强度高的石墨板作电池集流板。 4.4 电解质的流失
随着MCFC运转工作时间的加长，熔盐电解质将按以下几种方式发生流失: 1、阴极溶解 2、阳极腐蚀 3、集流板腐蚀
4、熔盐电解质蒸发损失
5、由于电池共用管道电解所导致的电池内部电解质迁移(爬盐)，造成电解质流失。为减少电解质的流失，国外在电池的设计上都增加了补益结构，
如在电极或极板上加工制出一部分沟槽，采取在沟槽中贮存电解质的方法进行补益，使熔盐流失的影响降低到最低程度。
燃料电池的应用及发展前景燃料电池发展需能源公司、化学公司和汽车制造商等多行业的合作。由于燃料电池需要甲醇、烃类等燃料、催化剂以及聚合物电池膜等，能源公司、化学公司一定会受益。由于燃料电池接近市场化，化学品生产者、燃料电池开发商以及进行膜开发的能源公司合作也呈兴旺景象。Süd化学公司也在开发一种用于燃料电池的催化剂产品。今后 5 年在固定式电力应用方面有数百万美元的销售潜力，10 年后将增加到数千万美元。到 2010 年燃料电池用催化剂的销售额将达到其最大的传统催化剂（汽车尾气净化催化剂）的市场规模。杜邦公司成立了燃料电池业务部门，将以新的产品为燃料电池系统的开发商服务，包括质子交换膜（PEM）、燃料电池部件（如膜电极组合件和导电板），并还准备开发直接用甲醇的燃料电池技术。通用电气、丰田和埃克森莫比尔公司联合计划于 10 年后推出一种类似汽油的能源，既能作为燃料电池的能源，又能作为内燃机的能源。考虑远期使用氢，目前用清洁烃作为主要替用品。日本考虑用天然气作为清洁燃料。埃克森-美孚公司正致力于开发能把液态烃和氧化烃转变为氢气的低成本清洁工艺，该公司正在探索使用甲醇作为氢气的清洁来源。传统工艺是两步法，最近研制了能直接一步将甲醇 100%转化为H2和CO2的催化剂，这些催化剂组分不含基础催化剂铜或氧化铬。10 多年来，电动汽车的研究方向主要是以氢为燃料，将氢转化为电能进行驱动。如目前技术上比较成熟的固体高分子型燃料电池，反应气体为高纯氢，基本无环境污染，热效能比现行内燃机提高 1～2 倍以上。但近年来，世界许多大公司和大研究机构发现，固体高分子型燃料电池在推广时遇到了极大的障碍，一是目前技术状态下氢的加工、储存、运输成本极高，汽车开发商和使用者都无法承受；二是采用氢为燃料要对现有系统进行全面改造，如将大量的加油站改造为配氢站，这些都需要大量的投资。为此，许多公司和机构开始改变研究方向，开发出了可以使用汽油、天然气、甲醇、氢等多种燃料的多种新技术。可利用现有的加油站系统，不需要额外增加投资，生产成本低，这可以使一台汽车燃料电池动力统的成本与目前内燃机大致相等。燃料电池技术的迅速发展，材料商面临
着竞争，准备迎接下一轮的用材增长。使用热固性材料、热塑性塑料、弹性体、纳米纤维和其它材料（如炭黑、石墨/碳纤维、镍、锂和铂）可使燃料电池有高的导电率，耐腐蚀，有良好热稳定性，塑性变形小，尺寸稳定且能阻燃。燃料电池生产商对用这些材料特别感兴趣，现在许多制造商正在开发性能最好的材料并进行评估Ticona 公司拟把工程塑料不仅用到燃料电池上而且想用到集流腔（把甲醇、氢气和氧气送到组件上），除了能耐化学品和有极好的物理性能外，这些聚合物还可降低生产成本，大大减轻重量。适用的聚合物有聚甲醛、聚苯硫醚和液晶聚合物等。综上所述，燃料电池发展迅速，2005 年至 2010 年将达到相当规模。其研究开发的重点在：燃料转化用催化剂膜，降低成本，以及安全设施，储氢技术等。
燃料电池 燃料电池(FuelC ｅl ｌ)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置.燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成.氢气由阳极进入供给燃料，氧气(或空气)由阴极进入电池. 电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子(pro ｔo ｎ）与电子（ｅlectro ｎ），其中质子进入电解液中,被氧“吸引"到薄膜的另一边,电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下,氢质子、氧及电子,发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程,因此水是燃料电池唯一的排放物. 利用这个原理,燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电,为一种 ＂发电机"。 阳极反应 - 阴极反应 总反应 伴随着电池反应， 电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。 燃料电池的分类 1 按燃料电池的运行机理分 根据燃料电池的运行机理的不同,可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池.例如磷酸燃料电池（PA ＦC)和液态氢氧化钾燃料电池（LPH ＦＣ)。 2按电解质种类分 根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池（AFC ）、磷酸燃料电池（PAFC ）、熔融碳酸盐燃料电池（MCF Ｃ)、固体氧化物燃料电池(SOF Ｃ）和质子交换膜燃料电池（ＰEMFC ）等。在燃料电池中,磷酸燃料电池(ＰAFC ）、质子交换膜燃料电池(PEMFC ）可以冷起动和快起动,可以用作为移动电源,适应燃料电池电动汽车（FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。 ３按燃料类型分 燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料,有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后,才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。 4按工作温度分 e H H 222+→+O H O e H 222122→+++O H O H 22222=+
燃料电池原理与发展 燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。 近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 介绍一下熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述 1.1 燃料电池简述燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，结构如图1-1所示。它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。同汽油发电机相似，它的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐的贮量决定。总体上，燃料电池具有以下特点： (l) 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。 (2) 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。
燃料电池原理及习题解答 在中学阶段，掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应式的书写也同样是有规律可循的。书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再写出燃料电池的正极反应式；第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。下面对书写燃料电池电极反应式“三步法”具体作一下解释。 1、燃料电池总反应方程式的书写 因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。 2、燃料电池正极反应式的书写 因为燃料电池正极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是O2＋4e-=2O2-。正极产生O2-离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。这是非常重要的一步。现将与电解质有关的五种情况归纳如下。 ⑴电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸） 在酸性环境中，O2-离子不能单独存在，可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O，O2-离子优先结合H+离子生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2＋4H++4e-=2H2O。 ⑵电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液） 在中性或碱性环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子只能结合H2O生成OH-离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O +4e-=4OH-。 ⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物） 在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在， O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。 ⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇） 该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。
三、试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点 燃料电池按燃料电解质的类型来分类的，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类。 3.1 碱性燃料电池（AFC） 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 3.1.1原理 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- 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，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。 3.1.2 特点 低温性能好，温度范围宽，并且可以在较宽温度范围内选择催化剂，但是才用的碱性电解质易受CO2的毒化作用因此必须要严格出去CO2，成本就偏高。 3.2 磷酸燃料电池（PAFC） 磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于
简述燃料电池的基本工作原理及主要用途 1.燃料电池的工作原理 燃料电池是一种按电化学原理，即原电池的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。其单体电池是由电池的正极(即氧化剂发生还原反应的阴极)、负极(即还原剂或燃料发生氧化反应的阳极)和电解质构成，燃料电池与常规电池的不同之处在于，它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐内，不受电池容量的限制，工作时燃料和氧化剂连续不断地输入电池内部，并同时排放出反应产物。 以磷酸型燃料电池为例，其反应式为： 燃料极(阳极) H2→2H++2e- 空气极(阴极) 1／2O2+2H++2e-→H2O 综合反应式H2+1／2O2→H2O 以上反应式表示：燃料电池工作时向负极供给燃料(氢)，向正极供给氧化剂(空气)，燃料(氢)在阳极被分解成带正电的氢离子(H+)和带负电的电子(e-)，氢离子(H+)在电解质中移动与空气极侧提供的O2发生反应，而电子(e-)通过外部的负荷电路返回到空气极侧参与反应，连续的反应促成了电子(e-)连续地流动，形成直流电，这就是燃料电池的发电过程，也是电解反应的逆过程。 2. 燃料电池的应用 2.1能源发电 燃料电池电站的每一套设备都包括了一整套采用天然气发电的电力系统。分为以下几个分单元：①燃料电池组②燃气制备③空气压缩机④水再生利用⑤逆变器⑥测量与控制系统。燃料电池组产生的直流电通过逆变器转换成电力系统所需的交流电。各国工业界人士普遍对于燃料电池在发电站的应用前景看好。 2.2汽车动力 目前，各国的汽车时用量均在不断增加，其排放的尾气已成为城市环境的主要污染源之一，特别是发展中国家，由于环境治理的力度不够，这一问题更加突出。于是人们要求开发新型的清洁、高效的能源来解决这一问题。质子交换膜燃料电池的出现，解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问题，使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。这种电池具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点，适合做汽车动力，是目前世界各国积极开发的运输用燃料电池。 2.3家庭用能源 天然气作为一种洁净的能源已经在家庭中被广泛使用，但其主要被用于炊事和生活热水，以天然气为燃料的燃气电池在家庭中的广泛应用在开辟了天然气在家庭中一种新的用途的同时也将解决目前高峰用电紧张的状况。家庭的一切用电无论是电视机、冰箱、空调等家用电气还是电脑等办公设备都可以通过燃料电池来提供电源，作为家庭使用的分散电源，并可同时提供家庭用热水和采暖，这样可将天然气的能量利用率提高到70％～90％。 2.4其它方面的应用 碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本没有红外辐射，而且噪音小，用做潜艇动力，可大大提高其隐蔽性；同时由于它们可在常温下启动工作，且能量密度高，还是理想的航天器工作电源。此外，质子交换膜燃料电池还可用作野外便携式电源。 总之，燃料电池的用途将越来越广泛，它将遍布我们身边的每个角落，成为我们生活中不可缺少的能量来源。
一、燃料电池的工作原理 燃料电池是用一种特定的燃料，通过一种质子交换膜（PEMProtonExchangeMembrane）和催化层（CLCatalystLayer）而产生电流的一种装置，这种电池只要外界源源不断地供应燃料（例如氢气或甲醇），就可以提供持续电能。它的工作原理，是利用一种叫质子交换膜的技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在阳极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到阴极，这样就产生了电能。 在阳极经过质子交换膜和催化剂的作用，在阴极质子与氧和电子相结合产生水。也就是说燃料电池内部的氢与空气中的氧进行化学反应，生成水的过程，同时产生了电流，也可以理解为是电解水的逆反应。 燃料电池在阳极除供应氢气外，同时还收集氢质子（H＋），释放电子；在阴极通过负载捕获电子产生电能。质子交换膜的功能只是允许质子H＋通过，并与阴极中的氧结合产生水。这种水在反应过程中的温度作用下，以水蒸气的形式散发在空气中（对汽车用的大功率燃料电池就要设置水的回收装置）。注意，用氢作燃料电池所生成的是纯净水可以饮用，而用甲醇作燃料生成的水溶液中可能产生甲醛之类有毒物质不能饮用。图1为燃料电池工作原理的示意图。
二、燃料电池的分类 由于人们是从不同角度来研究和开发燃料电池的，所以其种类也繁多，但目前主要有3种。 1 质子交换膜技术 质子交换膜技术（或者称聚合物电解液膜技术）——简称PEMFC （ProtonExchangeMembreneFuelCell）。由于它能提供比传统锂离子电池大约高出5～10倍的能量密度，比甲醇燃料电池也有更高的能量密度，所以，人们都看好质子交换膜技术的氢燃料电池，虽然它还存在着储存及安全等问题，但人们正在克服它，最终有望在3～5年实现可存储在像打火机大小的容器中，充一次氢气发电可供手机使用几天，它将是未来便携式电子产品供电系统的首选。 2 直接甲醇燃料电池 直接甲醇燃料电池——简称DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储，因为，在汽车上早已使用甲醇溶液作为挡风玻璃的刮洗液了，故不存在安全问题。但甲醇存在泄漏问题，虽然用水稀释可以解决，但是电解效率却大大降低，目前正在解决渗漏问题。 3 直接乙醇燃料电池 直接乙醇燃料电池——简称DEFC（DirectEthanolFuelCell）。为避免甲醇的渗漏问题，而采用乙醇，它也是由两个电极、燃料及电解液组成的。
燃料电池的工作原理 作者:佚名来源:不详录入:Admin更新时间：2008-8-18 10:07:07点击数：8 【字体：】 燃料电池的一般结构为:燃料（负极）|电解质（液态或固态）|氧化剂（正极）。在燃料电池中,负极常称为燃料电极或氢电极,正极常称为氧化剂电极、空气电极或氧电极。燃料有气态如氢气、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物,液态如液氢、甲醇、高价碳氢化合物和液态金属,还有固态如碳等。按电化学强弱,燃料的活性排列次序为：肼>氢>醇>一氧化碳>烃>煤。燃料的化学结构越简单,建造燃料电池时可能出现的问题越少。氧化剂为纯氧、空气和卤素。电解质是离子导电而非电子导电的材料,液态电解质分为碱性和酸性电解液, 固态电解质有质子交换膜和氧化锆隔膜等。在液体电解质中应用微孔膜,0.2mm～0.5mm厚。固体电解质为无孔膜,薄膜厚度约为20μm。 燃料电池的反应为氧化还原反应,电极的作用一方面是传递电子、形成电流;另一方面是在电极表面发生多相催化反应,反应不涉及电极材料本身,这一点与一般化学电池中电极材料参与化学反应很不相同,电极表面起催化剂表面的作用。 在氢氧燃料电池中,氢和氧在各自的电极反应。氧电极进行氧化反应,放出电子,氢电极进行还原反应,吸收电子,总反应为: O2＋2H2→2H2O 反应结果是氢和氧发生电化学燃烧,生成水和产生电能。由热力学变量可得到以下理论电动势和理论热效率公式： Eo=－(ΔG/2F)=1.23V η=ΔG/ΔH=83.0％ 式中,ΔG和ΔH分别为自由能变化和热焓变化,F是法第常数。
燃料电池工作的中心问题是燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性问题。对于气体电极过程,必需采用多孔气体扩散电极和高效电催化剂,提高比表面,增加反应活性,提高电池比功率。 氢在负极氧化是氢原子离解为氢离子和电子的过程,若用有机化合物燃料,首先需要催化裂化或重整,生成富氢气体,必要时还要除去毒化催化剂的有害杂质。这些反应可在电池内部或外部进行,需附加辅助系统。正极中的氧化反应缓慢,燃料电池的活性主要依赖正极。随着温度升高,氧的还原反应有相当的改善。高温反应有利于提高燃料电池反应活性。 对于燃料电池发电系统,核心部件是燃料电池组,它由燃料电池单体堆集而成,单体电池的串联和并联选择,依据满足负载的输出电压和电流,并使总电阻最低,尽量减小电路短路的可能性。其余部件是燃料预处理装置、热量管理装置、电压变换调整装置和自动控制装置。通过燃料预处理,实现燃料的生成和提纯。燃料电池的运行或起动,有的需要加热,工作时放出相当的热量,由热量管理装置合理地加热或除热。燃料电池工作时,在碱性电解液负极或酸性电解液正极处生成水。为了保证电解液浓度稳定,生成的水要及时排除。高温燃料电池生成水会汽化,容易排除,水量管理装置将实现合理的排水。燃料电池与化学电池一样,输出直流电压,通过电压变换成为交流电送到用户或电网。燃料电池发电系统通过自控装置使各个部件协调工作,进行统一控制和管理。
燃料电池的基本工作原理 燃料电池的基本工作原理我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎 燃料电池的基本工作原理 我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎，对电池的工作时间的要求与日俱增，传统二次电池(包括锂电池和镍电池)已经成为瓶颈，桎梏了便携式产品向更丰富功能的方向发展。 与传统二次电池相比，燃料电池的能量至少要高10倍。一个锂离子电池能提供300 Whr/L的电量密度，而甲醇燃料电池的电量密度却高达4800 Whr/L，10ml的甲醇可以保证13.5小时的通话时间或者642小时的待机时间。因此，东芝、IBM、NEC等许多国际著名的电子公司都倾注精力和财力研究燃料电池，目前世界前十大营收企业，除Walmart外，均有投资氢能或燃料电池产业。 专攻便携式应用的DMFC 理论上，燃料电池(Fuel Cell)并不是电池，只是把燃料(例如氢气)和氧化剂通过电极反应直接生成电流的装置，由于它的生成物是水，因而具有相当的环保优势。燃料电池的典型结构就是层迭电池单元的堆栈(Stack)，一个堆栈可以包含多个单独的燃料单元(图1)。而每个单元的基本结构与电解水装置相类似，包含2个正负电极(阳极和阴极)，电解质以及催化剂。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。以氢氧反应为例，在阴极催化剂的作用下，一个氢分子分解成2个氢离子，同时释放出2个电子，由于阻隔膜对电子的过滤作用，电子无法通过电解质只能绕行，从而形成电流。而氢离子可以顺利通过电解质达到阴极和空气中的氧原子反应生成水(图2)。 图1 燃料电池的基本结构
燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。 电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子（proton）与电子（electron），其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。 利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种 "发电机"。 阳极反应 - 阴极反应 总反应 伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。 燃料电池的分类 1 按燃料电池的运行机理分 根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。 2按电解质种类分 根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。 3按燃料类型分 燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。 4按工作温度分 根据燃料电池工作温度的不同，可分为低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200-750℃；高温型，温度高于750℃。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在常温下可以正常工作，这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂，燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。熔融碳酸盐燃料电池(M C F C)和固体氧化物燃料电池(SOFC)在高温下作，这类燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大。
燃料电池种类工作原 理及结构
燃料电池 燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。 电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子（proton ）与电子（electron ），其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。 利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种 "发电机"。 阳极反应 - 阴极反应 总反应 伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。 燃料电池的分类 1 按燃料电池的运行机理分 e H H 222+→+O H O e H 222 122→+++O H O H 22222=+
根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。 2按电解质种类分 根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。 3按燃料类型分 燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。 4按工作温度分
燃料电池 燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。 电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子（proton ）与电子（electron ），其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。 利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种 "发电机"。 阳极反应 - 阴极反应 总反应 伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。 燃料电池的分类 1 按燃料电池的运行机理分 根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。 2按电解质种类分 根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。 3按燃料类型分 燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。 4按工作温度分 e H H 222+→+O H O e H 222122→+++O H O H 22222=+
一、前言 科技文明不停的进步，人口不断的增加以及为了追求更美好的生活，人们不停的增加能源的使用量，使得石化燃料（石油、煤炭、天然气等）日已枯竭，大量的使用石化燃料也衍生出许多问题如：空气污染、酸雨以及温室效应等问题。据统计，以现今石油消耗的速度，地球上的石油储存量最多能再用40到50年，为了避免届时世界陷入难以估计的经济恐慌，各国提出了各种以绿色能源取代石化燃料的方案。 目前世界上绿色能源有太阳能、风力、水力、潮汐、地热、生物能以及氢能等。但太阳能转化效率不高、制造过程复杂生产成本昂贵；而风力会受到地形天候限制；水力发电建设费用相当高，且在河流上建造水坝会破坏河流生态；地热又少；因此在这些绿色能源中以燃料电池最具发展潜力。 燃料电池能够应用的领域相当广泛，包括电力、工业、运输、太空、军事、通讯产品等等。目前许多国家都在发展燃料电池，经过多年研究以及技术改良现在燃料电池技术已经进入商业化阶段，未来极有可能成为最重要的绿色科技之一。 二、燃料电池发展史 燃料电池技术起源于1838年，C. F. Schonbein发现了燃料电池的电，氢气与白 金电极上的氯气或氧气发生的化学反应能产生电流，并将这种现象命名为极化效应。 1839年，Willian Grove设计了一款气体电池，他的基本设想来自于水的电解反应，水电解之后产生氧气和氢气，若将电解反应逆转则能产生电流，于是用两条白金分别放入两个密封的瓶子中，一瓶充满氢气，一瓶充满氧气，将两容器浸入稀硫酸溶液时，电流便在两个电极之间流动，为了提高装置产生的电压，就将四组装置串联起来，此装置就是后来全世界公认的第一个燃料电池。 1899年，Nernst提出将固态氧化物当做电解质用于燃料电池之中。 1959年，Francis T. Bacon 制作出一个5KW的燃料电池，能够推动电焊，电锯以及堆高机，使燃料电池技术走出实验室。 1960年美国太空署为了发展太空科技而开始将燃料电池实用化。 1965年氢燃料电池正式应用在太空船双子星五号上，为美国太空计划中的电力提供系统，因产物是纯水也为太空人提供饮用水。此后燃料电池在太空行动如阿波罗7~17号中均起到重责大任。 1973年发生石油能源危机，各国开始认识到能源的重要性，纷纷拟定各种能源政策以期望降低对石油的依赖。燃料电池因其高的能源转化率而引起各国重视。 1980年代环保意识的高涨，开法绿色能源技术使人类的发展不用受限于有限的天然资源，也可以让人类在享受能源提供生活便利的同时还能维持一个良好的生活环境，燃料电池以其低污染的特性再次走入大众视野。 现今燃料电池生产状况并不轻松，与化石燃料的竞争过于激烈。而且受制于成本问题，除非国家政策扶植力度大，否则很多燃料电池企业都很难盈利甚至亏损。如FuelCell能源公司2010年就在燃料电池领域亏损。但是燃料电池的优势还是十分显著的，环保方面的零排放，应用围之广，无论大到发电厂，还是汽车，还是小到电子消费产品都可以使用燃料电池。业认为，随着今后数十年的发展，再配合液态氢基础设施网络的建设和完善，燃料电池就会变得更稳定廉价，燃料电池发展的真正春天也就来了。
氢燃料电池原理 Document number【AA80KGB-AA98YT-AAT8CB-2A6UT-A18GG】
氢燃料电池的工作原理 燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3 部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图 1[3]。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。 以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理如下： (1) 氢气通过管道或导气板到达阳极； (2) 在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出 2 个电子，阳极反应为： H2→2H++2e。 (3) 在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2O2+2H++2e→H2O 总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。
3 PEMFC 的特点及研发应用现状 燃料电池种类较多，PEMFC 以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。 PEMFC 发电机由本体及其附属系统构成。本体结构除上述核心单元外，还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。图 2 是一个典型的PEMFC 发电系统示意图[4]。 (1) PEMFC 作为移动式电源的应用 PEMFC 作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，PEMFC 是技术最成熟的电动车动力电源。
2.1.1.技术简介 2.1.1.1.燃料电池原理 燃料电池是一种能量转换装置。它按电化学原理，即原电池（如日常所用的锌锰干电池）的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。 对于一个氧化还原反应，如： [O]+ [R]→P [O]代表氧化剂，[R]代表还原剂，P代表反应产物。原则上可以把上述反应分为两个半反应，一个为氧化剂[O]的还原反应，一个为还原剂[R]的氧化反应，若e-代表电子，即有： [R]→[R]+ + e- [R]+ +[O] + e-→P [R] +[O]→P 以最简单的氢氧反应为例，即为： H2→2H+ + 2e- 1/2 O2 + 2H+ +2e-→H2O H2 + 1/2 O2→H2O 如图1-1所示，氢离子在将两个半反应分开的电解质内迁移，电子通过外电路定向流动、 贮罐中。当它工作时(输出电流并做功时)，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂并同时排出反应产物。因此，从工作方式上看,它类似于常规的汽油或柴油发电机。 由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂,所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体,即气体和液体。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体（如重整气）和某些液体（如甲醇水溶液）。常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和硝酸的水溶液等）。 2.1.1.2.特点 (1) 高效燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。在理论上它的热电转化效率可达85～90%。但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效率均在40～60%的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。
新能源汽车—燃料电池工作原理虽然燃料电池名字里面有“燃料”字样，同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃 烧，但在燃料电池却不是利用燃烧来获取能量，而是利用氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的，这一过程关键的技术就是利用特殊的“电解质薄膜”将氢气拆分，整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗，但是更小的灰尘却可以……电解质薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。 燃料电池堆栈结构图及主要参数丰田Mirai因为氢分子体积小，可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在穿越孔洞 的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过，氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子（正电）和电子、将氧气拆分成氧离子（负电）和电子，电子在电极板之间形成电流，两个氢离子和一个氧离子结合成为纯水，是反应的废物。所以本质来讲，
整个运行是纯电动车，燃料电池堆栈代替的就是厚重且充电过程就是发电过程。因此Mirai效率低下的锂离子电池组。 2008丰田年燃料电池技术
的燃料电池创新丰田Mirai片薄片燃料电池组成的，因此被称丰田Mirai搭载的燃料电池堆栈是由370 千瓦的发电功率。丰田的燃料电池堆栈经历了十114为“堆栈”，一共可以输出立体微流道技术，通过更好地几年的技术优化，形成了自己的特色结构，比如3D排出副产物水，让更多空气流入，有效改善了发电效率。所以整个堆栈的发
电效率 2.2升，比2008年丰田的技术整整提升了/达到了世界先进水平，达到了 3.1千 瓦倍。 Mirai燃料电池堆栈技术迭代之间，整体也不0.6V-0.8V 由于燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在电压，所以为了更好驱动电动机，还需要安装一个升压器，将电压提会超过300V升到650V。 燃料电池迭代 700个大气压下储存氢气了解氢气物理特性的人都清楚，氢气跟汽油不同，常温下氢气是气体，密度非 常低并且非常难液化，常温下更是无法液化，所以氢气要安全储藏和运输并不容易。所以氢气无法像汽油那样直接注入普通油箱里。丰田设计了一大一小两个储氢罐，通过高压的方式尽可能多充入一些氢气。以目前的主流储存技术，丰田选
Pt基纳米材料的制备及其在甲醇燃料电池中的应用 人类物质文明的飞速发展，导致了对能源的消耗日益增加。能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。为了更有效地利用能源，人们一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的突破，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33-35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就导致了燃料电池发电技术的产生，并使之成为当今研究开发的热点之一[1-5]。 [1] 衣宝廉. 燃料电池——高效环境友好的发电方式. 北京：化学工业出版社, 2000. [2] “Fuel Cell Handbook,5th Edition”, Re port prepared by EG&G Services, Parsons, Inc. and Science Applications International CorPoration under contract no. DE-AM26-99FT40575 for the U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory, October 2000. [3] 《燃料电池系统（原文第二版）》, 作者: （英）詹姆斯·拉米尼、安德鲁·迪克斯, 译者: 朱红, 科学出版社, 2006. [4] Coles, L. R.; Chapel, S. W.; lamucci, J. J., “Valuation of modular generation, storage, and targeted demand-side management”, IEEE Transactions on Energy Conversion, V olume: 10 Issue:1, Mar 1995, Page(s): 182-187. [5]梁有伟, 胡志坚, 陈允平. 分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]. 电网技术, 2003, 27(12): 71-88. 1.2 燃料电池概述
氢燃料电池的工作原理 燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由 3 部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图1[3]。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。 以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理如下： (1) 氢气通过管道或导气板到达阳极； (2) 在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为2 个氢质子，并释放出2 个电子，阳极反应为： H2→2H++2e。 (3) 在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2O2+2H++2e→H2O 总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。 3 PEMFC 的特点及研发应用现状
燃料电池种类较多，PEMFC 以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。 PEMFC 发电机由本体及其附属系统构成。本体结构除上述核心单元外，还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。图2 是一个典型的PEMFC 发电系统示意图[4]。 (1) PEMFC 作为移动式电源的应用 PEMFC 作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，PE MFC 是技术最成熟的电动车动力电源。 国际上，PEMFC 研究开发领域的权威机构是加拿大Ballard 能源系统公司。美国H-Power 公司于1996 年研制出世界上第一辆以PEMFC 发电机为动力源的大巴士[5]。近年来，我国对燃料电
氢燃料电池工作原理 燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3 部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图1[3]。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。 以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理如下： (1) 氢气通过管道或导气板到达阳极； (2) 在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为2 个氢质子，并释放出2 个电子，阳极反应为： H2→2H++2e。 (3) 在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为： 1/2O2+2H++2e→H2O 总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。 3 PEMFC 的特点及研发应用现状 燃料电池种类较多，PEMFC 以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。 PEMFC 发电机由本体及其附属系统构成。本体结构除上述核心单元外，还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。图2 是一个典型的PEMFC 发电系统示意图[4]。 (1) PEMFC 作为移动式电源的应用 PEMFC 作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定