燃料电池的原理_技术状态与展望_衣宝廉

燃料电池技术燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。

借着这次小论文的机会，我查阅了许多资料，对燃料电池汽车的工作原理进行了学习，同时对国内燃料电池汽车的发展现状和前景有了更多的了解。

我将在这篇小的学习报告中，总结自己学到的一些有关燃料电池的知识。

1.简介燃料电池是一种通过化学反应持续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的装置。

燃料电池的工作原理与普通电池基本相同，也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。

所不同的是燃料电池进行化学反应所需的物质是由外部不断填充的。

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。

氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。

电极应为：负极：H2 +2OH-→2H2O +2e-正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-电池反应：H2+1/2O2==H2OMCFC工作原理。

空气极的O2（空气）和CO2与电相结合，生成CO32-（碳酸离子），电解质将CO32-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H+相结合，放出e-，同时生成H2O和CO2。

化学反应式如下：燃料极：H2+CO32-==H2O+CO2+2e-（4）空气极：CO2+1/2O2+2e-==CO32-（5）全体：H2+1/2O2==H2O（6）2.分类按燃料电池的运行机理分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。

按电解质的种类分为碱性燃料电池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PEMFC等。

PEMFC作为新一代发电技术，以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，极具开发和利用价值。

目前在新能源汽车上使用最多的燃料电池种类就是质子交换膜燃料电池PEMFC。

质子交换膜燃料电池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。

燃料电池技术燃料电池技术是一种利用化学反应转化燃料能为电能的先进能源技术。

它以可再生能源和常规能源为燃料，通过在氧气电极和氢电极上的电化学反应来产生电能和热能。

燃料电池技术具有高效节能、无污染、资源可持续利用等特点，被广泛应用于交通运输、家庭能源和工业领域。

一、燃料电池的原理燃料电池是利用氧化还原反应来实现能量转换的设备。

它由阳极、阴极、电解质和电极反应催化剂等组成。

在燃料电池工作过程中，燃料（常见的有氢气和甲醇）在阳极侧被氧化成为电子和离子，电子经过外部电路传递形成电流，离子穿过电解质传递到阴极侧，与氧气发生还原反应生成水和热能。

整个过程中产生的电能可被外部电路利用。

二、燃料电池的分类根据不同的电解质种类和工作温度，燃料电池可以分为若干种类。

常见的几种燃料电池包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）等。

它们在不同应用场景下有各自的特点和优势，适用于不同的需求。

三、燃料电池技术的应用1. 交通运输领域：燃料电池被广泛用于汽车和公共交通工具的动力系统。

与传统的内燃机相比，燃料电池具有零排放、高效能等优势，能够有效减少空气污染和温室气体排放，并提升车辆的能效和驾驶体验。

2. 家庭能源：燃料电池可用于家庭能源系统，如供暖和电力供应。

通过利用天然气等燃料产生电能和热能，可以满足家庭的供暖需求，并为家庭提供稳定的电力供应，减少对传统能源的依赖。

3. 工业领域：燃料电池可用于工业过程中的电力供应和废气处理等方面。

利用废气中的氢气等燃料产生电能，不仅能满足工业生产的能源需求，还能有效减少废气的排放和处理成本。

四、燃料电池技术的挑战与展望虽然燃料电池技术在环保和节能方面具有巨大潜力，但也面临着一些挑战。

首先，燃料电池的成本较高，需要进一步降低生产成本才能推广应用。

其次，燃料电池的稳定性和寿命问题仍待解决，需要改进催化剂和材料的稳定性以延长燃料电池的使用寿命。

此外，燃料电池的燃料储存和运输等问题也需要解决。

直接甲醇燃料电池及其前景夏华丹(武汉商业服务学院机电工程系，湖北武汉430056)应用科技【}裔剜直接甲醇燃料电池∞M FC)因其体积小、能量密度大等优点已成为最具发展前景的燃料电池之一。

本文以介绍燃料电池的历史，燃料电池的种类，和直接甲醇燃料电池的工作原理为主。

主要论述了直接甲醇燃料电池的优势及其发展前景。

而因直接甲醇燃料的优势，使其更多的使用于便携式设备中。

[关键词】燃料电池；直接甲醇燃料电池；原理；应用燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转变为电能的发电装置。

燃料电池有许多优点，由于它不受卡诺循环的限制，与传统的能量转换系统相比能量转换效率高。

它一般用氢作燃料，氧气为氧化剂，而产物为水，因而对环境的污染很小。

由于不同类型的燃料电池在不同场合的应用，使燃料电池有着广泛的用途。

1燃料电池的历史燃料电池的历史可以追溯到第19世纪英国法官和科学家W i l l i amR ober t G r ove爵士的工作。

1839年，G r ove所进行的电解作用实验——镘用电将水分解成氢和氧——是人们后来称之为燃料电池的第～个装置。

剑桥大学的工程师Fr anci sThom as B a con博士完成了燃料电池历史的主要一章。

1932年，B a con博士发明了B a c on电池，它也就是第一个碱性燃料电池(al ka l i nef ue l ce l l，A F C)。

20世纪初期，飞机制造商Prat t&W hi t ney获得Bacon的碱性燃料电池专利执照。

之后，这种碱性电池便用于大多数飞行任务。

它能产生可饮用水作为副产品是使用燃料电池作为能源的另一好处。

在整个20世纪的70、80年代，人们大量研．究T T-发所需的材料，探索最佳的燃料源，同时迅速5辱{氐燃料电池技术的成本。

直到20世纪90年代，一种廉价的，清洁的，可再生的能源最终成为事实。

目前，许多公共设施都用了燃料电池，很多汽车公司也已经设计出燃料电池汽车。

燃料电池的工作原理与发展趋势燃料电池是一种能够将化学能直接转化为电能的设备，在当今日益发展的科技社会中应用广泛。

该技术具有环保、高效、节能等优点，正在逐渐取代传统电池成为电力领域的新宠。

一、燃料电池的工作原理燃料电池的核心是电极催化剂，而其工作原理就是利用燃料与氧气之间的化学反应以产生电能。

燃料电池中，负极和正极两端分别接上导线，形成闭合电路。

首先，在负极，燃料分子经催化剂的作用分解成质子离子和电子，其中质子离子顺着电解质的通道移到正极，而电子则经过负极电路外部连接到正极。

在正极，氧气和质子离子经催化剂产生氧化还原反应，产生水和电流。

电流经过负极电路返回正极，完成电路的闭合。

二、燃料电池的发展趋势燃料电池虽然存在一些技术限制，但其不断优化和改进的趋势却是不可逆转的。

1. 提高能效燃料电池的能效是当前发展的一个关键问题。

传统电池的能量利用率只有30%左右，而燃料电池的效率可以高达50%以上。

未来，随着催化剂的不断改进和燃料制备技术的不断提高，燃料电池将会在能量利用效率方面取得更大的突破。

2. 发展多种类型的燃料电池目前，燃料电池的种类较少，主要包括氢气燃料电池和甲醇燃料电池。

随着技术的不断进步，未来可能会涌现出更多种类的燃料电池，如固体氧化物燃料电池、生物质燃料电池、锂空气电池等。

多样化的燃料电池将为不同领域的应用带来更多的选择。

3. 推进商业化应用目前，燃料电池应用还不够广泛，尤其是在大规模商业化方面进展缓慢。

未来，随着燃料电池技术逐渐成熟、应用范围不断拓展，商业化应用将会在多个领域取得突破，如汽车、航天、军事等。

总之，燃料电池作为一种全新的能源技术，具有非常广阔的应用前景，尤其在实现能源节约和环境保护方面具有巨大的潜力。

未来，燃料电池技术将不断取得创新和突破，为人类社会的可持续发展做出积极贡献。

燃料电池的原理和发展随着人们对环保和节能意识的增强，新能源汽车逐渐走入大众视野。

其中，燃料电池车成为了一种备受关注的型号，因为它具有省能源、减排放的特点。

那么，什么是燃料电池？它的工作原理是什么？随着技术的不断发展，燃料电池将会有怎样的进步和发展？一、燃料电池的概念及种类燃料电池是以氢气或含氢物质为燃料，通过催化剂氧化产生电能的装置。

燃料电池根据使用的燃料不同，可以分为多种类型，其中主要包括一下几种：1. PEM燃料电池：常用的燃料电池类型之一，体积小、适用范围广、发电效率高。

2. 固体氧化物燃料电池：工作温度高，稳定性及寿命都很好，对燃料的纯度要求不高。

3. 碱性燃料电池：运用温度较低，价格相对较为低廉，但普及率不高。

4. 高温熔融碳酸盐燃料电池：可以利用天然气等常用燃料直接进行发电。

二、燃料电池的工作原理燃料电池是利用化学反应的方式来产生电能的装置，在燃料电池中，燃料在电极上发生氧化反应，使电子流经载流电路，流至另一电极上，从而产生电能。

PEM燃料电池的工作原理如下：将质子交换膜和电极反应配合，在阴阳两极分别进行还原和氧化反应，以水和电的形式发放出氢能和氧气的燃料模式。

然后氢分子被拆成质子和电子，质子通过质子交换膜进入阴极，氧分子在阴极和阳极电化学反应生成水。

电子通过外部回路形成电流。

三、燃料电池的发展现状燃料电池的发展还需要突破的技术和瓶颈，包括燃料电池的耐久性、性能、制造成本及运营成本等方面。

目前，全球各界燃料电池的研发、生产和推广的进程依旧不平衡，规模也较小。

在我国，燃料电池还处于发展初期，但随着我国政府在能源领域政策的推动，以及技术的不断进步，燃料电池也正在逐渐成为一个热门行业。

现阶段，我国政府正在积极推动燃料电池汽车的生产和普及，预计到2025年，我国燃料电池汽车的年产量将达到50万辆以上。

四、燃料电池的前景展望随着科技的不断发展，燃料电池技术未来的发展前景非常广阔。

在汽车行业中，燃料电池汽车相比传统燃油车之所以具有广阔的发展前景，是因为它拥有着省能源、零排放的特点，这也符合了当前的环保意识和可持续发展的要求。

·专家述评· 作者简介:衣宝廉,男,1938年生,研究员 Yi Baolian,male,born in 1938,research fellow燃料电池现状与未来中国科学院大连化学物理研究所　(大连116023) 衣宝廉摘　要　简述了国外燃料电池发展状态,近年来取得的重要进展;尤其是在提高质子交换膜型燃料电池的性能、电池组与电池系统的比功率比能量方面的技术突破,这种电池作为电动汽车动力源和潜艇AI P 推进动力源应用前景和必须解决的主要技术、经济问题。

熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池作为区域性分散电站的可能性和必须解决的技术问题。

简述了国内在燃料电池研究中取得的主要成果和目前发展状态。

简介了国内千瓦级碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池主要性能,并对国内燃料电池发展提出了参考意见。

关键词　燃料电池,碱性氢氧燃料电池,磷酸燃料电池,质子交换膜燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池,固体氧化物燃料电池分类号　T M 911.4Status an d future of fu el cellYi BaolianDalian Institute of Chem ical Phys ics ,Ch inese Aca demy of Scien c e ,Dalian 116023Abstract　The prog ress and status of fuel cell a broad hav e been review ed .A break through w as made in improv ing the perfo rmance of PEM FC.The pro spects and main technical problems by using cells as the po w er of electric v ehicles a nd submarines a re presented.The possibility and the key technique of using M CFC and SO FC as regional scattering pow er statio n are propo sed .The main result a nd present status of fuel cell in o ur co untry hav e been giv en a nd th e pro posal about the develo pment of fuel cell has also been presented.Keywords fuel cell ,AFC ,PAFC ,PEM FC ,M CFC ,SO FC 燃料电池[1](FC)是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效(50%～70%)、环境友好地转化为电能的发电装置。

燃料电池的工作原理与应用前景在当今追求清洁能源和可持续发展的时代，燃料电池作为一种具有巨大潜力的能源转换技术，正逐渐引起人们的广泛关注。

它不仅高效、环保，而且在众多领域都有着广阔的应用前景。

燃料电池的工作原理其实并不复杂。

简单来说，它就像是一个“化学能转化为电能的工厂”。

燃料电池通过电化学反应，将燃料（如氢气、甲烷等）和氧化剂（通常是氧气）的化学能直接转化为电能。

在燃料电池内部，有两个电极：阳极和阴极。

燃料（比如氢气）被送到阳极，在催化剂的作用下，氢分子分解成氢离子（H+）和电子（e）。

氢离子可以通过电解质膜向阴极移动，而电子则因为不能通过电解质膜，只能通过外部电路流向阴极，从而形成电流。

在阴极，氧气与通过电解质膜过来的氢离子以及从外部电路过来的电子结合，生成水。

整个过程中，只要持续地向燃料电池供应燃料和氧化剂，它就能不断地产生电能。

而且，与传统的燃烧发电方式不同，燃料电池的能量转换效率非常高，通常能达到 50%至 60%，如果将产生的余热加以利用，综合效率甚至可以超过 80%。

燃料电池的种类繁多，常见的有质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、磷酸燃料电池（PAFC）等。

每种燃料电池都有其特点和适用的场景。

质子交换膜燃料电池具有启动速度快、工作温度低等优点，适用于电动汽车等移动电源领域。

固体氧化物燃料电池则工作温度较高，效率也更高，适合用于大型的固定电站。

接下来，我们来看看燃料电池广阔的应用前景。

在交通运输领域，燃料电池电动汽车（FCEV）是一个重要的发展方向。

与传统的电动汽车相比，燃料电池电动汽车具有续航里程长、加注燃料时间短等优势。

目前，一些汽车制造商已经推出了燃料电池汽车的量产车型，并且在不断加大研发和推广力度。

在分布式能源领域，燃料电池可以为家庭、企业等提供清洁、可靠的电力。

特别是在一些偏远地区或者电力供应不稳定的地方，燃料电池可以作为独立的电源系统，满足当地的用电需求。

燃料电池技术的原理及应用前景随着环境问题日益加剧，人们大力推崇清洁能源的发展，其中燃料电池技术正成为现代社会能源的研究热点之一。

燃料电池技术是一种无污染、高效率、无噪声的全新能源转换技术，具有广泛的应用前景，在航空、航天、汽车、轮船、工业、交通、家庭等领域都将有着极为广泛的应用。

本文将从燃料电池技术的原理、应用现状和未来发展前景等方面进行一些探讨。

一、燃料电池技术的原理燃料电池是一种利用化学反应产生的电能，将其转化为电子能并输出电功率的设备。

具体来说，燃料电池是利用氢气和氧气在催化剂的作用下发生氧化还原反应，由此产生电能的一种电池。

其反应式为：2H2+O2=2H2O+Q∆其反应无污染，不会产生二氧化碳等有害物质，是一种十分环保的能源发电方式，同时也具有很高的绝对效率。

燃料电池系统主要由燃料处理系统、电化学反应部分和电路控制系统组成。

燃料处理系统的作用即为将液态或气态的燃料加热、过滤、净化等，以保证燃料电池的正常工作；电化学反应部分则主要包括电极、电解质、催化剂等。

电路控制系统负责控制燃料电池系统开关状态、电路稳定、电流输出等，以满足不同工况下对系统不同的电能需求。

二、燃料电池的应用现状目前，燃料电池技术已经被广泛地应用在不同领域中：1. 汽车领域。

燃料电池汽车凭借其零排放的特点，成为了十分受人关注的车型之一。

在利用氢气作为燃料的燃料电池汽车中，由于由于电动机的效率高、噪音低、动力平稳，加之其行驶里程远大于传统电动车，所以燃料电池汽车未来具有广泛的发展前景。

2. 航空领域。

对于航空领域而言，燃料电池技术也是一种很好的选择。

在航天装备中，燃料电池技术因其电池质量小、功率密度大、寿命长的特点已经开始得到应用。

目前，燃料电池系统在国际空间站，尤其是在维、索、波二供能系统中有广泛应用。

3. 行业领域。

工业生产过程中产生的废气、废液等也可以通过燃料电池等能量转化技术变为有用的电能，以实现能源的有效利用。

尽管在工业领域中燃料电池技术的应用尚未完全普及，但其发展潜力无疑是巨大的。

燃料电池的原理及其应用前景燃料电池是一种能够将氢气和氧气等化学物质的化学能转化为电能的设备，被称为“清洁的能源转化技术”。

近年来，随着对环境保护的重视以及对石化能源的依赖性的逐步降低，燃料电池在能源领域的应用前景备受关注。

本文将着重阐述燃料电池的原理及其应用前景。

一、燃料电池的原理燃料电池的原理是以化学反应产生的电能为主要输出形式。

在燃料电池中，电子从氧化剂流向燃料中，在本质上是类似于电池中的电子从负极流向正极，只是电子流动的过程中产生的电位非常小，需要通过电路放大才能使用。

除了电子的流动，燃料电池还涉及到一些其他的反应。

其中最主要的就是燃料在阳极和电解质交接处的氧化反应，这个反应由于在常温下的速率非常慢，需要通过催化剂促进，所以燃料电池通常都会有氧化剂催化剂的存在。

同时，在电解质和阴极交界处，还要发生另外一种还原反应，这个过程也需要催化剂加速。

总的来说，燃料电池的原理就是通过化学反应产生电能，电子流动从而产生电位和电能。

二、燃料电池应用前景随着环保意识的逐步增强以及对化石能源依赖的减少，燃料电池在未来的应用前景被普遍看好，其原因如下：1. 燃料电池对环境的影响很小燃料电池的主要燃料是氢气和氧气，这些物质的燃烧产生的主要产物是水，对环境的影响很小。

与此相比，燃煤、燃油等传统能源在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳、氮氧化物等有害物质，对环境造成很大的影响，燃料电池的应用可以减少这些有害物质的排放，保护我们的环境。

2. 燃料电池效率高相对于传统的发电方式，燃料电池具有很高的能量利用率，其原因在于燃料电池是直接将化学能转化为电能，而传统的热力发电则是通过燃烧燃料产生热能，再将热能转化为电能，能量利用率相对较低。

燃料电池的高能量利用率意味着可以减少能源的浪费，减少对自然资源的消耗。

3. 燃料电池的续航能力强与传统的电池相比，燃料电池的续航能力更强。

传统的电池需要时常充电，但是燃料电池可以不间断地提供电能，只需要不断地加入燃料就可以实现。

在中国燃料电池硏究领域有这样一位传奇人物年代，他领导我国航天碱性燃料电池的系统研究，担任总体组副组长和总体专机组成员。

年代，他将燃料电池技术应用到电化学传感器等多“九五”关重大责人，在质子交换膜池领域取得了一系列具有自主知识产权的突破性成果。

200勺年，在他支,电池产业化的新源动力在大连成立O汽车上科学大家®IHI启蒙高中时期偶然看到一篇科普报道从此萌生科研决心为何向往科学，听衣宝廉讲述少1955年，衣宝廉考入辽阳市第一中学，上学期间，衣宝廉偶然看到了一篇科普报道，他的人生轨迹从此发生改变。

1938年5月,衣宝廉出生于辽宁省辽阳市一个普通的农民家庭。

小时候的衣宝廉为帮家人分担劳动，选择了半工半读。

1955年，衣宝廉考入辽阳市第一中学，上学期间，衣宝廉偶然看到了一篇科普报道，他的人生轨迹从此发生改变。

衣宝廉：我在上高中的时候受到一个很大的影响，就是在人民画报上看到邹成鲁院士关于上海生物所的一个生活工作介绍。

当时我就非常羡慕.暗下决心要好好念书，将来去做科学研究。

考大学的时候.苏联的加加林刚刚上天，这坚定了我想做科研的决心，所以学习非常努力，后来我考上了吉林大学的化学系。

在吉大，唐宏青、孙佳中、姜元生等老师，他们的数学都非常好，受他们的影响，我经常到数学系去听课，所以我的数学和模型知识基础打得非常好。

«90年代衣宝廉负贵科技部"九五"攻关重大项目"质子交换膜燃料电池技术”期间的照片@科学大家I二I求学零基础半和攵破英文理论专著做科研一定要敢碰硬敢往前冲要有一种敢拼的精神衣宝廉如何结缘化学研究，听衣宝廉分享他的求学入衣宝廉院士在中科院大连化物所与同事的合影1962年，衣宝廉考入中国科学院大连化学物理研究所，师从郭燮贤院士学习催化化学。

郭院士严格的学业要求、严谨的治学态度和无微不至的关心让衣宝廉受益终身。

这段经历也为他随后的科研和教学之路打下了重要衣宝廉：1962年，我跟着郭燮贤院士学习。

燃料电池的原理、技术状态与展望一、本文概述随着全球对可再生能源和环保技术的需求日益增长，燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换技术，正受到越来越广泛的关注。

本文将对燃料电池的原理、技术状态以及未来展望进行深入探讨。

我们将首先介绍燃料电池的基本工作原理，包括其电化学反应过程和能量转换机制。

接着，我们将概述当前燃料电池技术的发展状况，包括不同类型的燃料电池、关键材料的研发进展以及实际应用案例。

在此基础上，我们将分析燃料电池面临的挑战和限制，如成本、寿命、燃料供应等问题。

我们将展望燃料电池技术的未来发展趋势，包括技术创新、市场应用扩展以及与其他可再生能源技术的融合等。

通过本文的阐述，我们希望为读者提供一个全面而深入的燃料电池技术概览，并为其在能源转型和可持续发展中的作用提供清晰的认识。

二、燃料电池的基本原理燃料电池是一种将存储在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。

它的基本工作原理是通过化学反应产生电流，而这个过程并不经过热机过程，因此能量转化效率极高，且产生的污染物极少。

燃料电池的核心部分是电解质和电极。

电解质负责分隔燃料和氧化剂，同时允许离子在两者之间移动。

电极则分为阳极（正极）和阴极（负极），分别进行氧化反应和还原反应。

在燃料电池中，燃料（如氢气）在阳极被氧化，释放出电子和质子。

电子通过外部电路流向阴极，形成电流。

同时，质子通过电解质到达阴极。

在阴极，氧气与电子和质子结合，发生还原反应，生成水。

这样，整个反应过程中，燃料和氧化剂通过化学反应直接产生了电能，同时生成的水是唯一的副产品，因此燃料电池具有高效率和低污染的特点。

不同类型的燃料电池可能会使用不同的燃料和氧化剂，但其基本原理都是相同的。

例如，质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用氢气和氧气作为燃料和氧化剂，而固体氧化物燃料电池（SOFC）则使用碳氢化合物和氧气。

目前，燃料电池技术已经取得了显著的进步，但仍面临一些挑战，如成本高、燃料储存和分配问题、以及基础设施的建设等。

衣宝廉院士：燃料电池的关键技术厚势厚势按：本文作者为中国科学院大连化学物理研究所侯明研究员和中国工程院院士衣宝廉教授，以燃料电池技术链为主线，叙述燃料电池关键材料与部件、电堆、系统存在的问题、发展现状与研究热点：•关键材料包括催化剂、离子交换膜、气体扩散层；•电堆关键部件包括膜电极组件、双极板等；•系统部件包括空压机、增湿器、氢回流泵、氢瓶等。

关键材料与部件的成本与耐久性是燃料电池汽车实现商业化的基础。

中国燃料电池部分技术指标已经达到或超过全球同类商品的水平，需要鼓励产业大力投入，建立批量生产线，促进中国燃料电池技术进步。

本文原载于 2016 年 3 月 28 日出版的《科技导报》。

1. 车用燃料电池技术链燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。

按其电解质不同，常用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和碱性燃料电池（AFC）等。

其中质子交换膜燃料电池操作温度低、启动速度快，是车用燃料电池的首选。

图 1 燃料电池工作原理燃料电池发电原理与原电池或二次电池相似，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水（图1）。

燃料电池单电池包括膜电极组件（MEA）、双极板及密封元件等。

膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。

额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0.7 V 左右，实际应用时，为了满足一定的功率需求，通常由数百节单电池组成燃料电池电堆或模块。

因此，与其他化学电源一样，燃料电池电堆单电池间的均一性非常重要。

图 2 燃料电池系统组成与原电池和二次电池不同的是，燃料电池发电需要有一相对复杂的系统。

典型的燃料电池发电系统组成如图2 所示，除了燃料电池电堆外，还包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及电管理与控制子系统等，其主要系统部件包括空压机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等，这些子系统与燃料电池电堆（或模块）组成了燃料电池发电系统。

院士衣宝廉：燃料电池汽车现状与远景中国工程院院士衣宝廉以视频的形式出席氢能主题论坛并发表主旨演讲《燃料电池汽车现状愿景与氢源》：要实现碳达峰和碳中和，必须大力发展可再生能源，利用可再生能源电解水制备绿氢，即可实现储能和可再生能源的再分配，还可实现难于脱碳领域如交通、冶金、建筑等领域的脱碳。

燃料电池车的产业化是氢能应用的突破口，要坚持自主创新，突破卡脖子技术，实现关键材料与部件的批量生产，大幅度降低燃料电池车，加氢站建设和氢源的成本，尽快实现燃料电池车的产业化！燃料电池的发电原理是电化学。

因此，它的效率比较高，在60%左右，燃料电池的核心材料是电解质膜、电催化剂、扩散层和双极板。

工作方式是要构成一个系统，发电的核心燃料电池电堆，要有空气的供应系统和水热管理系统以及电控系统。

它具有两大特点，一是比较安全，燃料电池堆只要把氢端切断，燃料电池侧不会发生燃烧和爆炸。

燃料电池的能量比较高，达到每公斤500瓦时和1000瓦时。

把燃料电池装到车上，是利用氢能代替油箱，用燃料电池的发动机代替内燃机，那尾排仅仅是水，将没有任何污染物和二氧化碳。

燃料电池发动机装到车上，这是在轿车上、大巴车上的布局。

燃料电池是一个大电流、低电压的发电装置，它通过定期的增压以后，跟二次电池进行混炼，来推动电机，进而驱动车辆运行，现在已经被世界采用。

由于燃料电池的比能量比较高，所以它特别适用于长途车和重载车。

电堆与氢罐是分开的，提高了发动机的安全性，电堆不会产生爆炸。

氢燃料电池车续驶里程，加氢时间，驾驶舒适性均可与燃油车艳美。

必须攻克难点：目前燃料电池发动机贵，导致一辆车售价是燃油车的2倍多，锂离子电池车的1.5倍。

加氢站的建设费用也高达1200-1500万元。

在加氢站的加氢费用每公斤高达60-70元，只有降到30元以下才能与燃油竞争！因此，要实现无补贴的燃料电池车商业化，必须大幅度降低燃料电池发动机的成本和氢气的成本，同时降低加氢站的建设费用。

燃料电池及其相关技术随着世界对环境保护要求的不断提高，燃料电池技术越来越被人们所重视。

燃料电池可以利用水氢化反应生成电能，具有高效、环保等特点，因此在车辆、能源和电力等领域有广泛应用。

本文将从燃料电池的基本原理、种类、技术优势以及挑战等方面进行探讨。

一、燃料电池的基本原理燃料电池是通过氢气和氧气进行水氢化反应产生电力的装置，其基本原理是利用氢气和氧气在电催化剂的作用下，将水气化成水和电能同时产生。

其中，氢气是由燃料电池燃料池中的燃料进行电化学反应而产生的。

电化学反应是指在固体-液体，液体-液体等界面处进行氧化还原反应。

这种反应的催化剂是活性吸附氧化酶。

反应后，氢气的电荷会流经电极，形成电流，从而驱动电动机等设备运转。

二、燃料电池的种类根据燃料电池的类型不同，可以分为以下四种：1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）2.固体氧化物燃料电池（SOFC）3.碱性燃料电池（AFC）4.磷酸燃料电池（PAFC）PEMFC是目前最广泛应用的燃料电池类型之一，其催化剂可以利用贵金属如铂等，具有高效、快速和低温等特点。

SOFC可以通过用固态离子导体代替液态电解质使它在高温下运转，具有较高的能源输出密度和效率，用于电力生产和微型能源源等方面具有良好的应用前景。

AFC因其高度阻止碳沉积和较快的反应速率，被广泛应用于太空和工业应用。

PAFC则以其能产生高效电力的能源和较低的氮化物排放而闻名于世。

三、燃料电池技术的优点与挑战燃料电池技术因其环保、高效、低排放等特点而备受青睐。

相对于传统的燃烧产生电的方式，燃料电池可以减少空气污染和温室气体排放。

同时，由于其运动部件的结构简单、使用寿命长、噪音低等优点，因此逐渐被用作汽车和家电等领域的动力源，成为人们探索低碳绿色发展的有力手段。

然而，燃料电池技术面临着一些挑战。

首先，燃料电池在制造过程中需要使用高价的贵金属作为催化剂，这会增加生产成本，降低其普及度。

其次，燃料电池在不同的可替代能源如太阳能等面前可能会降低其市场竞争力。

我国车用燃料电池技术的研发与应用r——访中国工程院院士衣宝廉王圣媛【期刊名称】《中国国情国力》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】5页(P5-9)【作者】王圣媛【作者单位】【正文语种】中文在大力倡导节能环保的今天，新能源汽车的出现既满足了人们日常出行的刚性需求，又有效降低了以石油为燃料的普通汽车尾气排放造成的雾霾等环境污染。

《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》明确提出，现阶段将重点培育和发展新能源汽车产业，开展燃料电池汽车相关前沿技术研发，大力推进高能效、低排放节能汽车发展。

可见，燃料电池技术的开发为新能源汽车的发展开辟了新方向。

今年“中国科协年会”期间，本刊记者就我国新能源汽车发展的关键环节——燃料电池技术的发展情况采访了中国工程院衣宝廉院士。

记者：广大读者对燃料电池还相当陌生，请您谈谈燃料电池的工作原理。

衣宝廉：好！我来介绍一下燃料电池的发电原理。

我们平时说的燃料电池，指的就是氢燃料电池，是使用氢这种化学元素制造成储存能量的电池。

它利用电化学原理发电，与锂离子电池的发电原理一样：氢在阳极氧化生成氢离子和电子，电子经外电路做功后到达阴极，氢离子通过膜也从阳极到阴极，在阴极氧与氢离子和电子反应生成水。

燃料电池的工作方式跟普通蓄电池不一样，它的工作方式就是个发电机，把燃料和氧化剂送进去就可以发出电，其跟内燃机的工作方式是一样的，送进去燃料和氧化剂就可以做功。

所以它是一个系统，有供氢系统、供氧系统、排水系统、排热系统。

据此，它就兼有电池和内燃机两者的优点，当然也有它们的缺点。

比如优点是发电过程是电化学的，效率比较高，由于它是利用氢和氧的化学反应产生电流及水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电耗时的问题；在燃料价格上涨、环境污染日益严重和全球气候变暖的背景下，人类对更清洁、更安全、效率更高的能源的需求越来越迫切，需求量越来越大，燃料电池正是目前最具发展前景的新能源。

但其缺点是因工作方式与内燃机相同，系统比较复杂。

燃料电池技术总结燃料电池技术是一种利用氢气或含氢燃料与氧气进行化学反应来产生电能的技术。

由于其高效、无污染和低碳排放的特点，燃料电池技术被广泛认为是未来能源领域的发展方向。

本文将对燃料电池技术进行总结，包括其原理、分类、应用领域以及挑战与前景等方面。

一、燃料电池技术原理燃料电池是一种通过氢气与氧气的化学反应来产生电能的装置。

其基本原理是在阳极和阴极之间，通过催化剂催化氢气的氧化反应和氧气的还原反应，从而产生电能。

燃料电池的核心是电解质膜，它能够将电子和离子分离，使得电子通过外部电路流动，离子则通过电解质膜传递，从而完成电化学反应。

二、燃料电池技术分类根据电解质的不同，燃料电池可以分为若干种类。

常见的燃料电池包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）等。

这些燃料电池在工作温度、电解质材料、催化剂等方面存在差异，适用于不同的应用场景。

三、燃料电池技术应用领域燃料电池技术在能源领域有广泛的应用前景。

其中，最常见的应用是作为燃料电池汽车的动力系统。

相比传统的内燃机车辆，燃料电池汽车具有零排放、静音、高效等特点，能够有效缓解环境污染和能源压力。

此外，燃料电池技术还可以应用于移动电源、航空航天、能源存储等领域，具有广阔的市场前景。

四、燃料电池技术挑战与前景燃料电池技术的发展面临着一些挑战。

首先，燃料电池的催化剂和电解质材料的成本仍然较高，限制了其商业化应用。

其次，氢气的生产、存储和运输等环节还存在技术和安全难题。

此外，燃料电池的寿命和稳定性也需要进一步提高。

然而，随着技术的不断进步和成本的逐渐下降，燃料电池技术具有巨大的发展潜力。

未来，燃料电池技术有望成为能源革命的重要支撑。

随着可再生能源的快速发展，燃料电池可以作为能源转换和储存的关键技术，实现可持续能源的利用。

同时，燃料电池在交通运输、能源供应等领域的应用也将逐渐扩大，为解决能源和环境问题提供更好的解决方案。

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。

燃料电池－原理·技术·应用/衣宝廉著. 化学工业出版社,2003,7电流密度i=I/A,即单位电极面积上的电化学反应速度。

电池的电压V=E s-ηa-ηc-ηΩ；式中ηa为阳极极化，ηc为阴极极化，ηΩ为欧姆极化，主要由将阴极与阳极分开的电解质离子导电电阻引起。

在高电流密度下，浓差极化不能忽略。

电极立体化：向电催化层内加入离子导体的技术既稳定了反应区（三相界面），又确保了在电极催化层内均可实现电化学反应。

即实现电极的立体化。

钙钛矿型（perovskites）氧化物：通式为RMO3，R代表碱土金属，M代表过渡金属。

RMO3既有电子导电性，又具有离子导电性。

它的离子传导性源于晶格中的氧空位，氧空位浓度与掺杂浓度和氧分压有关。

SOFC电池传导离子为O2-，又由于RMO3具有较好的电子导电性和一定的催化氧电化学还原能力，所以它成为研制SOFC电池氧的还原电催化剂的重点并取得成功。

至今锶掺杂的亚锰酸镧（LSM）La1-x Sr x MnO3(一般x＝0.1－0.3)是首选的SOFC电池氧还原电催化剂（阴极电催化剂）。

电解质越薄，电池内阻越小，欧姆极化越小，提高电池性能。

而且可以降低SOFC工作温度，缓解平板型SOFC密封与双极板材料选择等技术难题。

但越薄对电池的支撑强度不够。

SOFC电解质分为两类：一类为萤石结构的固体氧化物电解质，如氧化钇（Y2O3）和氧化钙（CaO）等掺杂的氧化锆（ZrO2）、氧化钍（ThO2）、氧化铈（CeO2）、三氧化二铋（Bi2O3）等。

另一类就是近年来研究取得突破的钙钛矿结构（ABO3）的固体氧化物电解质，如锶镁掺杂的镓酸镧（LaGaO3）。

目前大多数SOFC均以摩尔分数为6%~10%的氧化钇（Y2O3）掺杂的氧化锆（ZrO2）为固体电解质。

氧化钇（Y2O3）等异价氧化物的引入可以使立方萤石结构在室温到熔点的整个温度范围内保持结构的稳定，同时能在氧化锆晶格内形成大量的氧离子空位，以保持材料整体的电中性。