质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池

燃料电池用质子交换膜综述

1.1 概述

世界范围内的能源短缺问题越来越严重。对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重。然而，绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。在过去30年里，化石燃料减少，清洁能源需求增多。寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。因此，针对上述传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。

燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能[1, 2]。而且，不受地域以及地理条件的限制。近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。

1.2 燃料电池

燃料电池不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高(在200°C以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质[3]，环境友好。因此，燃料电池具有广阔的应用前景。下面从组成、分类和特点3个方面具体介绍一下燃料电池：

1.2.1 燃料电池的组成

燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。以H2/O2燃料电池为例(图1-1)：H2进入燃料电池的阳极部分，阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。电子则通过外线路流向阴极形成电流。氧气进入燃料电池的阴极和质子，电子相结合生成水[4]。

图1. 1燃料电池工作示意图

1.2.2燃料电池的分类

通常燃料电池根据所用电解质的不同来划分，因为它决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。表1.1列出了上述五种燃科电池的主要特点[5]。

燃料电池用质子交换膜综述

1.1 概述

世界范围内的能源短缺问题越来越严重。对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重。然而，绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。在过去30年里，化石燃料减少，清洁能源需求增多。寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。因此，针对上述传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。

燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能[1, 2]。而且，不受地域以及地理条件的限制。近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。

1.2 燃料电池

燃料电池不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高(在200°C以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质[3]，环境友好。因此，燃料电池具有广阔的应用前景。下面从组成、分类和特点3个方面具体介绍一下燃料电池：

1.2.1 燃料电池的组成

燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。以H2/O2燃料电池为例(图1-1)：H2进入燃料电池的阳极部分，阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。电子则通过外线路流向阴极形成电流。氧气进入燃料电池的阴极和质子，电子相结合生成水[4]。

图1. 1燃料电池工作示意图

1.2.2燃料电池的分类

通常燃料电池根据所用电解质的不同来划分，因为它决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。表1.1列出了上述五种燃科电池的主要特点[5]。

燃料电池的种类及应用

燃料电池是一种将化学能转化为电能的技术，其工作原理是通过将氢气与氧气反应产生电子、阳离子和水，并产生电流来驱动外部设备。燃料电池可以分为多种类型，每种类型都有着不同的特点和适用场景。以下是一些常见的燃料电池种类及其应用：

1. 质子交换膜燃料电池（PEMFC）：PEMFC 是目前最常见和最常用的燃料电池类型之一。它由氢气和氧气在质子交换膜中反应生成水和电能。这种燃料电池具有高效、响应速度快、启动时间短等优点，适用于小型移动设备、汽车、船舶和无人机等应用。

2. 高温聚合物电解质燃料电池（HT-PEMFC）：HT-PEMFC 操作温度较高，约为150-200摄氏度。它通常使用高温聚合物作为电解质，这使得它具有更好的耐久性和氧化稳定性。由于其高温操作条件，它可以直接从燃料中产生电，因此适用于汽车等需要高功率输出的应用。

3. 燃料电池电动汽车（FCEV）：燃料电池电动汽车是一种使用燃料电池作为能源的电动汽车。它使用氢气作为燃料，通过与空气中的氧气反应来产生电能。与传统的燃油汽车相比，燃料电池电动汽车具有零排放、零污染和长续航里程等优点。

4. 固体氧化物燃料电池（SOFC）：SOFC 是一种高效、长寿命的燃料电池，它可以直接将化学能转化为电能。它使用固体氧化物作为电解质，通常在800-1000摄氏度的高温条件下运行。SOFC 可以使用多种燃料，包括氢气、甲烷和生物质等，因此在工业应用中具有广泛的用途，如电力发电站、垃圾处理厂等。

5. 直接甲醇燃料电池（DMFC）：DMFC 通过将甲醇和氧气反应产生电能。这种燃料电池不需要氢气供应，因此它更加便携和灵活。DMFC 适用于小型移动设备，如笔记本电脑和移动电话等。

6. 氧化铝燃料电池（AFC）：AFC 通常使用碱性电解质和盐水作为电解质，氢气和氧气反应产生电能。它具有低成本、高效率和长寿命等优点，但由于其在腐蚀性液体中的操作，因此应用范围较为有限。

- 1 - 质子交换膜燃料电池分类

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种新型的燃料电池，具有高效、环保、节能等优点，被广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。根据其使用的燃料和氧化剂，PEMFC可以分为多种类型。本文将介绍常见的PEMFC分类及其特点。

1. 氢气-氧气PEMFC

氢气-氧气PEMFC是最常见的PEMFC类型，它使用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂。在质子交换膜中，氢气被氧化成水，同时产生电子和质子。电子从阳极流出，经过外部电路产生电能，质子则通过质子交换膜流向阴极，在与氧气反应时产生水。氢气-氧气PEMFC具有高效、环保、能量密度高等优点，但氢气储存和输送成本较高，限制了其应用范围。

2. 氢气-空气PEMFC

氢气-空气PEMFC使用空气作为氧化剂，无需储存和输送氧气，降低了成本和安全风险。但由于空气中含有大量氮气，氧化剂的含氧量较低，影响了PEMFC的性能。为解决这一问题，研究人员开发了一种氧化剂循环系统，将空气中的氧气分离出来，提高了氧化剂的含氧量。

3. 甲醇-氧气PEMFC

甲醇-氧气PEMFC使用甲醇作为燃料，氧气作为氧化剂。在阳极上，甲醇被氧化成二氧化碳和水，同时产生电子和质子。电子从阳极流出，经过外部电路产生电能，质子则通过质子交换膜流向阴 - 2 - 极，在与氧气反应时产生水。甲醇-氧气PEMFC具有简单、便携、易于储存等优点，但甲醇的能量密度较低，需要大量储存和输送，同时产生二氧化碳等有害物质，影响环境。

4. 氨气-氧气PEMFC

氨气-氧气PEMFC使用氨气作为燃料，氧气作为氧化剂。在阳极上，氨气被氧化成氮气和水，同时产生电子和质子。电子从阳极流出，经过外部电路产生电能，质子则通过质子交换膜流向阴极，在与氧气反应时产生水。氨气-氧气PEMFC具有储存和输送成本低、安全性高等优点，但氨气的毒性较大，需要注意安全问题。