一文了解 燃料电池的优点及分类

燃料电池是将化学能转化为电能的电化学装置，可以在没有燃烧的情况下发电，不会排放污染物。燃料电池的燃料可以是氢气、天然气、甲烷、甲醇、乙醇等，氧化剂始终是空气，除非在非常特殊的情况下可以是纯氧（例如空间应用）。
燃料电池主要由阳极、阴极、电解质以及外部电路四部分构成，通过氧化还原反应，完成将化学能到电能的能量转换：阳极的反应物通过氧化反应产生带正电的氢离子并释放电子，电子从阳极流经外部电路到达阴极被吸收，阳离子通过电解质到达阴极与阴极发生还原反应生成产物水和二氧化碳，阴、阳两极反应产生离子在电解质中迁移，电子流经外部电路，就此形成回路产生电流。因其反应不需要通过燃烧等条件而被称为电化学发生器。
在使用过程中，化学能—电能转换率约为50%~80%，比传统的发电技术效率更高。燃料电池的燃料来源不受限制，产物无污染，其广泛的使用与普及可以减少对传统化石燃料的依赖。由于其良好的性能和无污染效率高的优点，引起了许多科研工作者的关注。未来，燃料电池将有望被普遍应用于工业、商业、居民用发电、移动电源等领域。相比较于传统发电装置，燃料电池具有许多优点。

燃料电池系统（图源：国鸿氢能）

燃料电池的优点

Fuel Cell

（1）环境污染小

燃料电池的主要产物是水，而且以天然气为燃料时，只有水这一产物，二氧化碳排放量要比传统发电装置低40%左右，对于缓解温室效应起到非常重要的作用。燃料电池的燃料在反应前进行了脱硫处理，而且电化学反应过程不存在燃烧过程，因此不会产生SO2、NOx等粉尘污染物，减小了对环境的污染，是一种环境友好型能源装置。
（2）发电效率高
因其不受卡诺循环的限制，燃料电池能量转换率在理论上是极高的，但由于反应过程中各种极化现象的出现，能量转换率受到影响，所以实际使用过程中燃料电池的能量转换率为45%~60%。但相比与传统发电方式30%~40%的能量转化效率，燃料电池的效率也是相当可观的。
（3）噪音低
燃料电池由于结构简单，在工作时无需机械部件运转，所以工作时噪音很低，不会对环境产生噪音污染。
（4）燃料范围广
一般含有氢的燃料（甲烷、乙烷、酒精）都可以作为燃料电池的能量来源，而且这些燃料都可以通过采集或者人工合成的方式获取。这就体现了其燃料来源广、且易获取的特点。
（5）可靠性高

燃料电池对负载功率的稳定性要求较低，当其负载有变动时，燃料电池仍然能稳定工作，不受影响，所以燃料电池可以应用于应急电源。

燃料电池的分类

Fuel Cell

根据应用场景不同，技术人员根据不同的结构或者工作原理开发出了多种类型的燃料电池。燃料电池有着多种不同的分类方法：按照工作的温度的不同，燃料电池可以分为低温型燃料电池、中温型燃料电池、高温型燃料电池和超高温型燃料电池四类；按照电解质的区别，燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）这五类。按照技术发展水平可以分为第一代燃料电池、第二代燃料电池、第三代燃料电池、第四代燃料电池。
（1）碱性燃料电池
碱性燃料电池属于第一代燃料电池，电解质为KOH溶液，电极材料为碳材料。为适应航空航天动力的需求，碱性燃料电池最早提出并开发利用。其工作温度较低只有大约70℃，所以启动速度较快，同时其还具有污染小、环境噪音低等优点。因为电离密度较低，其发电量较低，同时还具有以下缺点：寿命较短、腐蚀性较强、制造成本高。
（2）磷酸燃料电池
磷酸燃料电池也属于第一代燃料电池，电解质为液体磷酸，骨架为碳材料，燃料为氢气、天然气、甲醇等。磷酸燃料电池技术发展比较成熟，已经应用于发电厂和公共汽车供电系统。PAFC具有反应速度快、对杂质的耐受程度高以及结构简单等优点。PAFC存在一些缺点：效率低于其他燃料电池、工作温度高（约为150~200℃）。
（3）熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池属于第二代的燃料电池，电解质为熔融态碳酸盐，电极为多孔陶瓷阴极和多孔金属阳极，电解质隔膜为多孔陶瓷电解质隔膜。其能量转换率较高，约为55%~65%，主要应用于固定电站。熔融碳酸盐燃料电池的优点：单电池的功率较大、反应速度快、成本低、对燃料的纯度要求低等。熔融碳酸盐燃料电池也存在一些缺点：工作温度高（约为600~700℃）以及因此造成的液体电解质管理较困难、功率密度低、体积大、电池寿命低等。
（4）固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，与一般的燃料电池结构相同，但全由陶瓷组成，是全固态结构。固体燃料电池主要应用于电厂混合发电，其具有以下优点：设备简单、结构安全、不需要贵金属催化剂、燃料选择范围广、噪音小等。固体氧化物燃料电池也存在一些缺点：工作温度高（800~1000℃），启动时间长等。
（5）质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池属于第四代燃料电池，电解质为高分子材料质子交换膜，电极由气体扩散层和催化剂层两部分组成，气体扩散层是由基体材料和微孔层组成的，催化剂层是利用炭黑或石墨对电极材料进行负载，燃料为氢气、天然气、甲烷等。相对于前面几代燃料电池，质子交换膜燃料电池具有以下优点：能量转换效率以及功率密度高、电解质无腐蚀性、常温下工作、启动速度快。当然其也具有一定的缺点：催化剂价格高昂、对CO敏感、需要加湿反应物等。质子交换膜燃料电池是燃料电池中发展较为成熟的电池技术，被广泛应用于航空航天、军事领域和新能源汽车领域。

（来源：殷卓成等: 氢燃料电池汽车关键技术研究现状与前景分析）

资料来源：李梦佳：碳纸的疏水改性及其性能研究，天津工业大学

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