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燃料电池及新材料 樊世敏 江苏科技大学 材料科学与工程学院 摘要：燃料电池作为一种高效、清洁能源，目前已达到准商品化或商品化阶段，本文介绍了以下几种典型燃料电池：AFC、PAFC、PEMFC、MCFC、SOFC的发展概况及应用价值。此外，详尽介绍了它们的材料组成及特性，仔细分析了它们的市场价值以及我国燃料电池今后的发展趋势。 关键词: 燃料电池 AFC PAFC PEMFC MCFC SOFC 发展趋势 1 引言 燃料电池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[1]。燃料电池工作原理是：氢气或其他燃料进入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。 燃料电池是继热能发电、水力发电和原子能发电之后的第四种发电技术[2]。利用电化学反应把燃料电池中燃料的化学能（即吉布斯自由能）直接转换成电能，这样不会受卡诺循环效应的限制，所以效率高[3,4]；此外，燃料电池用燃料和氧气作为反应物，有害气体（SOX,NOX）的排放量极少；由于在整个过程中，没有机械传动，所以无噪声污染。因此，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是一种很有发展前途的发电技术。 到目前为止，已经出现了很多种技术和结构类型的燃料电池，但是根据电解质的不同，一般分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等五大类[1,5]。其中前三种类型工作温度不大于200℃，又称做低温燃料电池，MCFC和SOFC的工作温度大于650℃，叫做高温燃料电池。 2 燃料电池系统组成及特点 2.1 组成 燃料电池PAFC的结构最为典型，主要由四部分组成，分别是呈多孔状态、涂有催化剂的阳极、阴极、隔离电极的离子导电电解质、集流体[6]（图1）。单电池产生的电压很低[6～ 8]（表1），所以需要钯电池串联成电池堆来提高电压。燃料电池整装机组由电池组、重整器与热交换器（废热回收）、直流-交流转换装置、监控器一起构成。PAFC、AFC和MCFC使用液态电解质，两个电极呈气、液、固三相接触，而SOFC和PEMFC使用固态电解质仅呈两相接触，故在结构上有所不同。五种燃???电池的工作特性见表1。 2.2 特点 2.2.1 高能量转换效率 燃料电池属于一种能源转换工具，可以将燃料的化学能直接转换为电能而不用经过热能转换、机械能转换，所以不受热机原理中卡诺循环的限制，能达到40%以上的发电效率，如PAFC的发电效率为42%，MCFC的发电效率大于60%，比传统的火电厂高的多。此外，燃料电池在发电的同时还生产热水和低温蒸汽，电/热比大于1.0，多呈汽电共生形式，其总的能量转换效率高达90%。 2.2.2 可靠性好 由于不需要经过热能转换，机械能转换等复杂能量转化，所以电池内运动零件很少，不会出现内燃机转动零件和燃气涡轮损坏等导致的严重事故。套装机组可以在线监控，可以自动操作。 2.2.3 利于环保 燃料电池与普通电厂相比，极大的降低了CO2排放，大幅度减少粉尘、SO2和NOx的排放，改善空气质量，同时水的消费和废水排放大幅度降低。此外，燃料电池转动机件少，消除了普通电厂的噪声源。因为不需要燃烧，所以占地面积小，安全可靠，这种发电方式适合设置在城区作电源。以汽电共生方式可同时向旅馆、餐厅、办公楼、医院、百货公司提供电力和热量大约需要40～1000kW的燃料电池；3～20kW的燃料电池可供住宅使用，高温燃料电池对热电厂的竞争力更高。可以在孤立的边远市镇、矿区及军队哨所建立这种洁净的小型汽电共生系统来提供电力、热水、暖气与空调，如新疆等地的油气田，实用价值很高。 2.2.4 稳定性高 由于受负载因素及容量变化的影响不大，所以效率稳定，。负载追随迅速，可提高电力系统稳定度。 2.2.5 燃料选择范围大 柴油、轻油、煤气、天然气、液化天然气、沼气、含氢废气等皆可使用。 2.2.6 建厂时间短 厂址选择限制少、占地面积小，建厂时间不超过两年，可靠近用户建立现场发电装置，减少了输电系统的费用。 由于燃料电池存在造价偏高、冷机启动时间长、长期使用的实验数据缺少、电池组寿命比机组寿命短等问题，所以要想实现商品化氦需要进一步努力。除PAFC以外其它技术尚不够成熟[9～ 13]。 3 燃料电池的市场分析 燃料电池作为一种能量转换率高，循环寿命长的清洁型新能源，在电动汽车、分散电站、备用及辅助电源、便携式电源、可移动电源、特殊场合动力源及军用领域有着广阔的应用前景。燃料电池应用主要归纳为三方面[14]。 3.1 交通运输 电动汽车，包括大型公共汽车、货车、小卧车、汽车等，要求在动力系统中的重量、成本、寿命、一次加燃料