燃料电池工作原理及分类

燃料电池（FC）是一个开放的电化学能量转换和发电系统。化学能通过电化学电池阴阳两极的氧化还原反应直接转化成电能。反应时，燃料和氧化剂分开并且持续不断地进入电化学电池。电解质为电化学反应中产生的离子在燃料和氧化剂（阴阳两极）之间移动提供了一条通道，同时，驱使在这个过程中产生的电子在外部电路中移动，这样，就产生了电能。电解质的存在，又起到了将反应物互相分开的作用。用氢气和氧气作为反应物的燃料电池，可以产生电能，同时也能产生水和热。如果用碳氢化合物替代氢作为燃料的话，反应过程中就会有二氧化碳产生。但是，由于燃料电池的高能源利用率，其二氧化碳排放量还是低于内燃机的排放量。图15.1所示为质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作原理图。

图15.1 PEMFC（上图）和SOFC（下图）工作原理图

根据电解质的不同，燃料电池通常可以分为五大类。究其原因，主要是电解质决定了燃料电池的许多重要特性，如工作温度的范围、催化剂的选取等。然而，在某些时候，燃料电池也可被分成低温（＜200℃）燃料电池和高温（＞400℃）燃料电池两类。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）和磷酸燃料电池（PAFC）属于低温燃料电池；而熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）则属于高温燃料电池。

目前，包括直接甲醇燃料电池（DMFC）在内的质子交换膜燃料电池（PEM-FC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）都是最值得研究的。前者比较适合移动电话和便携式装置，而后者比较适合固定的电力生产。DMFC和PEMFC具有相同的结构，但是DMFC的燃料是液态的甲醇（CH₃OH）而不是氢气。

PEMFC技术虽然已在一些应用中显示出它的有效性，但是这项技术目前仍处于示范阶段。对于燃料电池（FC），仍有存在许多材料方面的问题（见参考文献[1]-[4]），其中主要涉及材料的耐久性，不理想的高、低温性能，化学稳定性和机械特性。目前，PEMFC的发展主要集中在如何提高化学和电化学稳定性以及提高聚合物电解质膜的机械特性。为了能彻底实现燃料电池的商业化以及获得更长的使用寿命，新材料的研发刻不容缓。(www.xing528.com)

不同型号的燃料电池种类和性质见表15.1。

表15.1 燃料电池的种类和性质^[5，6]

①CHP是指热电联产。

②APU是指辅助动力装置。