一.燃料電池簡(jiǎn)介

1.定義

燃料電池(FuelCells)是一種不需要經(jīng)過(guò)卡諾循環(huán)的電化學(xué)發(fā)電裝置，能量轉(zhuǎn)化率高。

燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠(chǎng)”。

由于在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，幾乎不產(chǎn)生污染環(huán)境的含氮和硫氧化物，燃料電池還被認(rèn)為是一種環(huán)境友好的能量轉(zhuǎn)換裝置。由于具有這些優(yōu)異性，燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)新型環(huán)保高效的發(fā)電技術(shù)之一。

隨著研究不斷地突破，燃料電池已經(jīng)在發(fā)電站、微型電源等方面開(kāi)始應(yīng)用。

2.基本結(jié)構(gòu)

燃料電池的基本結(jié)構(gòu)主要是由四部分組成，分別為陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。通常陽(yáng)極為氫電極，陰極為氧電極。陽(yáng)極和陰極上都需要含有一定量的電催化劑，用來(lái)加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，兩電極之間是電解質(zhì)。

3.分類(lèi)

目前燃料電池的種類(lèi)很多，其分類(lèi)方法也有很多種。按不同方法大致分類(lèi)如下：

(1)按運(yùn)行機(jī)理來(lái)分類(lèi)：可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池；

(2)按電解質(zhì)的種類(lèi)來(lái)分類(lèi)：有酸性、堿性、熔融鹽類(lèi)或固體電解質(zhì)；

(3)按燃料的類(lèi)型來(lái)分類(lèi)：有直接式燃料電池和間接式燃料電池；

(4)按燃料電池工作溫度分：有低溫型(低于200℃)；中溫型(200-750℃)；高溫型(高于750℃)。

4.原理

燃料電池的工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括燃料氧化和氧氣還原兩個(gè)電極反應(yīng)及離子傳輸過(guò)程。早期的燃料電池結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要傳輸離子的電解質(zhì)和兩個(gè)固態(tài)電極。

當(dāng)以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑時(shí)，燃料電池的陰陽(yáng)極反應(yīng)和總反應(yīng)分別為：

陽(yáng)極：H2→2Ｈ＋＋2ｅ-

陰極：1/2O2＋2Ｈ＋＋2ｅ-→Ｈ2O

總反應(yīng)：H2＋1/2Ｏ2→H2O

其中，Ｈ2通過(guò)擴(kuò)散達(dá)到陽(yáng)極，在催化劑作用下被氧化成和ｅ-，此后，Ｈ+通過(guò)電解液到達(dá)陰極，而電子則通過(guò)外電路帶動(dòng)負(fù)載做功后也到達(dá)陰極，從而與O2發(fā)生還原反應(yīng)（ORR）。

二.燃料電池應(yīng)用

時(shí)至今日，己有多種類(lèi)型的燃料電池根據(jù)不同的應(yīng)用需求被研發(fā)出來(lái)。按導(dǎo)電離子類(lèi)別可分為酸性燃料電池、堿性燃料電池、烙融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池（SOFC）。

酸性燃料電池還可細(xì)分為PEMFC、直接醇類(lèi)燃料電池和磷酸燃料電池。各類(lèi)燃料電池皆有其工作特性，工作溫度低至－40°Ｃ、高至1000°。

可根據(jù)不同的需求選擇燃料電池類(lèi)型。其中PEMFC是最近幾十年里受關(guān)注最多的燃料電池。

PEMFC不僅具備燃料電池的普遍特征，還有可低溫下快速啟動(dòng)和工作、無(wú)電解液流失、壽命長(zhǎng)、比功率與比能量高等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是將來(lái)替代內(nèi)燃機(jī)作為汽車(chē)動(dòng)力電源最理想方案。

由于燃料電池模塊化、功率范圍廣和燃料多樣化等特點(diǎn)，能被應(yīng)用于多種場(chǎng)合：小至代步車(chē)電源、移動(dòng)充電裝置，大至兆瓦級(jí)發(fā)電站。實(shí)際上，燃料電池的商業(yè)化進(jìn)行得如火如茶。

資料顯示，從2008年至2011年，世界范圍內(nèi)燃料電池作為通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物流和機(jī)場(chǎng)地勤的備用電源市場(chǎng)份額増長(zhǎng)了214％。

預(yù)計(jì)至2020年，燃料電池的市場(chǎng)總值將達(dá)到192化美元。

具體應(yīng)用作簡(jiǎn)單介紹如下：

（1）便攜式電源

便攜式電源市場(chǎng)銷(xiāo)售額的逐年増長(zhǎng)吸引了許多電源技術(shù)，其產(chǎn)品包括：筆記本電腦、手機(jī)、收音機(jī)及其他需要電源的移動(dòng)設(shè)備，為方便個(gè)人攜帶，便攜式移動(dòng)電源的基本要求通常要求電源具有高比能量、質(zhì)輕小巧等特點(diǎn)。

而燃料電池的能量密度通常是可充電電池的５到10倍，使其具有較大的競(jìng)爭(zhēng)力.此外，燃料電池不需要額外充電的特點(diǎn)也使它能適應(yīng)更長(zhǎng)久的野外生活。

目前，己有直接甲醇燃料電池（DMFC）和PEMFC被應(yīng)用為特種電源和移動(dòng)充電裝置上。成本、穩(wěn)定性和壽命將是燃料電池應(yīng)用于便巧式移動(dòng)電源的所需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

（2）固定電源

固定電源包括緊急備用電源、不間斷電療、偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立電站等。

目前，燃料電池每年占據(jù)全球約７０％的兆瓦級(jí)固定電源市場(chǎng)，相比于傳統(tǒng)的鉛酸電池，燃料電池具有更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間（大約為鉛酸電池的５倍）、更髙的比能皇密度、更小的體積和更好的環(huán)境適應(yīng)性。

對(duì)于智能電網(wǎng)難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)和緊急事故發(fā)生地，獨(dú)立電站被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)且可靠的供電方式。在我國(guó)多次的地展災(zāi)害中，燃料電池被用作獨(dú)立電站，為救災(zāi)工作發(fā)揮了重要作用。需要注意的是，固定電站通常需要較長(zhǎng)的壽命（大于80000小時(shí)），這是燃料電池技術(shù)應(yīng)用于固定電站的最大技術(shù)挑戰(zhàn)。

（3）交通動(dòng)力電源

交通動(dòng)力電源一直是清潔能源技術(shù)研發(fā)的主要誘導(dǎo)因素，因?yàn)槿颍保罚サ臏厥覛怏w（CO2）都是由基于化石燃料的交通動(dòng)力產(chǎn)生，另外還伴隨著其他的大氣污染問(wèn)題，如霧霾等。

H2為燃料的PEMFC被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)的最佳替代動(dòng)力。

主要原因是：(a)尾氣只有水，無(wú)任何污染排放；(b)燃料電池的工作效率極高（53%-59%），幾乎是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的兩倍；(c)低溫快速啟動(dòng)、運(yùn)行噪音低且運(yùn)行穩(wěn)定，世界諸多國(guó)家都在推進(jìn)燃料電池交通動(dòng)力方案，日本是其中最激進(jìn)的國(guó)家之一。

日本計(jì)劃在2025年之前，建設(shè)超過(guò)1000個(gè)加氨站和運(yùn)行200萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)。

2015年，日本豐田汽車(chē)公司開(kāi)始售賣(mài)世界上第一輛PEMFC為主要?jiǎng)恿﹄娫吹钠?chē)Mirai，標(biāo)志著燃料電池技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)動(dòng)力的新紀(jì)元。