燃料电池——氢能源的载体

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燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。按其电解质不同，常用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和碱性燃料电池（AFC）等。燃料电池具有高转化率，优势明显，理论上燃料电池的能量转化效率可高达85%—90%。实际电池在工作时由于受各种极化的限制，目前各类燃料电池的能量转化效率约在40%—60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可达80%以上。零排放，清洁能源的标杆。当燃料电池以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上;若以纯氢气为燃料，其化学反应产物仅为水，从根本上消除了CO、NOx、SOx、粉尘等大气污染物的排放，可实现零排放，同时由于燃料电池生成水的反应是个放热反应，在工作中还会产生大量热水、热蒸汽，所以不仅可以供电，还可以供暖，同时具有干净、可靠、能移动、寿命长等优点。

燃料电池主要类别

其中质子交换膜燃料电池操作温度低、启动速度快，是车用燃料电池的首选。燃料电池发电原理与

原电池或二次电池相似。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，产生电能。质子交换膜燃料电池（PEMFC）电池通过氢气和氧气发生化学反应生成水，在这个过程中产生电能，首先，氢气通过管道或导气板到达阳极。在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子。在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水。

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以

向外电路的负载连续地输出电能。在整个反应过程中几乎是零排放，燃料电池特点明显，考虑到当

前环境敏感的大环境，对燃料电池的大力政策扶植短期不会改变，这也必将推动燃料电池下游应用的加速发展。

质子交换膜燃料电池工作原理

电催化剂（catalyst）是燃料电池的关键材料之一，其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。

扩散层（GDL）：在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层位于流场和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电极结构，并具有质/热/电的传递功能。因此GDL必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。

膜电极组件（MEA）：膜电极组件（membraneelectrodeassembly，MEA）是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件，是燃料电池的核心部件之一，其结构如图10。目前，国际上已经发展了3代MEA技术路线：一是把催化层制备到扩散层上（GDE），通常采用丝网印刷方法，其技术已经基本成熟；二是把催化层制备到膜上（CCM），与第1种方法比较，在一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性；三是有序化的MEA，把催化剂如Pt制备到有序化的纳米结构上，使电极呈有序化结构，有利于降低大电流密度下的传质阻力，进一步提高燃料电池性能，降低催化剂用量。

双极板（BP）：燃料电池双极板（bipolarplate，BP）的作用是传导电子、分配反应气并带走生

成水，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等；稳定性方面要求双极板在燃料电池酸性（pH=2~3）、电位(E=~1.1V)、湿热（气水两相流，~80℃）环境下具有耐腐蚀性且对燃料电池其他部件与材料的相容无污染性；产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉。

燃料电池双极板

燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心，通常为了满足一定的功率及电压要求，电堆通常由数百

节单电池串联而成，而反应气、生成水、冷剂等流体通常是并联或按特殊设计的方式（如串并联）

流过每节单电池。燃料电池电堆的均一性是制约燃料电池电堆性能的重要因素。燃料电池电堆的均

一性与材料的均一性、部件制造过程的均一性有关，特别是流体分配的均一性，不仅与材料、部件、结构有关，还与电堆组装过程、操作过程密切相关。常见的均一性问题包括由于操作过程生成水累积引起的不均一、电堆边缘效应引起的不均一等。电堆中一节或少数几节电堆的不均一会导致局部单节电压过低，限制了电流的加载幅度，从而影响电堆性能。从设计、制造、组装、操作过程控制不均一性的产生，如电堆设计过程的几何尺寸会影响电堆流体的阻力降，而流体阻力降会影响电堆对制造误差的敏感度。

燃料电池电堆