燃料电池

燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的化学装置，也称为电化学发电机。它是继水力发电、继火力发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池通过电化学反应将燃料化学能中的吉布斯自由能部分转化为电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高;此外，燃料电池同时使用燃料和氧气作为机械传动部件，因此没有噪音原料，有害气体的排放也很少；声污染。因此，从节能和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有前途的发电技术。

通过电化学反应将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的发电装置。理论上，燃料电池可以在接近100℃的温度下工作%热效率下运行，具有较高的经济性。目前由于各种技术因素的限制，考虑到整个装置系统的能耗，总转换效率大多为45%～60%在此范围内，如果考虑热量利用，可以达到80%以上。此外，燃料电池装置不包含或包含很少的运动部件，其运行可靠，需要更少的维护，并且比传统的发电机组更安静。此外，电化学反应是清洁的、完全，很少产生有害物质。这些都使得燃料电池被认为是一种很有前途的能源动力装置。

燃料电池是一种电化学发电装置，在等温温度下以电化学方式直接将化学能转化为电能，不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，因此能量转化效率高，无噪音，无污染，正成为一种理想的能源利用方式。同时，随着燃料电池技术的不断成熟和西气东输工程提供的充足天然气源，燃料电池的商业化应用具有广阔的发展前景。

燃料电池是一种能量转换装置，根据电化学原理，也就是原电池的工作原理，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，所以实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解液和外部电路。燃料气体和氧化气体分别从燃料电池的阳极和阴极引入。燃料气体在阳极释放电子，电子通过外电路传导到阴极，与氧化气体结合产生离子。在电场的作用下，离子通过电解质迁移到阳极，与燃气反应形成回路，产生电流。同时，由于自身的电化学反应和电池的内阻，燃料电池也会产生一些热量。电池的阴、阳极和阴极不仅传导电子，还充当氧化还原反应的催化剂。当燃料是碳氢化合物时，要求阳极具有较高的催化活性。阴、阳极和阴极通常是多孔结构，以便于引入反应气体和排出产物。电解质可以转移离子和分离燃料气体、氧化气的作用。为了防止两种气体混合造成电池短路，电解液通常具有致密的结构。

燃料电池的原理是一种电化学装置，其成分与一般电池相同。它的单个电池由正极和负极组成(负电极是燃料电极，正电极是氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是，一般电池中的活性物质都储存在电池中，从而限制了电池容量。而燃料电池的正、负电极本身不包含活性材料，而仅仅是催化转化元件。因此，燃料电池是名副其实的能量转换机，将化学能转化为电能。电池工作时，从外部供给燃料和氧化剂进行反应。原则上，只要不断地输入反应物，不断地排出反应产物，燃料电池就能不断地发电。

燃料电池的主要部件是：电极（electrode）电解质隔膜（Electrolyte   membrane）与集电器（Current   collector）等。

1、电极

燃料电池的电极是发生燃料氧化反应和氧化剂还原反应的电化学反应场所，其性能取决于催化剂的性能、电极材料和电极制造工艺等。

电极可以分为两部分，一部分是阳极（Anode），另一为阴极（Cathode），厚度一般为200－500mm；其结构与一般电池的平板电极不同之处在于燃料电池的电极是多孔的，所以设计多孔结构的主要原因是燃料电池中使用的燃料和氧化剂大部分是气体（例如氧气、氢气等）但是气体在电解液中的溶解度并不高为了提高燃料电池的实际工作电流密度，减少极化，开发了多孔电极，增加参与反应的电极表面积，这是燃料电池能够从理论研究阶段进入实用阶段的重要关键原因之一。

目前，高温燃料电池的电极主要由催化材料制成，如固体氧化物燃料电池（简称SOFC）的Y2O3－stable－ZrO2（简称YSZ）和熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFC）氧化镍电极等而低温燃料电池主要由气体扩散层支撑的催化剂材料薄层组成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极等。

2、电解质隔膜

电解质膜的主要作用是隔离氧化剂和还原剂，传导离子，所以电解质膜越薄越好，但强度也要考虑就目前的技术而言，其厚度一般在几十毫米到几百毫米左右；至于材料，目前主要有两个发展方向一种是先用石棉（asbestos）膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂（LiAlO3）隔膜和其他绝缘材料制成多孔隔膜，然后浸入熔融锂中－钾碳酸盐、氢氧化钾和磷酸等，贴在隔膜孔上，另一种是全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）

3、集电器

集流体也称为双极板（Bipolar   plate），具有收集电流、将氧化剂和还原剂分开、集电器的性能主要取决于其用于转移反应气体的材料特性、流场设计及其加工技术。

碱性燃料电池(AFC)是最早发展起来的燃料电池技术，于20世纪60年代成功应用于航天领域。磷酸型燃料电池(PAFC)也是目前应用最成熟的第一代燃料电池技术，已经进入商业应用和量产。由于成本较高，目前只能作为区域电站现场供电、供热。熔融碳酸燃料电池(MCFC)是第二代燃料电池技术，主要用于设备发电。固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能效和更好的燃气性能、天然气、混合气体和其他燃料气体具有适应性广发展最快应用广泛等突出特点，成为第三代燃料电池。

目前，正在开发的商用燃料电池包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)其能效和能量密度高，体积和重量小，冷启动时间短，运行安全可靠。另外，由于使用的电解质膜是固体，可以避免电解质腐蚀。燃料电池技术的研发取得了很大进展，技术逐渐成熟，并在一定程度上实现了商业化。作为21世纪的高科技产品，燃料电池已经应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业已经引起了世界各国政府的重视。

中国 美国的燃料电池研究始于20世纪50年代末，国内燃料电池研究的第一个高峰出现在70年代，主要是国家投入的用于航空航天的AFC，如氨/空气燃料电池、肼/空气燃料电池、乙二醇/空气燃料电池等.中国 美国燃料电池的研究在20世纪80年代处于低谷20世纪90年代以来，随着国外燃料电池技术的巨大进步，我国形成了新一轮的燃料电池研究热潮.1996年举行的第59届香山科学大会专门进行了讨论“燃料电池的研究现状及未来发展”鉴于国外PAFC技术成熟，进入商品开发阶段，中国重点研发PEMFC、MCFC和SOFC.中国科学院将燃料电池技术列为“九五”国家科委还将包括DAFC在内的燃料电池技术列入了该所的重大专项支持项目“九五”十五”攻关、( 863)973”等重大计划之中。燃料电池的发展是一项庞大的系统工程，“官、产、研”组合是国际燃料电池研发的显著特点，也是必由之路。目前中国政府高度重视，研究单位众多，有多年的人才储备和科研积累，工业部门的兴趣日益增加，需求迫切，这些都为燃料电池在中国的快速发展带来了无限生机.