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燃料电池的发展缘由及种类

化石燃料的需求量随着工业化进程加快而激增，但其储藏量却有限。寻求来源广阔、高效清洁的能源来满足自身可持续发展的需要，逐步变成世界密切关心的议题。而燃料电池能量转换效率高、环保效益良好，可实现模块化组装，是未来电力市场不可或缺的绿色发电技术。它突破了XX循环的限制，能量转化效率可达50% ～80%，且这类电池燃料来源广泛，产物清洁环保，对环境无任何污染，是一种可同时兼顾能源和环境问题的先进技术。燃料电池作为核心动力装置可广泛应用于便携式设备、发电站、汽车等领域。

通常情况下，燃料电池可以分为磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、溶酶碳酸盐燃料电池等。近年来，随着对燃料电池研究的日益深入，逐渐诞生了直接碳燃料电池、微生物燃料电池、直接甲醇燃料电池、葡萄糖/O2 酶燃料电池等等。在上述种类中，最早被开发的燃料电池为磷酸燃料电池和碱性燃料电池，也被称为第一代燃料电池，发展至今已经拥有较为成熟的技术。而第二代燃料电池为熔融碳酸盐燃料电池，第三代燃料电池为固体氧化物燃料电池。以下重点探究几种典型的燃料电池：

1 质子交换膜燃料电池( PEMFC)

PEMFC 采用水基酸性聚合物作为电解质、铂作为催化剂，是当前燃料电池汽车和物料搬运车的首选技术路线。相较其它电池，其特点为运行温度相对较低( 一般低于100℃) ，同时可以根据需要灵活调整电堆输出功率。但因相对低的启动温度并采用贵金属基电极，这类电池必须使用高纯度的氢。为克服高纯度氢气需求限制，目前PEMFC 出现高温型技术路线，其原理为将水基电解质变成无机酸基电解质，该类电池运行温度可以高达200℃，对氢气的纯度要求较低，但又有能量密度较低的弊端。

2 甲醇燃料电池( DMFC)

DMFC 是相对较新的技术，由美国NASA 和喷气式推进实验室在90 年代发现。与PEMFC 电池一样需要使用聚合物膜( 如全氟磺酸) 作为电解质，不同点为其采用铂－ 钌催化剂，燃料可以是氢也可以是液态甲醇，因此被称作直接甲醇燃料电池。甲醇具有相对高的能量密度，很容易运输和存储。基于其运行温度60 ～ 130℃，效率60% 左右，直接甲醇燃料电池主要应用方向为电子产品、移动充电宝、物料搬运车等领域。

3 固体氧化物燃料电池( SOFC)

SOFC 采用固体陶瓷作为电解质( 例如氧化锆－氧化钇) ，运行温度非常高，最高运行温度高达800 －1 000℃，对铂催化剂依赖较小，可采用多种碳氢化合物燃料( 甲烷、煤气等) 。其能量转换效率超过60%，如果放出的热量能够被回收利用，转化率则可高达80%。但受限于启动时间长，很难应用于汽车领域。固体燃料电池在大型、小型固定式热电联产发电站中应用较多，例如Bloom 的100 kW 离网发电站。此外，输出功率kW 级的管状固体燃料电池还成功应用在便携式充电装置领域。

4 碱性燃料电池( AFC)

AFC 采用如氢氧化钾、碱性聚合物之类的碱性电解质，要求高纯度氢，运行温度70℃左右。最先被NASA 应用在航天器上用于生产电能和水的电池，很少被应用于商业领域。其优点是可采用非贵金属作为催化剂( 镍最常见) ，转换效率可高达60%。

5 熔融碳酸盐燃料电池( MCFC)

MCFC 采用附着在多孔陶瓷上的熔融碳酸盐( 包括碳酸锂、碳酸钾及碳酸锂) 作为电解质。运行温度高达650℃，具备三大优点: 1) 对贵金属催化剂的依赖较低; 2) 比起低温电池，可减少催化剂中毒概率;3) 可以使用多种燃料( 例如煤气、甲烷等) ; 缺点是存在高温腐蚀。目前，MCF 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 不断进行技术提升和创新，加快政策法规的完善，加大公众认知度的宣传等。国内政策指定者和汽车企业管理者需合力支持燃料电池汽车技术的研发和示范，促进氢能经济和氢能社会的实现。

参考文献：

[1]陈某某,郑某某,祝某某.燃料电池发电技术的发展现状与应用研究[J].新型工业化,2019,9(9):106-110

[2]冯某某,董某某,宗某某.燃料电池产业发展现状及趋势分析[J].化工时刊,2018,32(11):24-27,37

[3]温某某.燃料电池的研究现状及进展[J].现代化工,2019,39(7):66-70

[4]囤金军,宋某某.燃料电池的发展现状[J].科学评价,2020,(3):52-53

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