氫燃料電池的特點、分類及應用
2022-11-14
來源：衣寶廉等著，氫燃料電池[M].北京：化學工業出版社，2021:4-7
作為真正意義上“零排放”的清潔能源，氫燃料電池的發展與應用正受到前所未有的關注。其實，除了質子膜型，燃料電池還有其他類型，下面一起來了解下氫燃料電池的特點、分類及應用。
1.氫燃料電池的特點
與傳統能量轉換技術相比，氫燃料電池技術擁有諸多優勢，因而其有巨大的應用前景。
1.1 效率更高
燃料電池直接將化學能轉換為電能。在理論上它的熱電轉化效率可達85%~90%。但由于電化學反應中存在的各種極化的限制，燃料電池實際工作時的能量轉化效率在40%~60%的范圍內。但若實現熱電聯供，燃料的總利用率可高達80％以上，遠高于傳統內燃機的工作效率。
1.2 環境友好
當采用純氫為燃料時，水是唯一的反應產物，可以實現零污染物排放，而且氫燃料電池發電不經過熱機的燃燒過程，所以它幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物，減輕了對大氣的污染。
1.3 能源安全
氫燃料電池采用氫氣作為燃料。盡管氫氣在自然界中不以游離態的形式存在，但是可以利用本土現有的能源（可再生能源、核能、生物能、煤，或者天然氣）通過水電解過程，或者碳氫化合物重整制得。這可以在很大程度上降低對外部石油能源的依賴。
1.4 結構簡單、噪聲低氫
燃料電池的結構簡單、緊湊。運動部件少，因而它工作時安靜，噪聲很低。
1.5 可靠性高
因為氫燃料電池的運動部件很少，因而也具有很高的可靠性，可作為應急電源和不間斷電源使用。
1.6 兼容性好、規模可調節
燃料電池具有常規電池的積木特性，既可用多臺電池按串聯、并聯的方式向外供電，也可用作各種規格的分散電源和可移動電源。因此氫燃料電池的發電規模通過調整單節電池的數目，可進行規模調節，實現微瓦至兆瓦規模的發電。
2.燃料電池的分類及應用
迄今為止已開發出多種類型的燃料電池。這些燃料電池可根據電池所采用的電解質進行分類。
2.1 堿性燃料電池（alkaline fuel cells，AFC）
在較高溫度（250℃）采用高濃度（85%，質量分數）KOH作為電解質，在較低溫度（<120℃）采用較低濃度（35%~50%，質量分數）KOH作為電解質，儲存在石棉膜中。堿性燃料電池可選擇的電催化劑很多，包括鎳、銀、金屬氧化物等，但是此類堿性燃料電池對CO2的耐受度較差。以KOH為電解質的堿性燃料電池已成功作為Apollo登月飛船和航天飛機的主電源，應用于載人航天飛行，證明了燃料電池高效、高比能量、高可靠性。
2.2 質子交換膜燃料電池(polymer electrolyte membrane or proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)
采用質子交換膜（全氟化磺酸膜或者部分氟化的磺酸型質子交換膜）作為電解質。以富氫氣體為燃料的質子交換膜電池通常采用碳載鉑（直徑3~5nm，質量分數20%、40%Pt/C）作為電催化劑。陽極鉑的擔載量控制在約0.1mg/cm2，陰極鉑的擔載量控制在約0.4mg/cm2。若富氫燃料中含有少量的CO，則氫側的催化劑應該采用鉑釕合金等抗毒化催化劑。質子交換膜燃料電池的工作溫度通常為60~80℃。質子交換膜燃料電池可在室溫快速啟動，并可按負載要求快速改變輸出功率，是電動車、不依賴空氣推進的潛艇動力源和各種可移動電源以及分布式發電設備的最佳候選者。2014年12月豐田汽車推出燃料電池車"Mirai”，拉開了商用燃料電池車的序幕。本田汽車、現代汽車、通用汽車等正在開發燃料電池車用技術。
2.3 直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cells，DMFC)
是質子交換膜燃料電池的一種，它采用氣態或者液態的甲醇/水混合物作為燃料。直接甲醇燃料電池采用循環液態燃料進行反應，不需要額外的設備對電池排出廢熱，是單兵、筆記本電腦等供電的優選小型便攜電源。
2.4 陰離子交換膜燃料電池(alkaline polymer electrolyte membrane or alkaline anion ex-change membrane fuel cells，AEMFC)
以陰離子交換膜作為電解質，其結構與質子交換膜燃料電池類似。但陰離子交換膜在燃料電池中營造出的堿性環境使得非貴金屬催化劑可以應用在低溫燃料電池當中，這有望解決低溫燃料電池貴金屬催化劑成本過高的問題。同時非貴金屬催化劑對富氫燃料中的雜質（如CO，硫化物）有更高的耐受度，從而降低了對富氫燃料純度的要求，進一步降低了成本。近年來陰離子交換膜的研究取得一些進展，但是陰離子交換膜燃料電池在穩定性與運行壽命方面與質子交換膜燃料電池尚有差距。
2.5 磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)
是第一種實現商業化大規模應用的燃料電池。磷酸型燃料電池通常采用儲存于碳化硅材質中的高濃度（約100%）磷酸作為電解質。采用耐酸的納米鉑為電催化劑，操作溫度通常介于150~220℃之間。多組由Inter-national Fuel Cells公司（后為UTC Fuel Cells公司）生產的200kW級磷酸型燃料電池在美國、歐洲各國得以應用。
2.6 熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell，MCFC)
以堿金屬（Li，Na，K)碳酸鹽作為電解質。該燃料電池的操作溫度通常介于600~700℃之間，在此溫度區間內的熔融堿金屬碳酸鹽可實覡碳酸根離子的傳輸，也通常不需要使用貴金屬催化劑。該熔融碳酸鹽燃料電池可采用凈化煤氣或天然氣作燃料，發電功率達1MW以上，適宜于建造區域性分散電站。將余熱發電與利用考慮在內，燃料的總熱電利用效率可達69%~70%。Fuel Cell Energy公司生產的兆瓦級MCFC電站已在韓國進行商業化運行。磷酸燃料電池與熔融碳酸鹽燃料電池的造價高于火電站。
2.7 固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)
以固體氧化物為氧離子載體，如以氧化釔穩定的氧化鋯膜為電解質。該類燃料電池的工作溫度通常介于800~1000℃之間，目前研究以工作溫度700℃的SOFC為主導方向。固體氧化物燃料電池功率可達200kW以上，特別適宜于建造大型、中型電站。固體氧化物燃料電池技術通過熱電聯用，可提高其總的能量利用率。SOFC目前已有不少應用案例，如丹麥Topsoe Fuel Cell公司開發的100kW級固體氧化物燃料電池電站，日本的EnFarm計劃初期產品中，700W的家用燃料電池系統中有部分為固體氧化物燃料電池。
- 包括堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池以及陰離子交換膜燃料電池。
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