燃料电池

1基本原理

普通电池将电池内的化学能转化为电能，燃料电池通过化学变化将电池外的燃料（氢和氧）释放的能量转化为电能。燃料电池外的燃料储存系统是一种可移动的装置，可以很容易地更换和补充燃料。

燃料电池的基本原理是水电解的反应。它由夹在正负中间的正极、负极和电解质组成。工作时向负极供应燃料(氢)，向正极供应氧化剂(气体)，催化剂(如铂)经常用于加速电极上的电化学反应。氢在负极转化为正离子H＋和电子e。氢离子进入电解质，电子沿外部电路移动到正极。电的负荷与外部电路相连。在正极上，空气中的氧和电解质中的氢离子吸收到正极上的电子产生水。

2.燃料电池的类型及其特点

2.1质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCells—PEMFC)

电池电解质为离子交换膜，膜表面涂有可加速反应的催化剂（如铂），两侧各提供氢气和氧气。由于PEM燃料电池唯一的液体是水，腐蚀问题很小，工作温度在80℃之间～100℃之间的安全顾虑较低；缺点是铂作为催化剂价格昂贵。PEMFC是轻型汽车和家庭使用的理想电力能源，可以替代充电电池。22偏碱燃料电池(AlkalineFuelCells—AFC)

碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似，但其电解质是稳定的氢氧化钾基质。操作所需温度不高，转换效率好，催化剂种类多，价格便宜，如银、镍等。然而，在最近的燃料电池开发中，很难成为主要的开发目标，因为电解质必须是液体，燃料必须是高纯氢。目前，这种电池在商业应用中过于昂贵，主要服务于空间研究，包括为太空飞机增加动力和饮用水。

2.3磷酸型燃料电池(PhosphoricAcidFuelCells—PAFC)

因为使用的电解质是100％以磷酸浓度命名。工作温度约为150℃～220℃之间，由于高温，废热可以回收利用。它的催化剂是铂，因此也面临着铂的昂贵问题。到目前为止，燃料电池大多用于大型发电机组，并已商业化生产。然而，高成本是其未能迅速普及的主要原因。

2.4熔化碳酸盐燃料电池电池电池((MoltenCarbonateFuelCells—MCFC)

其电解质为碳酸锂或碳酸钾等碱性碳酸盐。在电极方面，燃料电极和气体电极都使用透气的多孔镍。工作温度约为600℃～700℃，由于温度很高，常温下白色固体碳酸盐熔化为透明液体。这种燃料电池不需要贵金属作为催化剂。由于工作温度高，废热可回收利用，发电效率高达75％～80％，适用于中央集中发电站，目前已应用于日本和意大利。

2.5固体氧化物燃料电池电池电池电池(SolidOxideFuelCells—SOFC)

它的电解质是氧化锆，因为它含有少量的氧化钙和氧化锆，稳定性高，不需要催化剂。一般来说，这种燃料电池的工作温度在1000℃左右，废热可以回收利用。固体氧化燃料电池对所有燃料电池的硫污染有最大的耐受性。由于使用固体电解质，这种电池比熔化碳酸盐燃料电池更持久。效率约为60％上下，可用于工业发电和加热，但也有潜力为车辆提供备用动力。缺点是建造这种电池的耐高温材料很贵。

2.6直接甲醇燃料电池（DirectMethanolFuelCells—DMFC）

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的变异。它直接在阳极中将甲醇转化为二氧化碳和氢，然后氢与氧反应，就像标准的质子交换膜燃料电池一样。该电池工作温度为120℃，高于标准质子交换膜燃料电池，效率约为40℃％上下。其使用的技术仍处于研发阶段，但已成功显示出可用作手机和笔记本电脑的电源。缺点是当甲醇低温转化为氢和二氧化碳时，比传统的质子交换膜燃料电池需要更多的铂催化剂。

2.7再生燃料电池（RegenerativeFuelCells—RFC）

再生燃料电池的概念相对较新，但世界各地的许多研究小组都在从事这项工作。这种电池构建了一个封闭的系统，不需要外界产生氢，而是将燃料电池中产生的水送回以太阳能为动力的电解池，转化为氢和氧，然后送回燃料电池。目前，这种电池的商业开发仍存在成本、太阳能利用稳定性等诸多问题。美国航空航天局（NASA）致力于这种电池研究。

2.8锌空燃料电池(Zinc－airFuelCells—ZAFC)

锌和空气在电解质中的化学变化产生电。锌空气燃料电池最大的优点是能量高。与其他燃料电池相比，锌空气电池可以运行更长的时间。此外，地球上丰富的锌资源使锌空气电池的原材料非常便宜。可用于电动汽车、消费电子和军事领域，前景广阔。目前，MetallicPower和PowerZin