燃料電池最全科普

燃料電池是一種直接將燃料的化學能轉化為電能的裝置。從理論上來講，只要連續供給燃料，燃料電池便能連續發電，已被譽為是繼水力、火力、核電之後的第四代發電技術。那麼，為什麼要研究燃料電池？燃料電池的工作原理是什麼？燃料電池的主要型別有哪些？當前我國燃料電池的現狀及未來研發方向是什麼？下面就由小編帶領大家走進燃料電池的世界。

1.為什麼要研究燃料電池

氫燃料電池具有燃料能量轉化率高、噪音低以及零排放等優點，可廣泛應用於汽車、飛機、列車等交通工具以及固定電站等方面。從燃料電池在載人航天、水下潛艇、分散式電站獲得應用以來，燃料電池一直受到各國政府和企業的關注，在未來煤電佔比相對較低的情況下，由於風能、太陽能等可再生能源技術規模的增大，整個上游的電源結構會越來越清潔。與目前許多發電廠和乘用車使用的傳統燃燒技術相比，燃料電池有幾個優點：

第一，發電效率高達50%～60%，假如能夠結合形成迴圈發電系統，其發電效率可以高達70%以上；

第二，相比於傳統的火力發電，燃料電池對環境的汙染程度更低；

第三，燃料電池因為內部構件少，在執行過程中不會產生較大的噪聲，一般噪聲為50dB～70dB。

2.工作原理及系統組成

2.1工作原理

燃料電池發電原理與原電池或二次電池相似，電解質隔膜兩側分別發生氫氧化反應與氧還原反應，電子透過外電路作功，反應產物為水（圖 1）。但與原電池不同的是，燃料電池中的反應物並非預先儲存於電池內部，而是在發生反應時通入燃料氣和氧化氣反應後並排出生成物，因此，燃料電池並非能量儲存裝置而屬於轉化裝置，在反應過程中其電極和電解質並未直接參與到反應中。

圖1 燃料電池工作原理

2.2系統組成

燃料電池發電需要有一相對複雜的系統（圖2），除了燃料電池電堆外，還包括燃料供應子系統、氧化劑供應子系統、水熱管理子系統及電管理與控制子系統等，其主要系統部件包括空壓機、增溼器、氫氣迴圈泵、高壓氫瓶等，這些子系統與燃料電池電堆（或模組）組成了燃料電池發電系統。燃料電池系統的複雜性給執行的可靠性帶來了挑戰。

圖2 燃料電池系統組成

燃料電池堆

燃料電池堆是燃料電池動力系統的核心。它透過燃料電池中的電化學反應產生直流電（DC）。單個燃料電池產生的電流小於1v，因此，單個的燃料電池通常被串聯成一個燃料電池堆，一個典型的燃料電池堆可能由數百個燃料電池組成。燃料電池產生的能量取決於幾個因素，如燃料電池型別、電池尺寸、工作溫度和供應給電池的氣體壓力。

燃料處理器

燃料處理器將燃料轉換成燃料電池可用的形式。根據燃料和燃料電池型別的不同，燃料處理器可以是一個簡單的去除雜質的吸附劑床，或多個反應堆和吸附劑的組合。

功率調節器

功率調節包括控制電流（安培數）、電壓、頻率等電流特性，以滿足應用的需要。燃料電池以直流電（DC）的形式發電。在直流電路上，電子只向一個方向流動。如果燃料電池被用來為使用交流電的裝置供電，則必須將直流電轉換為交流電。

空氣壓縮機

燃料電池效能隨著反應物氣體壓力的增加而提高；因此，許多燃料電池系統都包括一個空氣壓縮機，它可以將進口空氣壓力提高到環境大氣壓力的2

～

4倍。對於運輸應用，空壓機的效率應至少達到75%。在某些情況下，還包括一個膨脹器，以從高壓廢氣中恢復電力。擴充套件機效率應至少達到80%。

增溼器

PEM燃料電池的核心聚合物電解質膜在乾燥時不能很好地工作，因此許多燃料電池系統都為進氣口安裝了加溼器。加溼器通常由一層薄膜組成，該薄膜可以由與PEM相同的材料製成。透過在加溼器的一側流動乾燥的進口空氣和在另一側流動潮溼的排氣空氣，燃料電池產生的水可以被迴圈利用，以保持PEM良好的水化。

2.3 關鍵材料與部件

聚合物電解質膜（PEM）燃料電池是當前燃料電池汽車應用研究的熱點。PEM燃料電池由幾層不同的材料製成。PEM燃料電池的主要部件如圖3所示。PEM燃料電池的核心是膜電極元件（MEA），包括膜、催化劑層和氣體擴散層（GDLs）。硬體元件用於一個意味著合併到燃料電池包括墊片，它提供一個密封是防止洩漏的氣體，和雙相鋼板，用於組裝個人PEM燃料電池與燃料電池堆疊和提供氣體燃料和空氣的通道。

圖3 關鍵材料與部件

催化劑

（catalyst）是燃料電池的關鍵材料之一，其作用是降低反應的活化能，促進氫、氧在電極上的氧化還原過程、提高反應速率。由於氧還原反應（ORR）交換電流密度低，是燃料電池總反應的控制步驟。目前，燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C，由Pt的奈米顆粒分散到碳粉（如XC-72）載體上的擔載型催化劑。

質子交換膜

是一種聚合物電解質膜，在燃料電池中起著傳導質子、隔離陰極和陽極反應物的重要作用，在製備CCM型膜電極時也被作為催化劑支撐體，是燃料電池的核心器件，也是決定燃料電池效能、壽命及成本的關鍵部件。在實際應用中，要求質子交換膜具有高的質子傳導率和良好的化學與機械穩定性。

膜電極元件

（membrane electrode assembly MEA）是集膜、催化層、擴散層於一體的組合件，也是燃料電池的核心部件之一。目前，國際上已經發展了3代MEA技術路線（圖4）。其中第一代、第二代技術已基本成熟，國內新源動力、武漢新能源等公司均可以提供膜電極產品。第三代有序化膜電極技術國內外還處於研究階段。

圖4 MEA製備技術路線

燃料電池雙極板

的作用是傳導電子、分配反應氣並協助排出生成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導體、具有一定的強度以及氣體緻密性等；從效能的穩定性方面要求雙極板在燃料電池酸性（pH=2～3）、電位（～1。1 V）、溼熱（氣水兩相流，～80℃）環境下具有耐腐蝕性且對燃料電池其他部件與材料的相容無汙染性，具有一定的憎水性協助電池生成水的排出；從產品化方面要求雙極板材料要易於加工、成本低廉。燃料電池常採用的雙極板材料包括硬碳板、複合雙極板、金屬雙極板3大類。

燃料電池電堆

（Fuel Cell Stack）是燃料電池發電系統的核心。通常為了滿足一定的功率及電壓要求，電堆通常由數百節單電池串聯而成，而反應氣、生成水、冷劑等流體通常是並聯或按特殊設計的方式（如串並聯）流過每節單電池。燃料電池電堆的均一性是制約燃料電池電堆效能的重要因素。

3.燃料電池的主要型別

通常情況下，燃料電池可以分為磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、鹼性燃料電池、質子交換膜燃料電池、溶酶碳酸鹽燃料電池等，如表1所示。近年來，隨著對燃料電池研究的日益深入，逐漸誕生了直接碳燃料電池、微生物燃料電池、直接甲醇燃料電池、葡萄糖/O2酶燃料電池等等。在上述種類中，最早被開發的燃料電池為磷酸燃料電池和鹼性燃料電池，也被稱為第一代燃料電池，發展至今已經擁有較為成熟的技術。而第二代燃料電池為熔融碳酸鹽燃料電池，第三代燃料電池為固體氧化物燃料電池。

表1 燃料電池分類

4.當前現狀及未來研發方向

我國在整車、系統和電堆方面均已有所佈局，但零部件方面的相關企業仍較少，特別是最基本的關鍵材料和部件，如質子交換膜、碳紙、催化劑、空壓機、氫氣迴圈泵等；國內雖有相關企業開始介入，但與國際先進產品相比，可靠性和耐久性仍存在較大差距，大部分關鍵零部件及關鍵材料仍依賴進口。

燃料電池汽車雖然發展迅速，但從商業化要求角度，中國車用燃料電池技術上仍然存在一定差距，未來需加強對以下幾個方面的佈局：

1）提高燃料電池電堆效能與比功率。

目前，國內燃料電池車電堆的功率級別還普遍偏低。國內車用燃料電池堆主要以30～50 kW為主，與國際上乘用車的燃料電池功率級別100 kW左右相差甚遠。

2）提高燃料電池的耐久性。

提高燃料電池堆及系統的耐久性，是燃料電池商業化的前提。目前，提高系統控制策略是提高燃料電池車耐久性的有效途徑之一。

3）降低燃料電池的成本。

建議要發展低成本的材料與部件，例如低Pt催化劑與膜電極、低成本的雙極板和系統部件，並實現量產，以降低電堆與系統成本。

4）加強關鍵材料與核心部件批次生產技術。

這嚴重製約了我國氫能燃料電池產業的自主可控發展，加強上述關鍵材料核心部件的技術轉化，加快形成具有完全自主智慧財產權的批次製備技術和建立產品生產線，全面實現關鍵材料核心部件的國產化與批次生產。

參考文獻

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