5种燃料电池技术分析

随着人们对环保问题的关注度日益提升，燃料电池技术得到快速发展。燃料电池主要可分为以下5种：质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)。

01质子交换膜燃料电池(PEMFC)

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一个直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。工作原理图如图1所示。PEMFC发展时间较短，较低的运行温度以及灵活的设计结构使得PEMFC在从移动的汽车电源到一般电源等领域都有着广泛的应用。

图1 PEMFC工作原理图

02磷酸燃料电池(PAFC)

磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell ，简称PAFC）使用液体磷酸为电解质，采用多孔碳负载铂的催化剂做电极，氢气进料到负电极，氧气（或空气）到正电极。其工作原理图如图2所示。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，大概在150~200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，不过由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。

图2 PAFC 工作原理图

03熔融碳酸燃料电池(MCFC)

熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，简称MCFC）是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融态碳酸盐，工作原理图如图3所示。MCFC的优点在于工作温度较高，反应速度加快；对燃料的纯度要求相对较低，可以对燃料进行电池内重整；不需贵金属催化剂，成本较低；采用液体电解质，较易操作。不足之处在于，高温条件下液体电解质的管理较困难，长期操作过程中，腐蚀和渗漏现象严重，降低了电池的寿命。

图3 MCFC工作原理图

04碱性燃料电池(AFC)

碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cells ，简称AFC）使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基(OH-)从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。其工作原理图如图4所示。碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电流密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。

图4 AFC工作原理图

05固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）电解质采用固体氧化物氧离子(O2-)导体，起传递 O2-及分离空气和燃料的双重作用。SOFC工作原理如图5所示。与其他类型燃料电池相比，SOFC燃料适应性强，可以使用一氧化碳、烃类等作为燃料；此外，其电极电解质材料为陶瓷材料，可显著降低燃料电池的成本；电极总体为全固体结构，制造维护成本低，无电极毒化，无漏液腐蚀，工作寿命长。因此，近年来针对SOFC系统的研究逐渐深入，其在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

图5 SOFC工作原理图

06燃料电池的应用

20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。

在所有燃料电池中，碱性燃料电池（AFC）发展速度最快，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水；

质子交换膜燃料电池（PEMFC）已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用；

磷酸燃料电池（PAFC）作为中型电源应用进入了商业化阶段，是民用燃料电池的首选；

熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）也已完成工业试验阶段；

起步较晚的固态氧化物燃料电池（SOFC）作为发电领域最有应用前景的燃料电池，是未来大规模清洁发电站的优选对象，100kW管式SOFC电站已经在荷兰运行，Siemens和三菱重工都进行了SOFC发电系统的试验研究。

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