直接燃料電池

燃料電池是一種能量轉化裝置，它是按電化學原理，即原電池工作原理，等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，因而實際過程是氧化還原反應。燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子，電子經外電路傳導到陰極并與氧化氣結合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質遷移到陽極上，與燃料氣反應，構成回路，產生電流。同時，由于本身的電化學反應以及電池的內阻，燃料電池還會產生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導電子外，也作為氧化還原反應的催化劑。當燃料為碳氫化合物時，陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結構，以便于反應氣體的通入和產物排出。電解質起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導致電池內短路，電解質通常為致密結構 。

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(xù)供給燃料，燃料電池便能連續(xù)發(fā)電，已被譽為是繼水力、火力、核電之后的第四代發(fā)電技術。

直接燃料電池發(fā)電效率高

燃料電池發(fā)電不受卡諾循環(huán)的限制。理論上，它的發(fā)電效率可達到85% ～90%，但由于工作時各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉化效率約為40%～ 60%。若實現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達80%以上。

直接燃料電池環(huán)境污染小

燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時，二氧化碳的排放量比熱機過程減少40%以上，這對緩解地球的溫室效應是十分重要的。另外，由于燃料電池的燃料氣在反應前必須脫硫，而且按電化學原理發(fā)電，沒有高溫燃燒過程，因此幾乎不排放氮和硫的氧化物，減輕了對大氣的污染。

直接燃料電池比能量高

液氫燃料電池的比能量是鎳鎘電池的800倍，直接甲醇燃料電池的比能量比鋰離子電池(能量密度最高的充電電池)高10倍以上。目前，燃料電池的實際比能量盡管只有理論值的10%，但仍比一般電池的實際比能量高很多。

直接燃料電池噪音低

燃料電池結構簡單，運動部件少，工作時噪聲很低。即使在11MW級的燃料電池發(fā)電廠附近，所測得的噪音也低于55dB。

直接燃料電池燃料范圍廣

對于燃料電池而言，只要含有氫原子的物質都可以作為燃料，例如天然氣、石油、煤炭等化石產物，或是沼氣、酒精、甲醇等，因此燃料電池非常符合能源多樣化的需求，可減緩主流能源的耗竭。

直接燃料電池可靠性高

當燃料電池的負載有變動時，它會很快響應。無論處于額定功率以上過載運行或低于額定功率運行，它都能承受且效率變化不大。由于燃料電池的運行高度可靠，可作為各種應急電源和不間斷電源使用。

直接燃料電池易于建設

燃料電池具有組裝式結構，安裝維修方便，不需要很多輔助設施。燃料電池電站的設計和制造相當方便 。

燃料電池是一種電化學的發(fā)電裝置，等溫的按電化學方式，直接將化學能轉化為電能而不必經過熱機過程，不受卡諾循環(huán)限制，因而能量轉化效率高，且無噪音，無污染，正在成為理想的能源利用方式。同時，隨著燃料電池技術不斷成熟，以及西氣東輸工程提供了充足天然氣源，燃料電池的商業(yè)化應用存在著廣闊的發(fā)展前景。

將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的發(fā)電裝置。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運行，具有很高的經濟性。目前實際運行的各種燃料電池，由于種種技術因素的限制，再考慮整個裝置系統(tǒng)的耗能，總的轉換效率多在45%～60%范圍內，如考慮排熱利用可達80%以上。此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運動部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機組安靜。另外電化學反應清潔、完全，很少產生有害物質。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發(fā)展前途的能源動力裝置 。

燃料電池的主要構成組件為：電極（Electrode）、電解質隔膜（Electrolyte Membrane）與集電器（Current Collector）等。

（1）電極

燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應與氧化劑發(fā)生還原反應的電化學反應場所，其性能的好壞關鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。

電極主要可分為兩部分，其一為陽極（Anode），另一為陰極（Cathode），厚度一般為200－500mm；其結構與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結構，所以設計成多孔結構的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結構的的電極，以增加參與反應的電極表面積，而此也是燃料電池當初所以能從理論研究階段步入實用化階段的重要關鍵原因之一。

（2）電解質隔膜

電解質隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導離子，故電解質隔膜越薄越好，但亦需顧及強度，就現(xiàn)階段的技術而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質，目前主要朝兩個發(fā)展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內，另一則是采用全氟磺酸樹脂。

（3）集電器

集電器又稱作雙極板（Bipolar Plate），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導反應氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設計及其加工技術 。

甲醇在送入燃料電池前，會先經過重組器進行甲醇重組反應。且甲醇在-97.0 °C至64.7 °C間皆為液態(tài)，使此種燃料電池可在較低溫度運作，發(fā)電后產生純水和二氧化碳。

直接甲醇燃料電池的工作原理與質子交換膜燃料電池的工作原理基本相同。不同之處在于直接甲醇燃料電池的燃料為甲醇(氣態(tài)或液態(tài))，氧化劑仍為空氣和純氧。直接甲醇燃料電池的工作原理如圖1《DMFC原理圖》所示。其陽極和陰極催化劑分別為Pt-Ru/C(或Pt-Ru黑)和Pt-C。其電極反應為

陽極：CH₃OH H₂O→CO₂ 6H 6e^-

陰極：1.5O₂ 6e^- 6H →3H₂O

電池的總反應為CH₃OH 1.5O₂→2H₂O CO₂

通過熱力學關系和熱力學數(shù)據(jù)，可得到DMFC在標準狀態(tài)下的理論開路電壓(可逆電動勢)為：

E₀=-△G₀/nF=-(-702450)/(6×96500)=1.213V

對于DMFC理論轉換效率，由熱力學數(shù)據(jù)可得η=△G÷△H=-702450÷(-26550)=96.68%

實際上由于電池內阻的存在和電極工作時極化現(xiàn)象的產生，特別是甲醇有較高的氧化過電位，使得電池實際效率和比能量大大降低。

與其他燃料電池相比，盡管DMFC的優(yōu)勢明顯，但其發(fā)展卻比其他燃料電池緩慢，主要原因有如下四個方面：

一是尋求高效的催化劑，提高DMFC的效率。由于甲醇的電化學活性比氫至少低3個數(shù)量級，因而直接甲醇燃料電池需要解決的關鍵技術之一是尋求高效的甲醇陽極電催化氧化的電催化劑，提高甲醇陽極氧化的速度，減少陽極的極化損失，使交換電流密度至少應大于10^-5A·cm^-2。

二是阻止甲醇及中間產物(如CO等)使催化劑中毒。由于甲醇在陽極氧化過程中所生成的中間產物(類似CO的中間產物)會使鉑中毒，故直接甲醇燃料電池大都使用具有一定抗CO中毒性能的鉑-釕催化劑。為了提高甲醇陽極氧化的速度，開發(fā)中的有鉑-釘或其他貴金屬與過渡金屬等所構成的多元電催化劑，新的催化劑應使電池運行千小時的電壓降少于10mV。

三是防止甲醇從陽極向陰極轉移。直接甲醇燃料電池陽極的甲醇可通過離子交換膜向陰極滲透，在氫氧質子交換膜燃料電池中廣泛采用的Nation膜具有較高的甲醇滲透率。甲醇通過離子交換膜向陰極的滲透，不但會降低甲醇的利用率，還會造成氧電極極化的大幅度增加，降低直接甲醇燃料電池的性能。因此，開發(fā)能夠大幅度降低甲醇滲透率的質子交換膜是十分迫切。

四是尋找對甲醇呈惰性的陰極氧還原催化劑，減少滲透到陰極的甲醇造成氧電機的極化。