直接燃料電池原理和發(fā)展

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學(xué)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實(shí)際過程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)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(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質(zhì)遷移到陽極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。同時(shí)，由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導(dǎo)電子外，也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飼r(shí)，陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)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(dǎo)致電池內(nèi)短路，電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu) 。

燃料電池是一種電化學(xué)的發(fā)電裝置，等溫的按電化學(xué)方式，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不必經(jīng)過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)限制，因而能量轉(zhuǎn)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(shí)，隨著燃料電池技術(shù)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(yīng)用存在著廣闊的發(fā)展前景。

將燃料與氧化劑的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)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(yùn)行，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。目前實(shí)際運(yùn)行的各種燃料電池，由于種種技術(shù)因素的限制，再考慮整個(gè)裝置系統(tǒng)的耗能，總的轉(zhuǎn)換效率多在45%～60%范圍內(nèi)，如考慮排熱利用可達(dá)80%以上。此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組安靜。另外電化學(xué)反應(yīng)清潔、完全，很少產(chǎn)生有害物質(zhì)。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(dòng)力裝置 。

燃料電池的主要構(gòu)成組件為：電極（Electrode）、電解質(zhì)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(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所，其性能的好壞關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)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(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應(yīng)的電極表面積，而此也是燃料電池當(dāng)初所以能從理論研究階段步入實(shí)用化階段的重要關(guān)鍵原因之一。

（2）電解質(zhì)隔膜

電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強(qiáng)度，就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質(zhì)，目前主要朝兩個(gè)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(nèi)，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(dǎo)反應(yīng)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(shè)計(jì)及其加工技術(shù) 。

燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(yù)為是繼水力、火力、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。

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(dá)到85% ～90%，但由于工作時(shí)各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%～ 60%。若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)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(shí)，二氧化碳的排放量比熱機(jī)過程減少40%以上，這對(duì)緩解地球的溫室效應(yīng)是十分重要的。另外，由于燃料電池的燃料氣在反應(yīng)前必須脫硫，而且按電化學(xué)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(duì)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(shí)際比能量盡管只有理論值的10%，但仍比一般電池的實(shí)際比能量高很多。

直接燃料電池噪音低

燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)部件少，工作時(shí)噪聲很低。即使在11MW級(jí)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(duì)于燃料電池而言，只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料，例如天然氣、石油、煤炭等化石產(chǎn)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(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動(dòng)時(shí)，它會(huì)很快響應(yīng)。無論處于額定功率以上過載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受且效率變化不大。由于燃料電池的運(yùn)行高度可靠，可作為各種應(yīng)急電源和不間斷電源使用。

直接燃料電池易于建設(shè)

燃料電池具有組裝式結(jié)構(gòu)，安裝維修方便，不需要很多輔助設(shè)施。燃料電池電站的設(shè)計(jì)和制造相當(dāng)方便 。

甲醇在送入燃料電池前，會(huì)先經(jīng)過重組器進(jìn)行甲醇重組反應(yīng)。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(yùn)作，發(fā)電后產(chǎn)生純水和二氧化碳。

直接甲醇燃料電池的工作原理與質(zhì)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(yīng)為

陽極：CH₃OH H₂O→CO₂ 6H 6e^-

陰極：1.5O₂ 6e^- 6H →3H₂O

電池的總反應(yīng)為CH₃OH 1.5O₂→2H₂O CO₂

通過熱力學(xué)關(guān)系和熱力學(xué)數(shù)據(jù)，可得到DMFC在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論開路電壓(可逆電動(dòng)勢)為：

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

對(duì)于DMFC理論轉(zhuǎn)換效率，由熱力學(xué)數(shù)據(jù)可得η=△G÷△H=-702450÷(-26550)=96.68%

實(shí)際上由于電池內(nèi)阻的存在和電極工作時(shí)極化現(xiàn)象的產(chǎn)生，特別是甲醇有較高的氧化過電位，使得電池實(shí)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(gè)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(xué)活性比氫至少低3個(gè)數(shù)量級(jí)，因而直接甲醇燃料電池需要解決的關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)大于10^-5A·cm^-2。

二是阻止甲醇及中間產(chǎn)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(chǎn)物(類似CO的中間產(chǎn)物)會(huì)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(gòu)成的多元電催化劑，新的催化劑應(yīng)使電池運(yùn)行千小時(shí)的電壓降少于10mV。

三是防止甲醇從陽極向陰極轉(zhuǎn)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(zhì)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(huì)降低甲醇的利用率，還會(huì)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(zhì)子交換膜是十分迫切。

四是尋找對(duì)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(jī)的極化。