燃料電池

　　燃料電池由陽極、陰極和離子導電的電解質構成，工作原理與普通化學電池類似，燃料電池在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極用過負載流向陰極構成回路，產生電流。

圖示：燃料電池原理示意圖

01根據電解質的種類可分為

　　1. 堿性燃料電池(AFC)

　　氫-氧燃料電池反應原理是電解水的逆過程。采用氫氧化鈉溶液作為電解液，這種電解液效率很高(可達60%~90%)，但對影響純度的雜質，如二氧化碳很敏感。因而運行中需采用純態氫氣和氧氣。這一點限制了將其應用于宇宙飛行及國際工程等領域。

　　2. 聚合物離子膜燃料電池(PEMFC)

　　聚合物離子膜燃料電池原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當于一直流電源，陽極即電源負極，陰極即電源正極。采用極薄的塑料薄膜作為其電解質，這種電解質具有高功率一重量比和低工作溫度，是適用于固定和移動裝置的理想材料。

　　3. 磷酸燃料電池(PAFC)

　　磷酸燃料電池中采用的是100%磷酸電解質，其常溫下是固體，相變溫度是42℃。很適合用于分散式的熱電聯產系統。

　　4. 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

　　熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構成的燃料電池。其電解質是熔融態碳酸鹽。工作溫度高達650℃，這種電池效率很高，但材料需求的要求也高。

　　5. 固體氧化物燃料電池(SOFC)

　　固體氧化物燃料電池屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。

02按燃料類型

　　可分為直接式、間接式和再生式。

　　直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型;

　　間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池;

　　再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學燃料電池等。

03按燃料類型

　　把堿性燃料電池(AFC，工作溫度為100℃)、固體高分子型質子膜燃料電池(PEMFC，也稱為質子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內)稱為低溫燃料電池;

　　把磷酸型燃料電池(PAFC，工作溫度為200℃)稱為中溫燃料電池;

　　把熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC，工作溫度為650℃)和固體氧化型燃料電池(SOFC，工作溫度為1000℃)稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質量排氣而進行聯合開發的燃料電池。

04按開發早晚順序

　　把PAFC稱為第一代燃料電池，把MCFC稱為第二代燃料電池，把SOFC稱為第三代燃料電池。這些電池均需用可燃氣體作為其發電用的燃料。

01燃料電池優勢

　　1、能量轉換效率高。燃料電池能量轉換效率比熱機和發電機能量轉換效率高得多。目前汽輪機或柴油機的效率最大值為40%~50%，當用熱機帶動發電機時，其效率僅為35%~40%，而燃料電池的有效能效可達60%~70%，其理論能量轉換效率可達90%。其他物理電池，如溫差電池效率為10%，太陽能電池效率為20%，均無法與燃料電池相比。

　　2、污染小、噪聲低。燃料電池作為大中型發電裝置使用時其突出的優點是減少污染排放。對于氫燃料電池而言，發電后的產物只有水，可實現零污染。另外，由于燃料電池無熱機活塞引擎等機械傳動部分，故操作環境無噪聲污染。

　　3、 高可靠性。燃料電池發電裝置由單個電池堆疊至所需規模的電池組構成。由于這種電池組是模塊結構，因而維修十分方便。另外，當燃料電池的負載有變動時，它會很快響應，故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。這種優良性能使得燃料電池在用電高峰時刻作為調節的儲能電池使用。

　　4、比能量或比功率高。

　　5、 適用能力強。燃料電池可以使用多種多樣的初級燃料，如天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油;也可以使用發電廠不宜使用的低質燃料，如褐煤、廢木、廢紙，甚至城市垃圾，但需經專門裝置對它們重整制取。雖然燃料電池有上述種種優點，然而由于技術問題，至今一切已有的燃料電池均還沒有達到大規模民用商業化程度。為此，美、日等國相繼撥出巨資來發展燃料電池。

02燃料電池不足

　　1、 燃料電池造價偏高：車用PEMFC之成本中質子交換隔膜(USD300/m2)約占成本之35%;鉑觸媒約占40%，二者均為貴重材料。

　　2、 反應/啟動性能：燃料電池的啟動速度尚不及內燃機引擎。反應性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應控制參數來達到，但提高穩定性則必須避免副反應的發生。反應性與穩定性常是魚與熊掌不可兼得。

　　3、碳氫燃料無法直接利用：除甲醇外，其它的碳氫化合物燃料均需經過轉化器、一氧化碳氧化器處理產生純氫氣后，方可供現今的燃料電池利用。這些設備亦增加燃料電池系統之投資額。

　　4、氫氣儲存技術：FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主，車體的載運量因而受限，每次充填量僅約2.5~3.5公斤，尚不足以滿足現今汽車單程可跑480~650公里的續航力。以-253℃保持氫的液態氫系統雖已測試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫，使氫維持于液態，且從隙縫蒸發而流失的氫氣約為總存量的5%。

　　5、氫燃料基礎建設不足：氫氣在工業界雖已使用多年且具經濟規模，但全世界充氫站數量有限，仍值示范推廣階段。此外，加氣時間頗長，約需時5分鐘，尚跟不上工商時代的步伐。

　　燃料電池經過長時間的發展，已經實現了在航天飛機、宇宙飛船及潛艇等特殊領域的應用。而民用方面由于受壽命與成本的制約，至今在電動汽車、電站、便攜式電源或充電器等行業還處于示范階段。未來燃料電池的發展也受到一些技術問題的制約，這些問題主要有：氫氣儲存技術、燃料電池造價高、氫燃料基礎建設不足等。在國內外各界的積極努力下，高能效、環境友好的燃料電池技術，一定會為整個能量轉化技術體系做貢獻。