燃料电池的新进展

早在1839年，英国人W^.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最早的氢-氧燃料电池(FC)。但直到20世纪60年代初，由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。美国矿物能源部长助理克^.西格尔说：“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯^.默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国Arthur D.Little公司最新估计，2000年燃料电池在能源系统市场将提供1 500～2 000MW动力，价值超过30亿美元，车辆市场将超过20亿美元；2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。

燃料电池的工作原理和分类、特点和优势

　　燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。以熔融碳酸盐型燃料电池为例，图1为燃料电池的结构示意图。

图1　熔融碳酸盐燃料电池单电池结构示意图

　　在燃料电池电极上反应如下：
　　阳极反应：H₂+CO₃^2-＝H₂O+CO₂+2e^-
　　阴极反应：1/2O₂+CO₂+2e^-＝CO₃^2-
　　总反应：1/2O₂+H₂＝H₂O
　　燃料电池多种分类。按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型。按电解质种类又可分为磷酸盐型燃料电池(PAFC)--第一代FC；熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)--第二代FC；固体氧化物型燃料电池(SOFC)--第三代FC。表1列出了几种主要类型燃料电池的燃料、电解质、电极和工作温度等基本特点。

表1　燃料电池的分类

类型

磷酸盐型燃料电池(PAFC)

融碳酸盐型燃料电池(MCFC)

固体氧化物型燃料电池(SOFC)

聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)

燃料

煤气,天然气,甲醇等

煤气,天然气,甲醇等

煤气,天然气,甲醇等

纯H2

电解质

磷酸水溶液

KLiCO₃溶盐

ZrO₂-Y₂O₃(8 YSZ)

离子(Na离子)

阳极
电极
阴极

多孔质石墨
(Pt催化剂)
含Pt催化剂+多孔
质石墨+Tefion

多孔质镍
(不要Pt催化剂)
多孔NiO(掺锂)

Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)
LaxSr₁-_xMn(Co)O₃

多孔质石墨或Ni
(Pt催化剂)
多孔质石墨或Ni
(Pt催化剂)

工作温度

-200℃

-650℃

800-1000℃

-100℃