燃料电池的关键技术探讨

陈少峰，侯兰凤

（茂名职业技术学院，广东 茂名 525000）

在环保压力日益严重情况下，人们更加注重低碳排放，燃料电池具有能量转化率高以及零排放等特点，成为各个国家的新型能源发展项目。燃料电池可理解为电池，然而与锂电池以及干电池等传统电池不同，是将氢气、甲醇以及乙醇等作为发电燃料，在电池装置内部注入燃料，并借助系列化学反应，转化为电能。

1 燃料电池概述

燃料电池属于将化学能变为电能的电力装置，其优点在于噪音低、污染小以及能量转化率高等。能够以独立单元的方式进行发电，也能通过串联的方式组成发电站进行发电，可安装在汽车、飞船等需要的地方。研究者对其保持着高度关注，其对人类未来的生活有着极大影响。燃料电池根据其工作温度，在高于500 ℃时可以划分为高温类型，在150～500 ℃范围内时可以划分为中温类型，在低于150 ℃时可以划分为低温类型。当前研究开发的五种燃料电池技术，①MCFC，其属于高温型；②SOFC，其属于高温型；③PAEC，其属于中温型；④AFC 其属于低温型；⑤PEMFC，其属于低温型。

2 燃料电池的结构和原料

2.1 熔融碳酸盐电池

对于MCFC 电池，其运行温度为650℃，其工作原理是借助甲醇、煤气、天然气和丙烷制氢，并通过空气中O2与内部循环的CO2、H2发生一定反应，其燃料极化学反应方程式为H2+CO32-→H2O+CO2+2e-，其空气极反应是2CO2+O2+4e-→CO32-。MCFC 的特点就是能够将煤气作为燃料，能够对几千KW 级发电厂或是百万kW 级火力发电设备进行有效替换，可以在煤气站中安装应用，借助煤气燃料实现发电。另外，熔融碳酸盐属于一种强腐蚀介质，会对电池材料造成一定腐蚀，尤其对于空气极NiO 有着较强的腐蚀性。

2.2 磷酸型燃料电池

对于PAFC，其工作原理是对丙烷、天然气以及甲醇等进行重整制氢，并由空气提供O2，其燃料极反应是H2→2H++2e-，其空气极的反应是1/2O2+2H++2e-→H2O。当前，对于3600～8000 cm2级的PAFC，其电流密度能够达到200～300 mA/cm2，其功率密度能够达到0.13～0.22 W/cm2，对于单电池容量是670 kW 的PAFC，其发电规模功率能够达到11 MW。在电力生产中，PAFC 属于重要技术，在其商业化发展中，需要保证其更加小型化、提高稳定与可靠性能高，将经济性与可靠性作为PAFC 电池的研发重点。

2.3 质子交换膜电池

对于PEMFC，其工作温度为80 ℃左右，若是将阳离子膜设定为氢离子的传导体，则其工作原理和PAFC一致，若是借助阴离子膜进行氢离子传导，则其工作原理核AFC 一致。PEMFC 的结构、材料等，与AFC 和PAFC基本一致，不同之处在于，其离子交换膜需要具备交换浓度高、膜厚度小、耐久性强以及机械强度高等特点。在20 世纪50 年代，由美国GE 公司所研发，并在飞船上得到广泛应用。选用汽车燃料电池，则PEMF 是首选。

2.4 碱性燃料电池

对于AFC，其原理为借助纯H2和没有CO2空气中O2形成电极反应，其燃料极为H2+2OH-→2H2O+2e-，其空气极为1/2O2+H2O+2e-→2OH-。AFC 的空气极与燃料极均为Ag 和Pt 的催化剂，其运行温度低于100 ℃，在航天飞行器及其他特殊用途中有着广泛应用，然而由于KOH 能够对空气中CO2进行吸收，对电池性能造成一定影响，需要合理设置CO2去除装置，然而会使其成本提高，成为限制AFC 发展的重要因素。

2.5 固态氧化物电池

对于SOFC，其运行温度是100 ℃，工作原理是借助甲醇、天然气以及煤气等制氢，燃料极H2+O2-→H2O+2e-，其空气极为1/2 O2+2e-→O2-。SOFC 能够对自身结构进行简化，并未应用贵重金属进行电极设置，然而，当前一般借助空气极掺杂着一些Ag 粉末，使其导电性能得到充分优化，使O2还原的速度加快。

3 铂基催化剂

3.1 Pt-M 催化剂

铂和过渡金属合金催化剂，能有效提升稳定性，同时能够提升质量比活性。另外，能够使贵金属用量得到有效控制，进而减少催化剂成本。Pt-Ni/C 以及Pt-Co/C 等，其良好的稳定性及活动。Pt3Pd/C 催化剂，在FC电堆中已经进行了验证，其性能能够达到商品化要求。对此种催化剂，需要对电池在工况条件中过渡金属溶解进行有效解决，金属溶解会对催化剂活性产生一定抑制作用，需要对其稳定性加强研究。

3.2 Pt 核壳催化剂

借助壳是表面贵金属、核是非Pt 材料的结构，能够使Pt 用量得到有效控制。Pt@Pd-Co/C 催化剂，与商业Pt/C 催化剂相比，其质量比活性为3 倍，Pt@Cu-Co/C 催化剂是其质量比活性的4 倍。将Pt3Co 作为核，2 个原子层厚度Pt 作为壳的纳米颗粒，其面积比活性与质量比活性分别提升了3 倍与2 倍，反应后其核壳结构并未出现变化。

3.3 Pt 单原子层催化剂

运用该催化剂，能够使Pt 利用效率得到充分提高，同时，能够使其ORR 性能方式得到充分优化。通过将金属氮化物作为核的Pt 单层催化剂，其稳定性十分突出，并且能够使Pt 得到充分利用。

4 固态电解质膜

碳氟主链具有疏水性，其-SO3H 具有亲水性，因此，在膜内会形成微相分离，在膜处于湿润状态时，其亲水相会相互聚集，产生离子簇网络。对于全氟磺酸膜，Nafion、与其相似的Aciplex、Flemion 膜与武汉理工的复合膜较为常用。

当前，在质子交换膜中，其更趋向于薄型化方向发展，其厚度仅为十几微米，使其性能得到有效提升。然而，薄膜的耐久性会受到一定影响，特别在均质膜中，经过长时间运行之后，会发生化学降解以及机械损伤等问题，并且其在温度、干湿度等操作环境中，会使这些问题加剧。对此，需要在保证电池性能不发生变化的同时，可以通过复合膜研究，增强其耐久性。

5 燃料电池电堆

对于燃料电池电堆，是燃料电池中的核心部分。一般为了使电压、功率等要求得到充分满足，电堆一般通过对数百节单电池进行串联而成，其冷剂、生成水以及反应气等，借助并联或是根据特殊方式经过所有单节电池。电堆具有一定均一性，使其性能受到一定影响。另外，材料均一性与部件制造均一性是电堆均一性的主要原因，尤其在流体分配均一性方面，与结构、材料、部件、电堆组装以及操作等有着密切关联。由电堆边缘效应以及生成水积累所引起的不均一问题较为常见。对于电堆中一节、多节若是存在不均一问题，则会对局部的单节电压造成影响，进而影响电堆整体性能，应该在设计、制造以及组装等各个环节中对其不均一性进行有效控制，比如，在电堆设计中，几何尺寸会对流体阻力降造成影响，而阻力降会能够对制造误差敏感度造成影响。如图1 所示。

图1 燃料电池电堆

6 膜电极组件

对于MEA，其属于扩散层、催化层以及膜融合的组合件，自燃料电池中有着核心作用。膜处于中间位置，两侧分别是阳极扩散层以及阴极催化层，借助热压方法使其充分粘接。当前，MEA 技术历经出现三代，一是将催化层向扩散层中进行制备，采用丝网印刷法较多。二是将催化剂层在膜上制备，该方法能够使催化剂有效提升耐久性以及利用率。三是MEA 有序化，将Pt 等催化剂向有序化的纳米结构上制备，可降低催化剂的用量，促使燃料电池的性能得到有效提升。

7 双极板

在燃料电池中，双极板的作用就是分配反应气、带走生成水等，以功能角度分析，双极板材料应该是电、热良导体、具有气体致密性以及一定强度。在稳定方面，双极板在pH 为2.2 左右、电位时E=-1.1V 环境中的耐腐蚀性良好，并且在与其他材料、部件相融时，没有污染性。在产品化方面，双极板应该具备成本低廉以及易于加工等特点。在燃料电池中，金属双极板、石墨碳板以及符合双极板是较为常用的类型。在不同的应用方向中，其对功率功率密度有着不同要求，比如，在车辆尤其是轿车中，由于空间限制，要求其功率密度较高，因此，当前在此方面的热点技术为薄金属板，在企业公司中得到广泛应用。对于金属双极板，其难点在于表面处理以及成型等技术，当前，将Ti、不锈钢等非贵金属作为基材，并辅以表面的处理技 术属于热点研究对象，其主要内容涵盖筛选耐腐蚀、导电性能兼具的涂层材料以及稳定制备技术。对于表面处理的材料，可以将其分为碳与金属两种类型，其中金属类涵盖技术化合物与贵金属。贵金属涵盖铂、金以及银等，虽然其成本较高，然而其接触电阻与石墨相似、耐腐蚀性较强，可以在特殊领域中积极应用，为了有效控制成本，应该尽量减小处理层厚度，然而需要防止针孔问题。

8 结 语

综上所述，当前，燃料电池电池的主要技术有PAFC、MCFC、SOFC、AFC 及PEMFC 五种不同类型，在应用过程中能够实现高效率的能量转化，是氢能、应用转化的重要手段。