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来源：洁清能源
谈到燃料电池，大家并不陌生。燃料电池是利用氢能的一条理想途径，全球主要国家都高度重视氢能与燃料电池的发展。近年来，燃料电池也得到了飞速的发展，电池性能得到大幅提升。氢能汇记者将详细为您解读不同燃料电池技术的特色，分析每种燃料电池技术未来发展的可能性。
所谓燃料电池，就是通过化学反应，将燃料及氧化剂中蕴含的化学能转换为电能的装置。当然，这个燃料可以是很多物质。只不过由于氢气的综合适用性较好，现在大家提起燃料电池，一般指的是氢气燃料电池。燃料电池的基本结构主要是由四部分组成，分别为阳极、阴极、电解质和外部电路。通常阳极为氢电极，阴极为氧电极。阳极和阴极上都需要含有一定量的电催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应，两电极之间是电解质。在反应原理上也很好理解，可以概括为下图所示的5个步骤。第二步——催化：进入到阳极的氢气与涂抹在阳极上的催化剂发生反应，开始释放电子并形成带正电荷的氢离子。第三步——运动：带正电荷的氢离子穿越电解液到达阴极。第四步——放电：由于产生的电子不能穿过电解液，直接进入图4环节，形成电流。第五步——排水：在阴极加入氧气，也在催化剂的作用下，与穿越到阴极的氢离子发生反应，直接形成水排出。氢燃料电池与常见的锂电池不同，系统更为复杂，主要由电堆和系统部件（空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶）组成。电堆是整个电池系统的核心，包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的耐久性（与其他性能）决定了电堆的使用寿命和工况适应性。近年来，氢燃料电池技术研究集中在电堆、双极板、控制技术等方面。燃料电池电堆是燃料电池汽车产业的心脏，成本占据燃料电池系统成本60%以上，且技术门槛较高。燃料电池电堆主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板，以及其他结构件如密封件、端板和集流板等组成。电堆4个部件存在的问题、优化方向、预估性能提升率与未来发展趋势
为了维持电堆的正常工作，氢燃料电池系统还需要氢气供应系统、水管理系统、空气系统等外部辅助子系统的协同配合，对应的系统部件有氢循环泵、氢瓶、增湿器、空气压缩机。水的平衡对PEM氢燃料电池的电堆寿命具有重要意义，解决途径是在电堆中引入氢气循环设备（循环泵、喷射器）来实现气体吹扫、氢气重复利用、加湿氢气等功能。氢燃料电池系统中的空气压缩机，可提供与电堆功率密度相匹配的氧化剂（空气），压比高、体积小、噪声低、功率大、无油、结构紧凑，常见的车载燃料电池空压机有离心式、螺杆式、涡旋式等类型。随着人们对环保问题的关注度日益提升,燃料电池技术得到快速发展｡燃料电池主要可分为以下5种:质子交换膜燃料电池(PEMFC)､碱性燃料电池(AFC)､磷酸燃料电池(PAFC)､固体氧化物燃料电池(SOFC)以及熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)｡质子交换膜燃料电池(PEMFC)的结构组成如图所示｡PEMFC由膜电极(MEA)和带气体流动通道的双极板组成｡其核心部件膜电极是采用一片聚合物电解质膜和位于其两侧的两片电极热压而成,中间的固体电解质膜起到了离子传递以及分割燃料和氧化剂的双重作用,而两侧的电极是燃料和氧化剂进行电化学反应的场所｡PEMFC以其操作温度低､比能高､启动快等优势被视为电动汽车最具潜力的能量来源之一｡经过多年的基础研究与应用开发,质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展,微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度,中､大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果｡在我国有中国科学院大连化学物理研究所､清华大学､同济大学､武汉理工大学､上海空间电源研究所､上海神力等机构在开展PEMFC的研究,并取得了长足进展,跟跑国外先进水平｡碱性燃料电池(AFC)是以碱性溶液为电解质,将存在于燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置,是最早获得应用的燃料电池｡其电解质必须是碱性溶液,因此得名碱性燃料电池｡氢氧化钠和氢氧化钾溶液以其成本低､易溶解､腐蚀性低等优点,成为首选的电解液｡催化剂主要用贵金属铂､钯､金､银和过渡金属镍､钴､锰等｡1973年AFC成功地应用于阿波罗登月飞船的主电源,使人们看到了燃料电池的诱人前景｡AFC具有启动快､效率高､价格低廉的优点,有一定的发展潜力｡目前,此类燃料电池技术的发展已非常成熟,并已经在航天飞行及潜艇中成功应用｡磷酸型燃料电池(PAFC)自20世纪60年代在美国开始研究以来,由于操作温度低､耐CO中毒能力强等特点,得到了优先发展,是目前技术成熟､发展最快的燃料电池｡PAFC是一种以磷酸为电解质的燃料电池，工作温度200°C,是目前单机发电量最大的一种燃料电池｡关键材料包括电极材料､电解质材料､隔膜材料和双极板材料｡PAFC的结构如图所示｡目前,PAFC主要用于发电厂,其中分散性发电厂容量为10~20MW;中心电站型发电厂装机容量可达100MW以上,即使在发电负荷较低时,依然保持较高的发电效率｡它还可用于现场发电,就是把PAFC直接安装在用户附近,同时提供热和电,被认为是PAFC的最佳应用方案｡这种方案的优点包括:可根据需要设置装机容量或调整发电负荷,而不会影响装置的发电效率,即使小容量PAFC装置也能达到相当于现代大型热电厂的效率;有效利用电和热,传输损失小｡固体化物燃料电池(SOFC)的开发始于20世纪40年代,但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展｡电池中的电解质是复合氧化物,在高温(100°C以下)时有很强的离子导电功能｡其原理是由于钙､镱或钇等混入离子价态低于锆离子的价态,使有些氧负离子晶格位空出来而导电｡目前世界各国都在研制这类电池,并已有实质性的进展｡但SOFC在高温下工作也给其带来一系列材料､密封和结构上的问题,如电极的烧结､电解质与电极之间的界面化学扩散以及热膨胀系数不同的材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等｡这些都在一定程度上制约着SOFC的发展,成为其技术突破的关键因素｡SOFC的结构原理如图所示｡目前,从几十瓦的便携式电源系统到千瓦级的家庭热电联供系统,再到数百千瓦级的分布式电源系统,均已有相对成熟的产品进入市场｡产品的功能性和适应性也越来越强,它们的发展已经进入降低成本､提高产品功能以适应具体环境的新阶段｡熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是由多孔陶瓷阴极､多孔陶瓷电解质隔膜､多孔金属阳极和金属极板构成的燃料电池｡其电解质是熔融态碳酸盐,一般为碱金属Li､K､Na､Cs的碳酸盐混合物,隔膜材料是LiAlO2,正极和负极分别为添加锂的氧化镍和多孔镍｡MCFC工作原理如图所示｡MCFC的优点在于工作温度较高,反应速度较快;对燃料的纯度要求相对较低,可以对燃料进行电池内重整;不需贵金属催化剂,成本较低;采用液体电解质,较易操作｡不足之处在于,高温条件下液体电解质的管理较困难,长期操作过程中,腐蚀和渗漏现象严重,缩短了电池的寿命｡20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。在所有燃料电池中，碱性燃料电池（AFC）发展速度最快，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水；质子交换膜燃料电池（PEMFC）已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用；磷酸燃料电池（PAFC）作为中型电源应用进入了商业化阶段，是民用燃料电池的首选；熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）也已完成工业试验阶段；起步较晚的固态氧化物燃料电池（SOFC）作为发电领域最有应用前景的燃料电池，是未来大规模清洁发电站的优选对象，100kW管式SOFC电站已经在荷兰运行，Siemens和三菱重工都进行了SOFC发电系统的试验研究。相比之下，SOFC、MCFC和PEMFC会是最有前景的技术路线。从实践应用场景来看，燃料电池主要运用于固定式电源、交通运输和便携式电源三大类领域。燃料电池是氢能的一个部分，但它是核心部分。现在，氢燃料电池汽车已经进入大规模商业示范阶段。这次冬奥示范大概有1000多辆燃料电池车，30多个加氢站。现在在张家口已经投入了600多辆氢燃料电池客车。北京冬奥会的示范是全球最大的一次燃料电池汽车示范。燃料电池技术是氢能发展的重中之重，从零部件生产到系统的自主研发，再到乘用车、商用车的整合，燃料电池技术的发展之路坎坷艰难但仍旧有所突破。随着技术的发展，未来燃料电池发展空间将有望超越锂电。“十四五”初年，在“双碳目标”背景下，为助力能源转型，促进企业创新、产业变革与社会可持续发展，国际能源网凭借16年蓄积之力，继续构筑产业重磅年度盛会。
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