常见的燃料电池类型简介,

（1）质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池的关键材料与部件包括电催化剂、电极（阴极与阳极）、质子交换膜和双极板。目前最常见的是氢-氧型质子交换膜燃料电池，基本原理是氢氧反应产生的吉布斯自由能直接转化为电能。其工作过程包括：

1）氢气通过管道或导气板到达阳极。

2）在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子。

阳极反应为

2H₂→4H⁺+4e^-

3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水。阴极反应为

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

总的化学反应为

2H₂+O₂→2H₂O

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。

理想的燃料电池系统是可逆热力学系统，在不同的工作温度、工作压力条件下，可通过热力学计算得出在理想可逆情况下燃料电池发电效率及单电池电压的变化规律。

实际上，开始反应产生电流时，燃料电池的工作电压会降低很多。其原因主要有以下三点：

①在电极上，活化氢气和氧气的能量要消耗一部分电动势。

②电极发生反应后，电池内部的物质移动扩散，所需能量要消耗一部分电动势。

③由于电极与电解质之间有接触阻抗，电极和电解质本身也有电阻，因此也要消耗与电流大小成正比的电动势。

由于活化阻抗、扩散阻抗和电阻的综合作用，燃料电池单体的实际工作电压一般为0.6～0.8V。

质子交换膜燃料电池的工作温度约为-80℃。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的铂金进行催化。

质子交换膜燃料电池以固态聚合物膜为电解质。该聚合物膜为全氟磺酸膜，它也称为Nafion（美国杜邦公司），是酸性的，因此迁移的离子为氢离子H+或质子。质子交换膜燃料电池是由纯氢和作为氧化剂的氧或空气一起供给燃料的。

聚合物电解质膜被碳基催化剂所覆盖，催化剂直接与扩散层和电解质两者接触以求达到最大的相互作用面。催化剂构成电极，在其之上直接为扩散层。电解质、催化剂层和气体扩散层的组合称为膜片-电极组件。

质子交换膜燃料电池中的催化剂是关键性因素。在早期实践中，为了使燃料电池稳定运行，需要很可观的铂载量。在催化剂技术方面现已取得了巨大进展，使铂载量从28mg/cm²减少到0.2mg/cm²。由于燃料电池的低运行温度，以及电解质酸性的本质，因此应用的催化剂层需要贵金属。因氧的催化还原作用比氢的催化氧化作用更为困难，所以阴极是最关键的电极。

在质子交换膜燃料电池中，另^一关键性问题是水的管理。为了使燃料电池稳定运行，聚合物膜必须保持湿润。事实上，是聚合物膜中离子的导电性需要湿度。若聚合物膜过于干燥，就没有足够的酸离子去承载质子；若聚合物膜过于湿润，则扩散层的细孔将被阻断，从而使反应气体不能扩展触及催化剂。

水在质子交换膜燃料电池中的阴极生成。通过将燃料电池保持在某一温度下，并靠流动促使水蒸发，即可令其迁移，并以水蒸气态移出燃料电池。然而，由于误差范围很窄，故这一方法是较难实现的。某些燃料电池堆运行在空气远远过量的状态。这时应正常地干燥燃料电池，并同时采用外部增湿器由阳极供水。

质子交换膜燃料电池中最后的关键问题是其毒化问题。铂催化剂极富活性，与氧相比其对一氧化碳和硫的生成物有较高的亲合力。毒化效应强烈地约束了催化剂，并阻碍了扩展到其中的氢或氧，导致电极反应不能在毒化部位发生，而使燃料电池性能递减。假若氢由重整装置提供，则气流中将含有一些一氧化碳；同样，若吸入的空气来自于被污染城市中的大气，则一氧化碳也可从空气的气流中进入燃料电池。由一氧化碳引起的毒化是可逆的，但它增加了成本，且各个燃料电池需要单独处理。

（2）碱性燃料电池 碱性燃料电池以古水氢氧化钾（KOH）溶剂为电解液，来传导电极之间的离子。因为电解液为碱性，故离子传导机理不同于质子交换膜燃料电池。被碱性电解液迁移的离子是氢氧离子（OH^-），这会对燃料电池的其他方面产生影响。(www.zuozong.com)

其半反应式如下

阳极：2H₂+4OH^-→4H₂O+4e^-

阴极：O₂+4e^-+2H₂O→4OH^-

不同于酸性燃料电池，碱性燃料电池的水是在氢电极处生成的。此外，在阴极处，由于氧的还原需要水，因此水的管理问题往往按电极防水性和在电解液中保持含水量的需求予以分解。阴极反应从电解液中消耗水，而其中阳极反应则排出其水生成物。过量的水（每次反应2mol）在燃料电池堆外汽化。

碱性燃料电池可以运行在一个宽温度（80～230℃）和压力（2.2～45atm）范围内。高温的碱性燃料电池也可使用高浓度电解液，该高浓度致使离子迁移机理从水溶剂转换成熔融盐状态。

由氢氧电解液所提供的快速动力学效应，使碱性燃料电池可获得很高的效率。尤其是氧的反应（O₂→OH^-）比酸性燃料电池中氧的还原反应容易得多，因此，其活性损耗非常低。碱性燃料电池中的快速动力学效应使银或镍可用以替代铂作为催化剂。这使碱性燃料电池堆的成本显著下降。

通过电解液的完全循环，使碱性燃料电池动力学特性得到了进一步的改善。当电解液循环时，燃料电池被称为“动态电解液的燃料电池”。

这类结构的优点是：由于电解液被用作冷却介质，因此易于热管理；更为均匀的电解液集聚，解决了阴极周围电解液浓度分布问题；提供了利用电解液进行水管理的可能性；如果电解液已被二氧化碳过度污染，则有替换电解液的可能性；最终，当燃料电池难以关闭，且其具有可显著延长使用寿命的潜能时，提供了从燃料电池内移置电解液的可能性。

碱性燃料电池最大的问题在于二氧化碳的毒化，二氧化碳与反应气一起进入电池，碱性电解液对二氧化碳具有显著的化合力，它们共同作用形成碳酸离子CO2-。其生成物为K₂CO₃，因为K₂CO₃的水溶液电导远低于KOH溶液，所以会导致电池欧姆极化增加，性能下降。且K₂CO₃水溶液的蒸汽压高，K₂CO₃的生成会导致隔膜失水，盐结晶析出，严重时使隔膜失去阻气性能，氢、氧互窜而导致电池失效，碳酸沉积并阻塞电极也将是一种可能的风险，但这一问题可通过电解液的循环予以处理。使用二氧化碳除气器会增加成本和复杂度，它能从空气流中排除二氧化碳气体。

碱性燃料电池优点在于，其所需的是廉价的催化剂、电解液，且能以高效率在低温下运行。但是，它的缺点也较明显，例如具有腐蚀性的电解液，在其电极上生成水，再加上二氧化碳的毒化，缩短了电池的延续工作时间。

（3）磷酸燃料电池 磷酸燃料电池与碱性燃料电池一样，依靠酸性电解液传导氢离子。其阳极和阴极反应与碱性燃料电池的反应相同。磷酸（H₃PO₄）是一种粘滞液体，它在燃料电池中通过多孔硅碳化物基体内的毛细管作用予以储存。

磷酸燃料电池是最早商品化的燃料电池。许多医院、宾馆和军事基地使用磷酸燃料电池覆盖了部分或总体所需的电力和热供应。但因其温度问题，这一技术在车辆中的应用很少。

磷酸电解液的温度必须保持在42℃（其冰点）以上。冻结的和再解冻的酸将难以使燃料电池堆激化。保持燃料电池堆在该温度之上，需要额外的设备，这就需增加成本、复杂性、重量和体积。大多数问题就固定式应用而言是次要的，但对车辆应用来说是不相容的。

另一关于高运行温度（150℃以上）的问题是与燃料电池堆升温相伴随的能量损耗。每当燃料电池起动时，一些能量（即燃料）必须消耗在加热燃料电池直至其运行温度的过程中，而每当燃料电池关闭时，相应的热量（即能量）即被耗损。对于市区内的短时运行，该损耗是显著的。然而，在公共交通运输情况下，如公共汽车，这一问题又是次要的。磷酸燃料电池的优点是其应用了廉价的电解液，低温运行特性，及合理的启动时间，其缺点是采用了昂贵的催化剂（铂），且酸性电解液具有腐蚀性，另外二氧化碳的毒化也会降低效率。

（4）熔融碳酸盐燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池为高温燃料电池（运行温度为500～800℃），它依靠熔融碳酸盐（通常为锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐）传导离子。被传导的离子是碳酸离子（CO^2-₃），离子传导机理类似于磷酸燃料电池或高浓度的碱性燃料电池中熔盐的相应机理。

熔融碳酸盐燃料电池的电极反应不同于其他的燃料电池。

其反应式如下

其主要差异在于阴极处必须供给二氧化碳。因二氧化碳可从阳极中回收，故不需要外部的二氧化碳供应源。熔融碳酸盐燃料电池从来不用纯氢，而是使用碳氢化合物。

高温燃料电池的主要优点是其有直接处理碳氢化合物燃料的能力。这是由于高运行温度使其在电极处能分解碳氢化合物制氢。这是其应用于汽车的极大优点，因为当今碳氢化合物燃料已经获得了有效应用。此外，高运行温度使其能采用廉价催化剂。

但是，熔融碳酸盐燃料电池也存在许多问题。碳酸盐是碱性物质，特别在高温下腐蚀性极强。这不仅不安全，也会对电极造成腐蚀。在汽车里安装一个温度为500～800℃的大设备，显然是不安全的。与燃料电池升温相伴随的燃料消耗也是一个问题，它因很高的运行温度，以及为熔融电解液所必需的潜热而变得更为严重。这些问题可能约束熔融碳酸盐燃料电池应用于固定式或恒定功率需求的场合，如船舶上的应用。

熔融碳酸盐燃料电池的主要优点是可加注碳氢化合物燃料，低价格的催化剂，因快速动力学效应所具有的完善的效率以及毒化的低敏感性。其主要缺点是起动缓慢，因高温减少了材料的可选性，起因于CO₂循环的燃料电池系统的复杂性，电极的腐蚀以及缓慢的功率响应。

（5）无氢燃料电池 无氢燃料电池可直接处理除氢之外的燃料，如直接甲醇质子交换膜燃料电池、氨碱性燃料电池、直接碳氢化合物熔融碳酸盐或固态氧化物燃料电池等。其中，氨碱性燃料电池是替换氨热裂化的可供选择的方案。氨气直接供给燃料电池，并在阳极催化裂解。氨碱性燃料电池反应给出了稍低些的热力学电压，且与氢碱性燃料电池相比，其活性损耗较高。这一活性损耗可通过改进催化剂层予以减小。熔融碳酸盐燃料电池（MCFCs）和固态氧化物燃料电池（SOFCs）因其工作温度高，故有直接裂化碳氢化合物在其内部提取氢。