燃料电池(一): 什么是燃料电池？

       燃料电池是一种电化学能量转换装置，通过电化学方法结合燃料（通常为氢）和氧化剂（通常为氧气）来产生电和热。由于燃料电池能够在不需要燃烧的情况下将化学能直接转换成电能，只要供应燃料，它就能提供比传统内燃机高得多的转换效率。与相同功率输出的化石燃料的技术相比，更高的效率的同时还带来更低的二氧化碳排放和更少量的SOx和NOx。

燃料电池原理

       燃料电池由夹在电解质周围的两个电极组成。氢燃料被送入燃料电池的阳极，氧气（或空气）通过阴极进入燃料电池。

燃料电池组成

       在阳极处，氢在催化剂的作用下分解成氢离子和电子。氢离子通过电解质扩散到阴极，电子则由外部电路流向正极，从而形成电流。在正极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。氢氧燃料电池直接将燃烧的化学能转化为电能，因此其具有效率高、污染小、噪音低的特点。

燃料电池工作原理

氢氧燃料电池基本反应

       从上面的反应式可以看出，在理想条件下燃料电池的开路电位（OCP）是1.23V。下图显示的是典型单个电池的性能（i-V特性），其中虚线表示理想状态，实线表示实际的性能。

燃料电池 i -V 特性

       从曲线上可以看出 OCP 要比理想的 OCP 低并且随着电流密度的增加而减小。四个主要因素导致这样的损失：

       ◆  活化或动力损失：由发生在电极表面的电荷传递反应的速率引起；

       ◆  欧姆或阻抗损失：由电子流过电极材料、连接处以及电解液的阻抗导致，并且和电流密度成比例；

       ◆  质量传递、扩散或浓度损失：由电极表面的反应物被用光后，浓度的改变引起；

       ◆  燃料扩散和内部电流：这种损失（上图没有标出）往往是由于没有利用的燃料通过电解液和通过电解液的电子传导引起的偏移电流引起。

燃料电池堆

燃料电池堆示意图

       燃料电池堆的基本构件包括阳极，阴极和电解质，其具有电连接，绝缘以及燃料和氧化剂流动所需的附加部件。此外，燃料电池堆具有集电器和隔板。

Metrohm Autolab

针对燃料电池相关电化学测试方法

01 循环伏安法（CV）

       通过CV可以获得各种组分的动力学信息。Autolab电化学工作站与SCAN250和ADC10M模块的组合，可以执行扫描速率高达250 kV / s的模拟扫描，以测量氢气吸脱附等快速过程。

02 线性扫描伏安法（LSV）

       LSV可用于确定燃料电池的i-V特性。通过Autolab电化学工作站，可以实现极低的电位扫描速率。

03 电化学阻抗谱（EIS）

       电化学阻抗谱（EIS）已成功应用于燃料电池的研究。EIS优于DC技术的优点之一是可以使用非常小的振幅信号而不会显著干扰测量。Autolab电化学工作站配合FRA32M阻抗模块与外置电流增压器，可以在高电流密度下进行EIS测量。

       我们在燃料电池（一）中描述了燃料电池的原理，并讨论了它们作为可行技术使用中的一些问题。为了克服各种技术问题，目前已经开发出多种燃料电池类型。在本篇文章中，将为大家做一个简单的介绍。

燃料电池分类

       燃料电池按电解质类型可分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池（AFC）。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)

       质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)，简称PEMFC。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有电化学反应催化剂，通常是铂基颗粒，质子交换膜作为电解质。

PEMFC基础电池反应：

PEMFC特点：

       ·发电过程简单，能量转换率高；

       ·结构紧凑，重量轻；

       ·绿色环保无污染。

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

       熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。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基础电池反应：

MCFC特点：

       ·具有效率高（高于40%）；

       ·噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）；

       ·余热利用价值高和电池构造材料价廉等。

固体氧化物燃料电池(SOFC)

       固态氧化物燃料电池是指使用固体氧化物为电解质且在高温下工作的燃料电池。在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度Z高，通常位于800~1000℃之间。

SOFC基础电池反应：

SOFC特点：

       ·由于固态组件，SOFC原则上可以以任何配置构造

       ·没有液体电解质会消除腐蚀和电解质管理问题

       ·由于工作温度高于600°C，可以实现内部重整

       ·来自SOFC的高温（1000℃）废热可用于产生用于热电联产目的的蒸汽

       ·高温有助于实现快速反应动力学，而无需任何贵重材料

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