燃料電池作為一種清潔、高效的新型發(fā)電技術(shù)正受到越來越多的重視和廣泛的研究應(yīng)用。自世界首只燃料電池于1940年誕生以來，至今各種品牌的固定型燃料電池和汽車用燃料電池已在發(fā)達(dá)國(guó)家投入使用。但是，在眾多的燃料電池類型中哪一種燃料電池最有可能在未來的電網(wǎng)中像發(fā)電機(jī)一樣源源不斷地向區(qū)域用戶供電（此時(shí)的燃料電池必須加上換流裝置才能和配電網(wǎng)相連），本文針對(duì)這一問題展開了討論。

1燃料電池的工作原理

燃料電池是一種化學(xué)電池，它不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔?。和其他化學(xué)電池不同的是，燃料電池工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給燃料和氧化劑，所以稱為燃料電池。燃料電池由陽(yáng)極、陰極和夾在這2個(gè)電極中間的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)組成，如1所示。

燃料電池在工作時(shí)向陽(yáng)極供給燃料（氫或其他燃料），向陰極供給氧化劑（空氣或氧氣）。

氫在陽(yáng)極分解成氫離子H＋和電子e－。氫離子進(jìn)入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路移向正極，用電的負(fù)載就接在外部電路中。在陰極上，氧同電解質(zhì)中的氫離子吸收抵達(dá)陰極上的電子形成水。

2燃料電池分布式發(fā)電的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（1）發(fā)電能力。燃料電池的功率范圍必須能夠滿足區(qū)域內(nèi)用戶的正常工作和生活需要。

（2）使用壽命。燃料電池的使用壽命只有達(dá)到4～5萬(wàn)h，才能與現(xiàn)行發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

（3）商業(yè)可行性。其中包括建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)、燃料成本以及比能量和比功率等指標(biāo)。

（4）運(yùn)行可靠性。主要是根據(jù)現(xiàn)階段燃料電池的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)確定。

3各類燃料電池技術(shù)分析

3.1堿性燃料電池（AFC）

（1）工作原理

AFC以KOH或NaOH溶液為電解質(zhì)，濃度為30％～45％，導(dǎo)電離子為OH－。

（2）技術(shù)分析

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：AFC最大的優(yōu)點(diǎn)是具有高效性，一般AFC的輸出電壓選定在0.80～0.95V時(shí)，其能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)60％～70％；AFC采用非鉑電催化劑，如雷尼鎳、硼化鎳等，不但降低電催化劑的成本，而且也不受鉑資源的制約。

技術(shù)限制：AFC的電解質(zhì)為堿性溶液，會(huì)與CO2反應(yīng)生成固態(tài)碳酸鹽，因此不能以空氣為氧化劑，燃料中也不能含有CO2；當(dāng)燃料電池的運(yùn)行溫度在100℃以下時(shí)水呈液態(tài)，所以必須把它導(dǎo)出，否則會(huì)稀釋電解質(zhì)，但這種條件下的排水方法及控制均較復(fù)雜；AFC以純氫為燃料，限制了它的實(shí)際應(yīng)用。

3.2磷酸燃料電池（PAFC）

（1）工作原理

PAFC的電解質(zhì)為100％的濃磷酸，H2為燃料，O2為氧化劑。

（2）技術(shù)分析

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

PAFC作為一種簡(jiǎn)單可靠的發(fā)電方式，其最大的優(yōu)勢(shì)是它及其輔助設(shè)備維護(hù)都很少；CO2不與磷酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此可將空氣作為氧化劑，碳?xì)浠衔锶缂状嫉纫部勺鳛槿剂?；磷酸是一種普通的無機(jī)酸，它具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)和熱化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)在150℃以上具有低揮發(fā)性。

技術(shù)限制：

PAFC以碳?xì)浠衔餅槿剂蠒r(shí)需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)化，而燃料轉(zhuǎn)化器無疑加大了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本；PAFC的效率與其他類型的燃料電池相比并無太大優(yōu)勢(shì)，目前的發(fā)電效率為30％～40％，但如果考慮余熱利用，其綜合效率可達(dá)60％～70％。

3.3熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

（1）工作原理MCFC的導(dǎo)電離子為CO32－，與其他類型的燃料電池的區(qū)別是：在陰極CO2是反應(yīng)物，在陽(yáng)極CO2為產(chǎn)物，從而CO2在電池工作過程中構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。為了確保電池穩(wěn)定連續(xù)地工作，必須將在陽(yáng)極產(chǎn)生的CO2送回到陰極。

（2）技術(shù)分析技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

MCFC為高溫燃料電池，其余熱利用價(jià)值頗高足以驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)；所用電催化劑以鎳為主，不使用貴金屬，可采用脫硫煤氣和天然氣作為燃料；電池隔膜與電極均采用帶鑄方法制備，工藝成熟，易于大批量生產(chǎn)。

技術(shù)限制：陰極溶解產(chǎn)生的鎳在隔膜中沉積將導(dǎo)致電池短路；陽(yáng)極材料蠕變將影響電池的密封和性能；熔鹽電解質(zhì)對(duì)電池雙極板材料的腐蝕；電解質(zhì)的流失。

3.4固體氧化物燃料電池（SOFC）

（1）工作原理

目前大多數(shù)SOFC以6％～10％三氧化二釔（Y2O3）摻雜的氧化鋯為固體電解質(zhì)，這種氧化物在高溫下具有傳遞O2－的能力。在陰極，氧分子得到電子被還原成氧離子，氧離子在電解質(zhì)隔膜兩側(cè)電位差與濃度差的驅(qū)動(dòng)下，通過電解質(zhì)隔膜中的氧空位，定向躍遷到陽(yáng)極側(cè)，并與燃料進(jìn)行氧化反應(yīng)。

（2）技術(shù)分析

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

SOFC是全固體結(jié)構(gòu)，無使用液體電解質(zhì)帶來的腐蝕和電解液流失問題，可望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的運(yùn)行；

SOFC在800～1000℃下運(yùn)行，電催化劑無需采用貴金屬，還可直接采用天然氣、煤氣和碳?xì)浠衔镒魅剂?，?jiǎn)化了電池系統(tǒng)；SOFC排出的高質(zhì)量余熱可與燃?xì)?、蒸汽輪機(jī)構(gòu)成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，大大提高綜合效率。

技術(shù)限制：

SOFC的技術(shù)難點(diǎn)源于其較高的工作溫度。電池的關(guān)鍵部件陽(yáng)極、隔膜、陰極和聯(lián)結(jié)材料等在電池的工作條件下必須具備化學(xué)與熱的相容性，即在電池工作條件下電池構(gòu)成材料間不但不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且其熱膨脹系數(shù)也應(yīng)相互匹配。

3.5質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

（1）工作原理

PEMFC以全氟磺酸型固體聚合物作為電解質(zhì)，鉑／碳或鉑－釕／碳為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑。

PEMFC的電極反應(yīng)類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池。

（2）技術(shù)分析

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：PEMFC具有可在室溫下快速啟動(dòng)，無電解液流失、水易排出、壽命長(zhǎng)、比功率與比能量高等突出特點(diǎn)。因此，PEMFC特別適宜于作為可移動(dòng)動(dòng)力源，如特種、電動(dòng)車的動(dòng)力源。

技術(shù)限制：PEMFC的電解質(zhì)是一個(gè)薄聚合體隔膜，它在潮濕的狀態(tài)下可作為離子的導(dǎo)體，但是電子的絕緣體同時(shí)無法被氣體滲透。由于余熱無法被利用，PEMFC不適合熱電聯(lián)產(chǎn)；通常PEMFC的燃料是純氫，如果利用外部的燃料轉(zhuǎn)化器，將增加燃料電池的成本、復(fù)雜度。

3.6直接甲醇燃料電池（DMFC）

（1）工作原理

DMFC中的燃料是甲醇和水的混合物。陽(yáng)極可以注入液態(tài)燃料（80～90℃）或者氣體燃料（120～130℃），陰極可注入空氣，以鉑和釕的混合劑作為催化劑。

H＋通過電解質(zhì)從陽(yáng)極傳送到陰極，陰極注入空氣。

（2）技術(shù)分析

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。由于可用液態(tài)甲醇作為燃料，所以無需燃料存儲(chǔ)設(shè)備和燃料轉(zhuǎn)化器；催化劑不需要其他的特殊材料。

技術(shù)限制：當(dāng)鉑催化劑與CO接觸時(shí)會(huì)使得催化劑失效；隔膜遇到的問題是甲醇試圖穿越隔膜跑到陰極去，通常叫做“甲醇滲透”或者統(tǒng)稱為“燃料滲透”，跑到陰極的甲醇干擾了陰極的反應(yīng)，造成了燃料的浪費(fèi)。

4結(jié)論

AFC、PEMFC、DMFC由于發(fā)電功率和其他一些技術(shù)條件的限制無法作為區(qū)域性電站實(shí)現(xiàn)供電，而就發(fā)電能力和運(yùn)行可靠性而言，PAFC、MCFC、SOFC最有可能作為分布式電源用于區(qū)域性供電。