燃料電池作為一種清潔、高效的新型發(fā)電技術正受到越來越多的重視和廣泛的研究應用。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)達國家投入使用。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)電機一樣源源不斷地向區(qū)域用戶供電（此時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電池，它不經(jīng)過燃燒而以電化學反應方式將燃料的化學能直接變?yōu)殡娔?。和其他化學電池不同的是，燃料電池工作時需要連續(xù)地向其供給燃料和氧化劑，所以稱為燃料電池。燃料電池由陽極、陰極和夾在這2個電極中間的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)組成，如1所示。

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

氫在陽極分解成氫離子H＋和電子e－。氫離子進入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路移向正極，用電的負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陰極上的電子形成水。

2燃料電池分布式發(fā)電的評價標準

（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到4～5萬h，才能與現(xiàn)行發(fā)電技術競爭，實現(xiàn)商業(yè)化。

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

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

3各類燃料電池技術分析

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％，導電離子為OH－。

（2）技術分析

技術優(yōu)勢：AFC最大的優(yōu)點是具有高效性，一般AFC的輸出電壓選定在0.80～0.95V時，其能量轉化率可達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。

技術限制：AFC的電解質(zhì)為堿性溶液，會與CO2反應生成固態(tài)碳酸鹽，因此不能以空氣為氧化劑，燃料中也不能含有CO2；當燃料電池的運行溫度在100℃以下時水呈液態(tài)，所以必須把它導出，否則會稀釋電解質(zhì)，但這種條件下的排水方法及控制均較復雜；AFC以純氫為燃料，限制了它的實際應用。

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）技術分析

技術優(yōu)勢：

PAFC作為一種簡單可靠的發(fā)電方式，其最大的優(yōu)勢是它及其輔助設備維護都很少；CO2不與磷酸發(fā)生化學反應，因此可將空氣作為氧化劑，碳氫化合物如甲醇等也可作為燃料；磷酸是一種普通的無機酸，它具有良好的熱穩(wěn)定性、化學和熱化學穩(wěn)定性，同時在150℃以上具有低揮發(fā)性。

技術限制：

PAFC以碳氫化合物為燃料時需要經(jīng)過中間轉化，而燃料轉化器無疑加大了整個發(fā)電系統(tǒng)的復雜度和成本；PAFC的效率與其他類型的燃料電池相比并無太大優(yōu)勢，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60％～70％。

3.3熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

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

（2）技術分析技術優(yōu)勢：

MCFC為高溫燃料電池，其余熱利用價值頗高足以驅動蒸汽輪機；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)。

技術限制：陰極溶解產(chǎn)生的鎳在隔膜中沉積將導致電池短路；陽極材料蠕變將影響電池的密封和性能；熔鹽電解質(zhì)對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)隔膜兩側電位差與濃度差的驅動下，通過電解質(zhì)隔膜中的氧空位，定向躍遷到陽極側，并與燃料進行氧化反應。

（2）技術分析

技術優(yōu)勢：

SOFC是全固體結構，無使用液體電解質(zhì)帶來的腐蝕和電解液流失問題，可望實現(xiàn)長壽命的運行；

SOFC在800～1000℃下運行，電催化劑無需采用貴金屬，還可直接采用天然氣、煤氣和碳氫化合物作燃料，簡化了電池系統(tǒng)；SOFC排出的高質(zhì)量余熱可與燃氣、蒸汽輪機構成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，大大提高綜合效率。

技術限制：

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

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的電極反應類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池。

（2）技術分析

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

技術限制：PEMFC的電解質(zhì)是一個薄聚合體隔膜，它在潮濕的狀態(tài)下可作為離子的導體，但是電子的絕緣體同時無法被氣體滲透。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化器，將增加燃料電池的成本、復雜度。

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)從陽極傳送到陰極，陰極注入空氣。

（2）技術分析

技術優(yōu)勢：結構簡單，體積小，重量輕。由于可用液態(tài)甲醇作為燃料，所以無需燃料存儲設備和燃料轉化器；催化劑不需要其他的特殊材料。

技術限制：當鉑催化劑與CO接觸時會使得催化劑失效；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，造成了燃料的浪費。

4結論

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