燃料電池是一種電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)電化學(xué)方法結(jié)合燃料（通常為氫）和氧化劑（通常為氧氣）來(lái)產(chǎn)生電和熱。由于燃料電池能夠在不需要燃燒的情況下將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，只要供應(yīng)燃料，它就能提供比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)高得多的轉(zhuǎn)換效率。與相同功率輸出的化石燃料的技術(shù)相比，更高的效率的同時(shí)還帶來(lái)更低的二氧化碳排放和更少量的SOx和NOx。

燃料電池原理

       燃料電池由夾在電解質(zhì)周圍的兩個(gè)電極組成。氫燃料被送入燃料電池的陽(yáng)極，氧氣（或空氣）通過(guò)陰極進(jìn)入燃料電池。

燃料電池組成

       在陽(yáng)極處，氫在催化劑的作用下分解成氫離子和電子。氫離子通過(guò)電解質(zhì)擴(kuò)散到陰極，電子則由外部電路流向正極，從而形成電流。在正極上，氧氣同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。氫氧燃料電池直接將燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此其具有效率高、污染小、噪音低的特點(diǎn)。

燃料電池工作原理

氫氧燃料電池基本反應(yīng)

       從上面的反應(yīng)式可以看出，在理想條件下燃料電池的開路電位（OCP）是1.23V。下圖顯示的是典型單個(gè)電池的性能（i-V特性），其中虛線表示理想狀態(tài)，實(shí)線表示實(shí)際的性能。

燃料電池 i -V 特性

       從曲線上可以看出 OCP 要比理想的 OCP 低并且隨著電流密度的增加而減小。四個(gè)主要因素導(dǎo)致這樣的損失：

       ◆  活化或動(dòng)力損失：由發(fā)生在電極表面的電荷傳遞反應(yīng)的速率引起；

       ◆  歐姆或阻抗損失：由電子流過(guò)電極材料、連接處以及電解液的阻抗導(dǎo)致，并且和電流密度成比例；

       ◆  質(zhì)量傳遞、擴(kuò)散或濃度損失：由電極表面的反應(yīng)物被用光后，濃度的改變引起；

       ◆  燃料擴(kuò)散和內(nèi)部電流：這種損失（上圖沒(méi)有標(biāo)出）往往是由于沒(méi)有利用的燃料通過(guò)電解液和通過(guò)電解液的電子傳導(dǎo)引起的偏移電流引起。

燃料電池堆

燃料電池堆示意圖

       燃料電池堆的基本構(gòu)件包括陽(yáng)極，陰極和電解質(zhì)，其具有電連接，絕緣以及燃料和氧化劑流動(dòng)所需的附加部件。此外，燃料電池堆具有集電器和隔板。

Metrohm Autolab

針對(duì)燃料電池相關(guān)電化學(xué)測(cè)試方法

01 循環(huán)伏安法（CV）

       通過(guò)CV可以獲得各種組分的動(dòng)力學(xué)信息。Autolab電化學(xué)工作站與SCAN250和ADC10M模塊的組合，可以執(zhí)行掃描速率高達(dá)250 kV / s的模擬掃描，以測(cè)量氫氣吸脫附等快速過(guò)程。

02 線性掃描伏安法（LSV）

       LSV可用于確定燃料電池的i-V特性。通過(guò)Autolab電化學(xué)工作站，可以實(shí)現(xiàn)極低的電位掃描速率。

03 電化學(xué)阻抗譜（EIS）

       電化學(xué)阻抗譜（EIS）已成功應(yīng)用于燃料電池的研究。EIS優(yōu)于DC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是可以使用非常小的振幅信號(hào)而不會(huì)顯著干擾測(cè)量。Autolab電化學(xué)工作站配合FRA32M阻抗模塊與外置電流增壓器，可以在高電流密度下進(jìn)行EIS測(cè)量。

       我們?cè)谌剂想姵兀ㄒ唬┲忻枋隽巳剂想姵氐脑?，并討論了它們作為可行技術(shù)使用中的一些問(wèn)題。為了克服各種技術(shù)問(wèn)題，目前已經(jīng)開發(fā)出多種燃料電池類型。在本篇文章中，將為大家做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

燃料電池分類

       燃料電池按電解質(zhì)類型可分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池(SOFC)、堿性燃料電池（AFC）。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

       質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)，簡(jiǎn)稱PEMFC。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有電化學(xué)反應(yīng)催化劑，通常是鉑基顆粒，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。

PEMFC基礎(chǔ)電池反應(yīng)：

PEMFC特點(diǎn)：

       ·發(fā)電過(guò)程簡(jiǎn)單，能量轉(zhuǎn)換率高；

       ·結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕；

       ·綠色環(huán)保無(wú)污染。

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

       熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽(yáng)極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽，一般為堿金屬Li、K、Na、Cs的碳酸鹽混合物，隔膜材料是LiAlO2，正極和負(fù)極分別為添加鋰的氧化鎳和多孔鎳。

MCFC基礎(chǔ)電池反應(yīng)：

MCFC特點(diǎn)：

       ·具有效率高（高于40%）；

       ·噪音低、無(wú)污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等）；

       ·余熱利用價(jià)值高和電池構(gòu)造材料價(jià)廉等。

固體氧化物燃料電池(SOFC)

       固態(tài)氧化物燃料電池是指使用固體氧化物為電解質(zhì)且在高溫下工作的燃料電池。在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度Z高，通常位于800~1000℃之間。

SOFC基礎(chǔ)電池反應(yīng)：

SOFC特點(diǎn)：

       ·由于固態(tài)組件，SOFC原則上可以以任何配置構(gòu)造

       ·沒(méi)有液體電解質(zhì)會(huì)消除腐蝕和電解質(zhì)管理問(wèn)題

       ·由于工作溫度高于600°C，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部重整

       ·來(lái)自SOFC的高溫（1000℃）廢熱可用于產(chǎn)生用于熱電聯(lián)產(chǎn)目的的蒸汽

       ·高溫有助于實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而無(wú)需任何貴重材料

Metrohm Autolab — Dedicated to research