《儲能材料與器件智能制造技術》燃料電池在全球積極推進“雙碳”目標，努力擺脫對化石能源依賴的當下，尋找清潔、高效的能源解決方案成為時代課題。當電動汽車已逐漸普及，氫能公交車開始穿梭于城市道路，分布式發(fā)電站為社區(qū)穩(wěn)定供電，這些場景背后都離不開一項關鍵技術——燃料電池。它打破了傳統(tǒng)電池“存儲能量”的局限，以“即時發(fā)電”的獨特方式，將化學能直接轉化為電能，具有高效、零排放、低噪音等優(yōu)勢，被視為未來能源領域的“變革者”。從航天領域的尖端應用到日常生活的能源供給，燃料電池正以蓬勃發(fā)展之勢，為人類能源轉型帶來新的曙光。燃料電池（FuelCell，簡稱FC）是一種能有效控制燃料（比如氫氣、甲烷、甲醇等）和氧化劑（空氣或純氧）的化學反應并將其中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。燃料電池種類較多，其基本結構與一般的電池相似，包括陽極、電解質和陰極三個最基本的組成部分。但與電極活性物質儲存于電池內部的一般電池不同，燃料電池正負極本身不包含活性物質，電極只是電化學反應的催化轉換元件，其活性物質是由外部供給的。因此燃料電池還必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。只要外部燃料和氧化劑不斷供給，反應產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能源源不斷地向外供電。因此燃料電池本質上更像是發(fā)電機。燃料電池結構示意圖如圖所示。燃料電池的電極一般做成多孔結構，所以設計成多孔結構的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質中的溶解度并不高，故將電極做成多孔結構的形式，增加參與反應的電極表面積，降低極化作用，提高燃料電池的實際工作電流密度。以堿性氫氧燃料電池為例，燃料電池在工作時正極發(fā)生氧化反應負極發(fā)生還原反應總電池反應為燃料電池發(fā)電不受卡諾循環(huán)的限制。理論上其發(fā)電效率可達到85%～90%，但由于工作時各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉化效率約為40%～60%。若實現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達80%以上。燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時，二氧化碳的排放量比熱機過程減少40%以上。通常根據(jù)電解質的不同將燃料電池劃分為五種類型：堿性燃料電池（Alkalinefuelcell，AFC）磷酸燃料電池（Phosphoricacidfuelcell，PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（Moltencarbonatefuelcell，MCFC）質子交換膜燃料電池（Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）固體氧化物燃料電池（Solidoxidefuelcell，SOFC）堿性燃料電池（AFC），電解質通常采用6~8mol/L的KOH溶液，工作溫度約80℃，陰陽極反應交換電流密度高，電池效率較高，可以采用廉價的鎳作為電極。AFC電解質成本低，電池整體成本較低。燃料及氧化劑中的CO2與電解液中氫氧根反應會生成碳酸根離子，降低電解質中的氫氧根濃度。由于電池對廣泛存在的CO2敏感，限制了堿性燃料電池的發(fā)展前景。磷酸燃料電池（PAFC）采用磷酸作為電解質，工作溫度（180~210℃）適中，對雜質耐受能力較強，除氫外，PAFC還可能直接利用甲醇、天然氣等廉價燃料，穩(wěn)定性較好；熱電聯(lián)供時，效率較高（~85%），適應各種工作環(huán)境。磷酸燃料電池需采用貴金屬作為催化劑，成本較高。因磷酸在40℃以下是固態(tài)，因而PAFC不適宜在低溫環(huán)境下工作。熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）采用堿金屬(Li、Na、K)的碳酸鹽作為電解質，工作中電解質呈熔融狀態(tài)（600～700℃），導電離子為碳酸根離子(CO32-)。由于導電離子為碳酸根離子，為了及時補充電解質中的碳酸根損耗，陰極必須同時提供CO2，整個過程CO2沒有凈損耗，在陰極參與反應消耗，又在陽極生成，循環(huán)使用。MCFC工作溫度高，耐雜質性強，可以使用H2、CO和各種碳氫化合物等化石燃料。高溫燃料活性高，不需要昂貴的鉑系催化劑。廢熱溫度較高，可進一步利用。高溫下熔融碳酸鹽電解質具有一定腐蝕性，會影響電池的使用壽命。由于電池溫度高，對密封材料和隔膜材料的要求也更加苛刻。固體氧化物燃料電池（SOFC）電解質為氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）和CeO?基材料等固體氧化物，不存在由于流動液體帶來的泄漏和腐蝕問題，工作溫度較高（650~1000℃），可以用氫氣、甲烷、天然氣等碳氫化合物作為燃料，不需要專門的貴重金屬催化劑，一些特殊的過渡金屬氧化物即可起到催化作用。SOFC的主要問題是其高溫帶來的密封難題。質子交換膜燃料電池（PEMFC）電解質為全氟磺酸（PFSA）膜，這層膜具有選擇透過性，僅能讓質子通過，稱為質子交換膜。PEMFC工作溫度一般在60~80℃，溫度較低。PEMFC采用固態(tài)聚合物電解質，電池整體機械性能較好，甚至可做成柔性電池，因而應用廣泛，可作為汽車動力電源及小規(guī)模分布式電站和小型便攜電源。PEMFC的核心部件是膜集合體，又稱為膜電極組件（MembraneElectrodeAssembly，MEA），是由陽極、質子交換膜與陰極三者相結合的三明治結構。其結構如圖3-8所示。雙極板一側與前一個燃料電池的陽極側接觸，另一側與后一個燃料電池的陰極側接觸。雙極板的作用是分隔氧化劑與還原劑，為厚度較小的膜組件提供結構支撐，通過特殊結構的流場（反應氣流的通道）向電極提供反應氣，排出廢氣，密封作用，防止液、氣外漏，集流、導電、導熱，并協(xié)調水熱管理。質子交換膜被擠壓在兩個多孔電極之間，電極通常由碳纖維布或碳纖維紙制作而成。微觀上，電極通常包含很多功能層，靠近膜的一側由較細顆粒組成，并擔載金屬催化劑（如Pt），為催化層；遠離膜的區(qū)域由較大顆粒構成，為擴散層。PEMFC的主要關鍵材料有質子交換膜、陰陽極催化劑、雙極板等。質子交換膜（PEM）是PEMFC中最為核心關鍵的材料，目前最常用的PEMFC電解質是Nafion膜。PEMFC的陽極和陰極催化劑仍然以Pt或Pt合金為主。Pt或其合金需以納米顆粒形式擔載到高分散度的碳載體上，形成Pt/C復合催化劑。雙極板材質有石墨、鋁、鎳、銅、鈦及不銹鋼等，為了減緩金屬雙極板的腐蝕，通常需要將金屬板進行表面防腐蝕處理。從實驗室里的創(chuàng)新構想，到逐步走向市場的成熟技術，燃料電池承載著人類對綠色能源的美好愿景。它不僅是解決能源危機與環(huán)境污染的關