1。2 燃料电池

1。2。1 燃料电池的原理及组成

1、燃料电池的原理

燃料电池是一种有别于传统电池的新型电化学系统，它将燃料和电池两种概念结合在一起。它相当于一个“工厂”，在燃料输送进来的同时会把产生的电输出，而且，燃料电池在产生电的时候不会被消耗[2]。它的发电原理和化学电源很相似，是将燃料的化学能转化为电能。电子在电极的转移过程中，阳极催化燃料发生氧化反应，阴极催化氧化剂发生还原反应。燃料电池主要由四部分组成，分别是电极、燃料、电解质及氧化剂。

图1-1是一个详细的燃料电池反应示意图。燃料电池发生反应主要有以下四个步骤：

（1）反应物输入燃料电池；

（2）发生电化学反应；

（3）离子通过电解质传导，电子通过外电路传导；

（4）反应产物排出。

图1-1  燃料电池反应示意图

2、燃料电池的组成

燃料电池主要由以下四个部分组成[3]：

（1）电极（阳极和阴极）；是燃料发生氧化反应、电解质发生还原反应的电化学反应场所，主要为多孔结构，阳极和阴极主要是由具有电化学催化活性的材料制成，目前较理想的阳极材料是金属Ni和YSZ复合材料，阴极大多采用La1-XSrXMnO3；

（2）电解质；电解质是燃料电池的核心组件之一，大多采用的是氧化物陶瓷材料；

电解质的性能决定了电池的性能和工作温度，除此之外，他还影响着电极材料的选择和制备方法。

    （3）连接体；燃料电池的单电池功率很低，为了获得较大的输出功率，必须将单电池串联和并联到一起，组成电池堆。在SOFC电池堆中，连接体的作用是连接单电池，同时将燃料和空气隔绝开。目前，连接体材料主要集中于合金材料和LaCrO3基陶瓷材料两种；

（4）燃料；燃料电池的燃料可以是气态的（如氢气），也可以是液态的（如甲醇），少数情况下，固态碳也可以用作燃料电池的燃料；

1。2。2 燃料电池的特点及分类

燃料电池作为一种新型电池，主要有以下特点：

优点：

(1)效率高。燃料电池可以直接将化学能转化为电能，能量转化率在50%左右，综合效率甚至可以达到80%，效率远远高于内燃机；

(2)可靠性高，寿命长。燃料电池拥有全固态部件，无移动部件，非常可靠；

(3)污染少、噪声低。在工作过程中，反应的生成物主要是水蒸气等洁净气体，污染物排放量几乎为零，同时，燃料电池发电的过程中，机械部件摩擦少，几乎无噪音；

(4)燃料来源种类多。可以用作燃料电池的燃料包括天然气、氢气和液化燃料等，也可以使用沼气、甲醇等。由于燃料电池来源十分广泛，如果普及燃料电池，在一定程度上可以解决能源危机；

缺点：

（1）燃料电池的成本高，由于其所使用的材料的特殊性，使燃料电池的成本变得很高,目前仅被应用于几个特殊领域；

（2）燃料电池的温度兼容性，启/停循环的耐久性以及对环境的敏感性都受到限制，应用范围有相当大的局限性；

（3）燃料电池的功率密度有待于提升，目前燃料电池的功率密度满足不了生产要求，在汽车和便携式电子等领域难以形成竞争力；

（4）燃料的可用性及存储存在很多问题，根据目前的研究，氢气是燃料电池的最佳燃料，但氢气难以储存，制备也比较困难，所以在燃料方面还有很多难题未解决。

根据燃料电池电解质的不同[4,5]，可以将其分成5种类型：