燃料电池材料

燃料电池（FC）是一种等温进行，直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染地转化为电能的发电装置。它的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料（如氢）的氧化过程，阴极催化氧化剂（如氧）的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。但是FC的工作方式由于常规的化学电源不同，汽油、柴油燃料电池，是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换电能的装置。按电解质材料划分，燃料电池大致上可分为五种：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸燃料电池（MCFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。另外，直接甲醇燃料电池（DMFC）、再生型燃料电池（RFC）也是现在研究得比较多的燃料电池。这些电池的基本材料学基础如下：

（1）AFC电池使用稳定的氢氧化钾基质。

（2）PAFC电池以磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。较高的工作温度使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1%～2%的一氧化碳和百万分之几的硫时，磷酸燃料电池照样可以工作。

（3）SOFC电池工作温度比熔化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，它们使用氧化钇、氧化锆等固态陶瓷电解质，而不是使用液体电解质。对于熔化的碳酸盐燃料电池而言，高温意味着这种电池能抵御一氧化碳的污染，一氧化碳会随时氧化成二氧化碳。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大耐受性。由于它们使用固态的电解质，这种电池比熔化的碳酸盐燃料电池更稳定，但它们要使用耐高温材料，价格较贵。

（4）MCFC电池采用碱金属（Li、Na、K）的碳酸盐作电解质，电池工作温度为876～973 K。在此温度下电解质呈熔融状态，载流子为碳酸根离子。典型的电解质组成（质量分数）为62%碳酸锂＋38%碳酸钾。这种电池的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。在这样高的温度下，尽管硫是一个问题，而一氧化碳污染却不是问题了，且催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。

（5）PEMFC也称聚合物电解质膜、固态聚合物电解质膜或聚合物电解质膜燃料电池。电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚全氟磺酸（poly perfluorosul-phoni-cacid），和质子能够渗透但不导电的Nation，电机基本由碳组成。PEMFC要广泛应用最主要的问题是制造成本，因为膜材料和催化剂均十分昂贵。另一个问题是这种电池需要纯净的氢才能工作，因为它们极易受到一氧化碳和其他杂质的污染。这主要是因为它们在低温条件下工作时必须使用高敏感的催化剂。当它们与能在较高温度下工作的膜一起工作时，必须产生更易耐受的催化剂系统才能工作。

（6）DMFC电池是质子交换膜燃料电池的一种变种。它直接使用甲醇而不需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢然后再与氧反应。其缺点是转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的铂金催化剂。

（7）RFC电池技术相对较新，这一技术与普通电池的相同之处在于它也用氢和氧来生电、热和水。其不同的地方在于它还能进行逆反应，也就是电解。燃料电池中生成的水再送回到以太阳能为动力的电解池中，在那里分解成氢和氧组分，然后这种组分再送回到燃料电池。这种方法就构成了一个封闭的系统，不需要外部生成氢。