燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的装置。从理论上讲，只要持续供应燃料，燃料电池就能持续发电，被誉为继水电、火力、核电之后的第四代发电技术。那么，为什么要研究燃料电池呢？燃料电池的工作原理是什么？燃料电池主要有哪些类型？我国燃料电池的现状和未来研发方向如何？接下来，边肖将带领你进入燃料电池的世界。
1.为什么要研究燃料电池？
氢燃料电池具有燃料能量转换率高、噪音低、零排放等优点，可广泛应用于汽车、飞机、火车、固定电站等交通工具。自从燃料电池在载人航天、水下潜艇和分布式电站中应用以来，燃料电池一直受到世界各国政府和企业的关注。在未来煤电比例相对较低的情况下，由于风能、太阳能等可再生能源技术规模的增加，整个上游供电结构会越来越清洁。与目前许多发电厂和客车使用的传统燃烧技术相比，燃料电池有几个优点：
一是发电效率高达50% ~ 60%，若能组合成循环发电系统，其发电效率可高达70%以上；
第二，与传统的火力发电相比，燃料电池对环境的污染更低；
再次，由于内部元件少，燃料电池在运行时不会产生很大的噪音，一般噪音在50 dB ~ 70 dB。
2.工作原理和系统组成
2.1工作原理
燃料电池的发电原理类似于一次电池或二次电池。电解质膜两侧发生氢氧化反应和氧还原反应，电子确实通过外电路做功，反应产物是水(图1)。然而，与一次电池不同，燃料电池中的反应物不是预先储存在电池中，而是引入燃料气体和氧化气体进行反应，然后排出产物。因此，燃料电池不是储能装置，而是转换装置，在反应过程中，其电极和电解质不直接参与反应。
图1燃料电池的工作原理
2.2系统组成
燃料电池发电需要一个相对复杂的系统(图2)，包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统、电力管理与控制子系统等。其主要系统部件包括空气压缩机、加湿器、氢气循环泵、高压氢气瓶等。这些子系统和燃料电池堆(或模块)构成了燃料电池发电系统。燃料电池系统的复杂性给运行的可靠性带来了挑战。
图2燃料电池系统的组成
燃料电池堆
燃料电池堆是燃料电池动力系统的核心。它通过燃料电池中的电化学反应产生直流电(DC)。单个燃料电池产生的电流小于1v，所以通常将单个燃料电池串联起来形成燃料电池堆，典型的燃料电池堆可能由数百个燃料电池组成。燃料电池产生的能量取决于几个因素，例如燃料电池类型、电池尺寸、工作温度和供给电池的气体压力。
燃料处理器
燃料处理器将燃料转换成燃料电池可用的形式。根据燃料和燃料电池的类型，燃料处理器可以是用于去除杂质的简单吸附床，或者是多个反应器和吸附剂的组合。
功率调节器
功率调节包括控制电流特性，如电流(安培数)、电压和频率，以满足应用的需要。燃料电池以直流电的形式发电(DC)。在DC电路中，电子只向一个方向流动。如果使用燃料电池为使用交流电的设备提供动力，就必须将直流电转换成交流电。
空气压缩机
燃料电池的性能随着反应气体压力的增加而提高；因此，许多燃料电池系统包括空气压缩机，其可以将入口空气压力增加到环境大气压的2 ~ 4倍。对于运输应用，空气压缩机的效率应至少达到75%。在某些情况下，还包括膨胀机以从高压废气中回收电力。膨胀机的效率至少应达到80%。
阻尼器
PEM燃料电池的核心聚合物电解质膜在干燥的情况下无法很好的工作，所以很多燃料电池系统的进气口都安装了加湿器。加湿器通常由膜组成，膜可以由与PEM相同的材料制成。通过使干燥的进气在加湿器的一侧流动，使潮湿的排气在另一侧流动，燃料电池产生的水可以被循环利用，以保持PEM的良好水合作用。
2.3关键材料和部件
聚合物电解质膜燃料电池是燃料电池汽车应用研究的热点。质子交换膜燃料电池由几层不同的材料制成。PEM燃料电池的主要部件如图3所示。质子交换膜燃料电池的核心是膜电极组件，包括膜、催化层和气体扩散层。燃料电池中使用的硬件部件包括垫圈和双相钢板，垫圈提供密封以防止气体泄漏，双相钢板用于组装个人PEM燃料电池和燃料电池堆并提供气体燃料和空气通道。
图3关键材料和部件
催化剂是燃料电池的关键材料之一，其作用是降低反应活化能，促进氢氧在电极上的氧化还原过程，提高反应速率。由于氧还原反应(ORR)的交换电流密度低，是燃料电池总反应的控制步骤。目前燃料电池常用的商用催化剂是Pt/C，由分散在碳粉上的Pt纳米颗粒负载(如XC-72)。
质子交换膜是一种聚合物电解质膜，在燃料电池中起着传导质子和隔离阴阳极反应物的重要作用。它还被用作制备CCM膜电极的催化剂载体，CCM膜电极是燃料电池的核心器件，是决定燃料电池性能、寿命和成本的关键部件。在实际应用中，要求质子交换膜具有高的质子传导率和良好的化学及机械稳定性。
膜电极组件MEA是膜、催化层和扩散层的一体化组件，也是燃料电池的核心部件之一。目前国际上已经制定了第三代MEA的技术路线(图4)。其中第一代和第二代技术基本成熟，国内有鑫源电力、武汉新能源等公司可以提供膜电极产品。第三代有序膜电极技术在国内外仍处于研究阶段。
图4 mea制备的技术路线
燃料电池双极板的作用是传导电子、分配反应气体和帮助排出生成的水。功能上要求双极板材料是电和热的良导体，具有一定的强度和气体致密性。从性能稳定性方面考虑，要求双极板在燃料电池酸性(pH=2 ~ 3)、电位(~ ~1.1 V)、湿热(气水两相流，~ 80)的环境中具有耐腐蚀性，并具有一定的疏水性，以辅助燃料电池产生的水的排出。从产品化方面，要求双极板材料要易于加工，成本低。燃料电池常用的双极板材料有硬碳板、复合双极板和金属双极板。
燃料电池堆是燃料电池发电系统的核心。通常，为了满足一定的功率和电压要求，电堆通常由数百个单体电池串联而成，反应气体、生成水和冷却剂等流体通常以并联或特殊设计的方式(如串并联)流过每个单体电池。燃料电池堆的均匀性是制约燃料电池堆性能的重要因素。
3.燃料电池的主要类型
一般来说，燃料电池可分为磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、碳酸溶菌酶燃料电池等，如表1所示。近年来，随着对燃料电池研究的深入，直接碳燃料电池、微生物燃料电池、直接甲醇燃料电池、葡萄糖/O2酶燃料电池等逐渐出现。在上述类型中，发展最早的燃料电池是磷酸燃料电池和碱性燃料电池，也被称为第一代燃料电池，迄今为止已经发展出相对成熟的技术。第二代燃料电池是熔融碳酸盐燃料电池，第三代燃料电池是固体氧化物燃料电池。
表1燃料电池的分类
4.现状及未来研发方向
我国在整车、系统、电堆方面都有布局，但在零部件方面相关企业还很少，尤其是最基础的关键材料和零部件，如质子交换膜、碳纸、催化剂、空压机、氢循环泵等。虽然国内部分企业已经开始介入，但在可靠性和耐久性方面与国际先进产品相比仍有较大差距，大部分关键零部件和材料仍依赖进口。
虽然燃料电池汽车发展迅速，但从商业化要求来看，我国车用燃料电池技术还有一定差距。未来，需要加强以下几个方面的布局：
1)提高燃料电池堆的性能和比功率。目前，我国燃料电池汽车电堆的功率水平普遍较低。国内车用燃料电池堆以30 ~ 50 kW为主，与国际乘用车燃料电池100 kW左右的功率水平相差甚远。
2)提高燃料电池的耐久性。提高燃料电池堆和系统的耐久性是燃料电池商业化的前提。目前，改善系统控制策略是提高燃料电池汽车耐久性的有效途径之一。
3)降低燃料电池的成本。建议开发低成本材料和组件，如低铂催化剂和膜电极、低成本双极板和系统组件，并实现批量生产，以降低电堆和系统成本。
4)加强关键材料和核心零部件的量产技术。这严重制约了我国氢燃料电池产业的自主可控发展，加强上述关键材料核心部件的技术改造，加快形成具有完全自主知识产权的批量制备技术并建立产品生产线，全面实现关键材料核心部件的国产化和批量生产。责任编辑：抄送
