燃料電池作為一種清潔、高效的新型發電技術正受到越來越多的重視和廣泛的研究應用。自世界首只燃料電池于1940年誕生以來，至今各種品牌的固定型燃料電池和汽車用燃料電池已在發達國家投入使用。但是，在眾多的燃料電池類型中哪一種燃料電池最有可能在未來的電網中像發電機一樣源源不斷地向區域用戶供電（此時的燃料電池必須加上換流裝置才能和配電網相連），本文針對這一問題展開了討論。

1燃料電池的工作原理

燃料電池是一種化學電池，它不經過燃燒而以電化學反應方式將燃料的化學能直接變為電能。和其他化學電池不同的是，燃料電池工作時需要連續地向其供給燃料和氧化劑，所以稱為燃料電池。燃料電池由陽極、陰極和夾在這2個電極中間的固態或液態電解質組成，如1所示。

燃料電池在工作時向陽極供給燃料（氫或其他燃料），向陰極供給氧化劑（空氣或氧氣）。

氫在陽極分解成氫離子H＋和電子e－。氫離子進入電解質中，而電子則沿外部電路移向正極，用電的負載就接在外部電路中。在陰極上，氧同電解質中的氫離子吸收抵達陰極上的電子形成水。

2燃料電池分布式發電的評價標準

（1）發電能力。燃料電池的功率范圍必須能夠滿足區域內用戶的正常工作和生活需要。

（2）使用壽命。燃料電池的使用壽命只有達到4～5萬h，才能與現行發電技術競爭，實現商業化。

（3）商業可行性。其中包括建設、運行、維護、燃料成本以及比能量和比功率等指標。

（4）運行可靠性。主要是根據現階段燃料電池的技術現狀及發展趨勢確定。

3各類燃料電池技術分析

3.1堿性燃料電池（AFC）

（1）工作原理

AFC以KOH或NaOH溶液為電解質，濃度為30％～45％，導電離子為OH－。

（2）技術分析

技術優勢：AFC最大的優點是具有高效性，一般AFC的輸出電壓選定在0.80～0.95V時，其能量轉化率可達60％～70％；AFC采用非鉑電催化劑，如雷尼鎳、硼化鎳等，不但降低電催化劑的成本，而且也不受鉑資源的制約。

技術限制：AFC的電解質為堿性溶液，會與CO2反應生成固態碳酸鹽，因此不能以空氣為氧化劑，燃料中也不能含有CO2；當燃料電池的運行溫度在100℃以下時水呈液態，所以必須把它導出，否則會稀釋電解質，但這種條件下的排水方法及控制均較復雜；AFC以純氫為燃料，限制了它的實際應用。

3.2磷酸燃料電池（PAFC）

（1）工作原理

PAFC的電解質為100％的濃磷酸，H2為燃料，O2為氧化劑。

（2）技術分析

技術優勢：

PAFC作為一種簡單可靠的發電方式，其最大的優勢是它及其輔助設備維護都很少；CO2不與磷酸發生化學反應，因此可將空氣作為氧化劑，碳氫化合物如甲醇等也可作為燃料；磷酸是一種普通的無機酸，它具有良好的熱穩定性、化學和熱化學穩定性，同時在150℃以上具有低揮發性。

技術限制：

PAFC以碳氫化合物為燃料時需要經過中間轉化，而燃料轉化器無疑加大了整個發電系統的復雜度和成本；PAFC的效率與其他類型的燃料電池相比并無太大優勢，目前的發電效率為30％～40％，但如果考慮余熱利用，其綜合效率可達60％～70％。

3.3熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

（1）工作原理MCFC的導電離子為CO32－，與其他類型的燃料電池的區別是：在陰極CO2是反應物，在陽極CO2為產物，從而CO2在電池工作過程中構成了一個循環。為了確保電池穩定連續地工作，必須將在陽極產生的CO2送回到陰極。

（2）技術分析技術優勢：

MCFC為高溫燃料電池，其余熱利用價值頗高足以驅動蒸汽輪機；所用電催化劑以鎳為主，不使用貴金屬，可采用脫硫煤氣和天然氣作為燃料；電池隔膜與電極均采用帶鑄方法制備，工藝成熟，易于大批量生產。

技術限制：陰極溶解產生的鎳在隔膜中沉積將導致電池短路；陽極材料蠕變將影響電池的密封和性能；熔鹽電解質對電池雙極板材料的腐蝕；電解質的流失。

3.4固體氧化物燃料電池（SOFC）

（1）工作原理

目前大多數SOFC以6％～10％三氧化二釔（Y2O3）摻雜的氧化鋯為固體電解質，這種氧化物在高溫下具有傳遞O2－的能力。在陰極，氧分子得到電子被還原成氧離子，氧離子在電解質隔膜兩側電位差與濃度差的驅動下，通過電解質隔膜中的氧空位，定向躍遷到陽極側，并與燃料進行氧化反應。

（2）技術分析

技術優勢：

SOFC是全固體結構，無使用液體電解質帶來的腐蝕和電解液流失問題，可望實現長壽命的運行；

SOFC在800～1000℃下運行，電催化劑無需采用貴金屬，還可直接采用天然氣、煤氣和碳氫化合物作燃料，簡化了電池系統；SOFC排出的高質量余熱可與燃氣、蒸汽輪機構成聯合發電系統，大大提高綜合效率。

技術限制：

SOFC的技術難點源于其較高的工作溫度。電池的關鍵部件陽極、隔膜、陰極和聯結材料等在電池的工作條件下必須具備化學與熱的相容性，即在電池工作條件下電池構成材料間不但不能發生化學反應，而且其熱膨脹系數也應相互匹配。

3.5質子交換膜燃料電池（PEMFC）

（1）工作原理

PEMFC以全氟磺酸型固體聚合物作為電解質，鉑／碳或鉑－釕／碳為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑。

PEMFC的電極反應類同于其他酸性電解質燃料電池。

（2）技術分析

技術優勢：PEMFC具有可在室溫下快速啟動，無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與比能量高等突出特點。因此，PEMFC特別適宜于作為可移動動力源，如特種、電動車的動力源。

技術限制：PEMFC的電解質是一個薄聚合體隔膜，它在潮濕的狀態下可作為離子的導體，但是電子的絕緣體同時無法被氣體滲透。由于余熱無法被利用，PEMFC不適合熱電聯產；通常PEMFC的燃料是純氫，如果利用外部的燃料轉化器，將增加燃料電池的成本、復雜度。

3.6直接甲醇燃料電池（DMFC）

（1）工作原理

DMFC中的燃料是甲醇和水的混合物。陽極可以注入液態燃料（80～90℃）或者氣體燃料（120～130℃），陰極可注入空氣，以鉑和釕的混合劑作為催化劑。

H＋通過電解質從陽極傳送到陰極，陰極注入空氣。

（2）技術分析

技術優勢：結構簡單，體積小，重量輕。由于可用液態甲醇作為燃料，所以無需燃料存儲設備和燃料轉化器；催化劑不需要其他的特殊材料。

技術限制：當鉑催化劑與CO接觸時會使得催化劑失效；隔膜遇到的問題是甲醇試圖穿越隔膜跑到陰極去，通常叫做“甲醇滲透”或者統稱為“燃料滲透”，跑到陰極的甲醇干擾了陰極的反應，造成了燃料的浪費。

4結論

AFC、PEMFC、DMFC由于發電功率和其他一些技術條件的限制無法作為區域性電站實現供電，而就發電能力和運行可靠性而言，PAFC、MCFC、SOFC最有可能作為分布式電源用于區域性供電。