姚思童，司秀麗，楊軍，劉虹

(化學工程學)(沈陽市化工學校)

摘要：對燃料電池的發展現狀、高溫燃料電池產生并得以進一步發展的根本原因及高溫燃料電池的工作原理進行了綜述。

0引言

近年來，由于大氣中CO2含量的進一步增加，而使地球逐漸變暖，汽車尾氣及一些工廠排放的硫的氧化物和氮的氧化物導致了酸雨的形成。這些不良現象都是環境污染造成的。因此，環境污染問題越來越受到世界各國的重視。為了解決環境污染這一根本問題，實現清潔能源的愿望，就要減少使用發動機和煤的燃燒，提高能源的轉換和利用效率，研制出對環境沒有污染的材料。

我們所需的這種材料經世界各國科學家的多年努力，已經展現在我們面前。它就是發電無噪音、無污染、能量轉換效率高、被稱為未來世界十大科技之首的燃料電池。這是一種正在深入開發研制的理想能源。

1燃料電池的發展及其現狀

燃料電池是一種新型的無污染、高效率汽車動力和發電設備，它是隨著各種電源的發展而產生的一種能量轉換裝置。1893年Grove首先發明了燃料電池，但是在20世紀60年代前燃料電池還曾經被認為是一種高不可攀的新技術。然而經過各國科學家的不斷努力，終于在1965年8月由美國首先研制出第一個離子交換膜電池，并將其作為宇宙飛船的主要能源，用在航天事業上。從此，燃料電池作為一種化學能源，以其獨特的優點、優越的性能，在國際上越來越受到各國科學家的重視，并得到了進一步的研究和發展。

燃料電池的工作效率和功率密度主要依賴于所選用的電解質和催化劑材料以及工作溫度。

選取不同的電解質、催化劑和工作溫度，便可構成不同類型的燃料電池。到目前為止，已有五種主要類型的燃料電池。

(1)固體高聚物電解質型(SPFC)燃料電池，運行溫度80e；

(2)堿性型(ALFC)燃料電池，運行溫度約為100e；

(3)磷酸型(PAFC)燃料電池，運行溫度為200e；

(4)融熔碳酸鹽型(MCFC)燃料電池，運行溫度為650e；

(5)固體氧化物電解質型(SOFC)燃料電池，運行溫度為1000e。

隨著時代的發展，燃料電池也在不斷地發展和更新。有人將磷酸鹽型(PAFC)電池稱為第一代燃料電池；將融熔碳酸鹽型(MCFC)電池稱為第二代燃料電池；將高溫固體電解質型(SCFC)電池稱為第三代燃料電池。目前，第一代兆瓦級磷酸鹽型燃料電池技術上已基本成熟，并且已處于商業化生產階段，一系列0.05~11MWPAFC電池已經通過或正在試運行。美、日在這方面始終處于世界領先地位。1977年美國首先建成兆瓦級電池發電站，為工業和民用提供電力。

日本電力公司在東京灣也興建了一座1MW的大型燃料電池發電站，并于1991年運轉。第二代融熔碳酸鹽型燃料電池(MCFC)正處在研制階段，正由10~20kW向兆瓦級發展。日本已在1989年完成25kW的MCFC電池組的試驗，日本關西電力兆瓦公司和三菱電機公司共同研制成的MCFC燃料電池為100kW級，并開始進行運轉試驗。

第三代燃料電池SOFC正在積極的研制和開發中，雖然離實用化還有一段距離，但它是正在興起的新型能源之一。1991年6月美國能源部和威斯汀豪斯公司投資1.4億美元加速固態燃料電池的商業化，美國已有5kW的產品出售，并繼續對研制成的20~30kW電池進行工業規模放大試驗。

日本新能源和產業技術開發機構設立燃料電池研究委員會，開始研究固體電解質型燃料電池的實用化，計劃1993年春以前投入190萬美元，其開發目標是使電池在21世紀初達到實用。目前，固體電解質型燃料電池(SOFC)的一個開發動向是把貯氫合金和燃料電池結合起來，開發汽車用燃料電池。美國的Bilings最近發明的萊塞型燃料電池，被加拿大的Balland公司裝在公共汽車上進行試驗。

西歐國家對燃料電池的高經濟效益和低環境污染表示出濃厚的興趣，我國對燃料電池的研究還僅僅處于起步的階段。1989年底在美國召開了首屆SOFC國際會議。1991年又在希臘召開了第二次SOFC國際會議。

2高溫燃料電池的特點及工作原理

固體氧化物電解質型燃料電池(SOFC)又稱高溫燃料電池。自從1962年美國威斯汀豪斯公司設計出可實用的原型SOFC以來，已研制出加種類型的SOFC，其結構見表1。

高溫烯料電池(SOFC)是一種全固態的能量轉換裝置。與各種燃料制成的能源根本不同。燃料電池靠燃料(如H2)與氧化劑(如O2)的電化學作用而直接將燃料的化學能轉變為電能。SOFC具有以下獨特的優點：

(1)不受熱機效率的限制，能源轉換效率高，其效率是內燃機效率的2~3倍，理論效率可達80%，實用燃料電池效率現已達到60%。而且燃料電池中發生的化學反應是宇宙中最簡單的化學反應，參與反應的是氫(燃料)和氧(氧化劑)，生成物是水，所以完全沒有污染。

(2)燃料電池它不同于常規電池，它是一種能量轉換裝置，而不是能量儲存裝置，不需要耗時的充電過程。并且燃料電池的電極只用作化學反應的場所和電流的通道，并不參與化學反應，因而沒有電極損耗，工作可靠、壽命長。

(3)高溫燃料電池中不用液體電解質，其固體電解質的使用避免了材料的腐蝕，解決了電解質的控制問題。

SOFC的上述特點，充分展示出其發展前景遠大，在未來它將具有越來越強的競爭力和生命力。

燃料電池其作用原理是由WilliamGrove于1893年首先提出的，當時的燃料電池是用稀硫酸作為電解質，在室溫下工作。高溫燃料電池(SOFC)出現的較晚，它是繼1899年能斯特(Nennst)固體氧化物電解質的發現后而產生的。SOFC主要包括以下幾個組成部分：聯接材料、陽極、陰極、固體電解質。如圖1所示。

燃料電池的兩個電極(陽極和陰極)被固體電解質隔開(見圖2)。

燃料部分如氫被運送到陽極，在陽極燃料被氧化，電子被釋放到外環路。氧化劑部分如氧被送到陰極，在陰極氧化劑從外環路接受電子被還原。通過外環路的電子流支(電子從陽極到陰極)而產生直流電，電解質則在兩個電極間起傳導離子作用。

總之，高溫燃料電池以其獨特的優點、簡易的工作原理越來越引起人們的重視，SoFc作為新一代的燃料電池更加具有廣闊的前景。