(完整word版)燃料電池的應(yīng)用與發(fā)展

1、燃料電池的應(yīng)用與發(fā)展 在今天這個(gè)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的社會(huì)， 資源問(wèn)題成了大家關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。 煤炭、 石油量逐 漸減少，人們迫切地尋求可替代資源來(lái)緩解能源危機(jī)。 燃料電池也開(kāi)始為越來(lái)越多的人關(guān)注， 對(duì)其的研究也在卓有成效的進(jìn)行。在中國(guó)， 2008 年奧運(yùn)會(huì)， 23 輛燃料電池汽車(chē)示范運(yùn)行 7.6 萬(wàn)公里。到了 2010 年世博會(huì)，這個(gè)數(shù)字上升到 196 輛和 91 萬(wàn)公里。燃料電池汽車(chē)是 “十五”期間全國(guó) 12 個(gè)重大研究專(zhuān)項(xiàng)之一。 2012 年 3 月兩會(huì)期間，科技部電動(dòng)汽車(chē)重 大項(xiàng)目管理辦公室副主任甄子健認(rèn)為，燃料電池汽車(chē)在 5 到 10 年后，將可以像近兩年 的電動(dòng)汽車(chē)一樣，通過(guò)示范運(yùn)行進(jìn)入商

2、業(yè)化銷(xiāo)售階段。作為一種新技術(shù)燃料電池對(duì)于 大家來(lái)說(shuō)都還挺陌生，下面想來(lái)介紹一下加深大家的認(rèn)識(shí)。 燃料電池發(fā)電是繼水力、 火力和核能發(fā)電之后的第四類(lèi)發(fā)電技術(shù)。 它是一種不經(jīng)燃燒直 接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。 1839 年，英國(guó)的 William Grove 首次發(fā)現(xiàn)了水解過(guò)程逆反應(yīng)的發(fā)電現(xiàn)象，燃料電池的概念從此開(kāi)始。 100 多年 后，英國(guó)人 Francis T . Bacon使燃料電池走出實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于人們的生產(chǎn)活動(dòng)。 20 世紀(jì) 60 年代， 燃料電池成功應(yīng)用于航天飛行器并逐步發(fā)展到地面應(yīng)用。 今天， 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速 發(fā)展，隨之而來(lái)的不僅是人類(lèi)文明

3、的進(jìn)步，更有能源危機(jī)，生態(tài)惡化。尋求高效、清潔的替 代能源成為擺在全人類(lèi)面前的重要課題。 繼火力發(fā)電、 原子能發(fā)電之后， 燃料電池發(fā)電技術(shù) 以其效率高、 排放少、質(zhì)量輕、 無(wú)污染， 燃料多樣化等優(yōu)點(diǎn)， 正進(jìn)一步引起世界各國(guó)的關(guān)注。 1. 燃料電池的工作原理： 燃料電池實(shí)際上是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器，它把燃料同氧化劑反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。 它沒(méi)有傳統(tǒng)發(fā)電裝置上的原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置， 也沒(méi)有直接的燃燒過(guò)程。 燃料和氧化劑從外 部不斷輸入， 它就能不斷地輸出電能。 它的反應(yīng)物通常是氫和氧等燃料， 它的副產(chǎn)品一般是 無(wú)害的水和二氧化碳。 燃料電池的工作不只靠電池本身， 還需要燃料和氧化劑供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn) 物

4、排放等子系統(tǒng)與電池堆一起構(gòu)成完整。 的燃料電池系統(tǒng) 燃料電池可以使用多種燃料， 包 括氫氣、 一氧化碳以及比較輕的碳?xì)浠衔铮?氧化劑通常使用純氧或空氣。 它的基本原理相 當(dāng)于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)， 即水的合成反應(yīng)， 燃料及氧化劑在電池的陰極和陽(yáng)極上借助催化 劑的作用，電離成離子，由于離子能夠通過(guò)二電極中間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、 陽(yáng)電極間形成電壓。當(dāng)電極同外部負(fù)載構(gòu)成回路時(shí)，就可向外供電 （發(fā)電） 。 2. 燃料電池的發(fā)展簡(jiǎn)史及其性能： 1839 年，William Grove 提出了氫和氧反應(yīng)可以發(fā)電的原理，并發(fā)明了第一個(gè)燃料電池。 他把封有鉑電極的玻璃管浸入稀硫酸中， 電解產(chǎn)生氫和

5、氧， 連接外部裝置， 氫和氧就發(fā)生電 池反應(yīng)，產(chǎn)生電流。 1897 年， WNernst 用氧化釔和氧化鋯的混合物作為電解質(zhì)，制作成了固體氧化物燃料 電池。 1900 年，E. Baur 研究小組發(fā)明了熔融碳酸鹽型燃料電池 （MCFC）.此后，I.Taitelbaum 等人就此進(jìn)行了一些拓展性的研究 1959 年，Bacon發(fā)明了雙孔燒結(jié) Ni 氣體擴(kuò)散電極，并演示了 5kW 勺堿性燃料電池系統(tǒng)。 1962 年，美國(guó)通用電力公司發(fā)展了 PEMF 技術(shù)，質(zhì)子交換膜燃料電池 PEMF 和 AFC 燃料電 池先后被成功用于雙子星座和 Apollo 登月飛行。 1967 年，磷酸燃料電池（PAFC 問(wèn)

6、世，并獲得優(yōu)先發(fā)展。 1993 年，世界上第一個(gè)以 PEMF 作為動(dòng)力電源的電動(dòng)客車(chē)出現(xiàn)在加拿大街頭。 燃料電池按電解質(zhì)的類(lèi)型分類(lèi)可分為： 堿性燃料電池 （AFC） , 磷酸型燃料電池 （PAFC） ， 質(zhì)子交換膜燃料電池 （PEMFC,熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC,固體氧化物燃料電池（SOFC,。 2. 1 堿性燃料電池（alkaline fuel cell） 簡(jiǎn)稱(chēng) AFC 這種電池是以氧氧化鉀或氫氧化鈉等堿性溶液為電解質(zhì)， 電解液滲透于多孔而惰性的基 質(zhì)隔膜材料中，導(dǎo)電離子為 0H，使用的電催化劑主要是貴金屬 （如鉑、鈀、金、銀等）和過(guò) 渡金屬（如鎳、鉆、錳等）或者由它們組成的合金。電池的

7、工作溫度一般在 60C90C范圍.它 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但不耐 CO,所以原則上它必須采用純氫和純氧做為燃料。 2. 2 磷酸鹽燃料電池 （phosphoric acid fuel cell） 簡(jiǎn)稱(chēng) PAFC 這種電池一般以 Pt/C 為電極基材， 電解質(zhì)為吸附于 SiC 上的 85%的磷酸溶液， 工作溫度 范圍在 150C -200 C，其主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生熱量高， 產(chǎn)生 CO 勺量少。缺點(diǎn)是電導(dǎo)率較低且有漏 液?jiǎn)栴}。 2. 3 質(zhì)子交換膜燃料電池 （proton exchange membrane fuel cell） 簡(jiǎn)稱(chēng) PEMFC 這種電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì), 無(wú)電解質(zhì)腐蝕問(wèn)題, 能

8、量轉(zhuǎn)換效率高, 無(wú) 污染。室溫下快速啟動(dòng)。 2. 4 熔融碳酸鹽燃料電池 （molten carbonate fuel cell） 簡(jiǎn)稱(chēng) MCFC 該型電池采用多孔 Ni /A1/Cr 作陽(yáng)極，NiO 為陰極。Li 2CO/ Na2CO 為電解質(zhì)，并加入 LiALO2做穩(wěn)定劑。MCF 型燃料電池由于反應(yīng)溫度高，正常工作溫度在 650C左右，電解質(zhì)成 熔融態(tài),電荷移動(dòng)很快,在陰陽(yáng)電極處電化學(xué)反應(yīng)快,因此可不用昂貴的貴金屬作催化劑； 對(duì)燃料適應(yīng)廣, 可直接使用天然氣或煤氣作為燃料使用, 降低了投資； 可同汽輪發(fā)電機(jī)組組 成聯(lián)合循環(huán)，進(jìn)一步提高發(fā)電效率.其優(yōu)點(diǎn)是高效，耐 CO 主要缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。

9、 2. 5 固體氧化物燃料電池 （mild oxide fuel cell） 簡(jiǎn)稱(chēng) SOFC 固體氧化物燃料電池，又稱(chēng)高溫燃料電池，電解質(zhì)采用 ZrQ+Y2O3,陽(yáng)極為 Ni+ZrO2（Y2Q）, 陰極為 La/SrMnO。電解質(zhì)允許氧離子自由通過(guò)，而不允許氫離子和電子通過(guò)。其電子導(dǎo)電 性很差,低溫時(shí)比電阻很大,因此,工作溫度要維持在 8001 00012 才能有較高的發(fā)電效 率從而要求采用高溫密封材料。其優(yōu)點(diǎn)是高效，耐 CQ 可以不用貴金屬催化劑。缺點(diǎn)是啟 動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，工作溫度高，帶來(lái)材料耐高溫，耐腐蝕問(wèn)題。 3. 應(yīng)用 3.1 AFC 在已開(kāi)發(fā)的燃料電池中堿性燃料電池是最早獲得實(shí)際應(yīng)用的。

10、美國(guó)的阿波羅登月飛船和 航天飛機(jī)等軌道飛行器都采用這類(lèi)燃料電池作為搭載電源， 實(shí)際飛行結(jié)果表明電池系統(tǒng)具有 很高的可靠性。 20 世紀(jì) 80 年代中期以后， 隨著一些新材料的應(yīng)用及工藝的不斷改進(jìn)， 堿性氫 氧燃料電池的性能得到完善，比如工作溫度、工作壓力、電流密度提高，比質(zhì)量 （單位功率 的質(zhì)量 ）顯著減小等。 3.2 PAFC 該型電池技術(shù)成熟，目前這類(lèi)電池在城市發(fā)電，供氣及其他工業(yè)項(xiàng) El 上廣為試用 如在 賓館、醫(yī)院、辦公樓、工廠等地方用 PAFC 來(lái)進(jìn)行輔助供電、供熱。還有一種采用生物氣體的 PAF（體系已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，而在廢棄物質(zhì)的處理方面，含有甲烷的沼氣或其他有機(jī)氣體已經(jīng)被 利用。大

11、規(guī)模利用生物沼氣的 PAF（可望在將來(lái)應(yīng)用于垃圾回收領(lǐng)域，解決一大社會(huì)難題。 3.3 PEMFC 質(zhì)子交換膜燃料電池以氟磺酸型或非氟磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì), 能量轉(zhuǎn)換效率 高,無(wú)污染,可在室溫下快速啟動(dòng), 特別適合用做動(dòng)力電源。 美國(guó)通用電器公司在 20 世紀(jì) 60 年代就將PEMF 電池用于雙子星座航天飛機(jī)。它又是電動(dòng)車(chē)的最佳驅(qū)動(dòng)電源，受到美國(guó)、德 國(guó)、加拿大和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家政府及國(guó)際汽車(chē)業(yè)巨頭如德國(guó)奔馳公司和美國(guó)通用汽車(chē)公司等 企業(yè)的支持,發(fā)展勢(shì)頭非常強(qiáng)勁。 1993 年,加拿大 Ballard 公司研制出世界上第一輛燃料電 池公共汽車(chē)。 1999 年,美國(guó)福特汽車(chē)公司和日本豐田汽車(chē)

12、公司分別研制出質(zhì)子交換膜燃料電 池電動(dòng)汽車(chē)。汽車(chē)工業(yè)的介入是推動(dòng) PEMF 快速發(fā)展的最主要的動(dòng)力。 3.4 MCFC 美國(guó)是從事熔融碳酸鹽燃料電池最早和技術(shù)高度發(fā)展的國(guó)家之一， 美國(guó)對(duì)熔融碳酸鹽電 池的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)在大容量的 MW 級(jí)機(jī)組的開(kāi)發(fā)，從事熔融碳酸鹽燃料電池研究和開(kāi)發(fā)的主要單位 為煤氣技術(shù)研究所（IGT），該所已于 1987 年組建了 M C 動(dòng)力公司和能量研究所（ERC）,這兩個(gè) 單位現(xiàn)在均具有熔融碳酸鹽燃料電池電站的生產(chǎn)能力， 日本從 1981 年開(kāi)始研究發(fā)展熔融碳酸 鹽燃料電池技術(shù)，在完成lkw,10kw,30kw 和 100kw 熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)的試驗(yàn)后， 于 1988

13、年由 23 家公司成立了熔融碳酸鹽燃料電池研究協(xié)會(huì)，目的是發(fā)展 1 OOOkW 的熔融碳酸鹽燃料 電池分散電站。1993 年，大連化物所由所長(zhǎng)基金資助 10 萬(wàn)元開(kāi)展了 MCF 研究，1994 年中科院 將 MCF列為院重點(diǎn)項(xiàng)目，投資 50 萬(wàn)元加以支持，目前大連化物所已完成 LiAI02隔膜材料的制 備，小電池設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)裝置的建立。 單電池性能已達(dá)到日本 20 世紀(jì) 80 年代中期水平、 正準(zhǔn)備 開(kāi)展百 w 級(jí) MCF 裝置的研制。 3.5 S0FC 美國(guó)對(duì) SOFC 勺研究處于世界領(lǐng)先地位， 2001 年 8 月更又投資 5 億美元進(jìn)行 SOF（的研制開(kāi) 發(fā)。目前美國(guó)國(guó)內(nèi)進(jìn)行該項(xiàng)目的單位主

14、要有西屋動(dòng)力公司， 霍尼韋爾公司， Delphi 自動(dòng)系統(tǒng) 公司等幾家。作為日本“月光計(jì)劃” 的一部分，日本國(guó)內(nèi)的三菱重工業(yè)公司在這一方面發(fā)展 迅速，計(jì)劃2010 年將 SOFCt 入實(shí)用化水平。國(guó)內(nèi) SOF（的主要研制單位有大連化物所， 中科院 上海硅酸鹽研究所， 吉林大學(xué)， 中國(guó)科技大學(xué)，中科院北京化冶所等單位。 目前我國(guó)已具備 了研制數(shù)kw 級(jí) SOF（發(fā)電系統(tǒng)的能力。 4. 燃料電池的應(yīng)用前景展望 隨著人類(lèi)能源和生存環(huán)境的問(wèn)題日益嚴(yán)峻， 積極發(fā)展高效無(wú)污染的能源成為日益迫切的 課題，燃料電池作為 21 世紀(jì)的綠色能源， 它的高效無(wú)污染的突出優(yōu)點(diǎn)是其它發(fā)電方式所無(wú)法 比擬的： 1） 污染

15、?。夯痣娬九懦鰺煔狻⑵?chē)排出尾氣中的和 NO 簷污染物污染了環(huán)境，更直接危 害人的身體健康。以氫氧燃料電池為例， 它的反應(yīng)產(chǎn)物是水， 與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比較，它 減少了粉煤灰造成的大氣污染； 同時(shí)， 由于它自身不需要用水冷卻， 可以減少傳統(tǒng)發(fā)電帶來(lái) 的廢熱污染； 2） 噪音低：燃料電池發(fā)電時(shí)噪聲很小， 實(shí)驗(yàn)表明，距離 40kW 磷酸燃料電池電站 4.6m 的噪 聲水平是 60dB,而 4.5MV 和 11MW 勺大功率磷酸燃料電池電站的噪聲水平已經(jīng)達(dá)到不高于 55dB 的水平。 3） 系統(tǒng)負(fù)荷變動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)： 火力發(fā)電的調(diào)峰問(wèn)題一直是個(gè)難題， 發(fā)電出力的變動(dòng)率 最大為 5，且調(diào)節(jié)范圍窄，而燃

16、料電池發(fā)電出力變動(dòng)率可達(dá)每分鐘 66，對(duì)負(fù)荷的應(yīng)答速 度快， 啟停時(shí)間很短。另外，燃料電池即使負(fù)荷頻繁變化，電池的能量轉(zhuǎn)化效率也并無(wú)大的 變化，運(yùn)行得相當(dāng)平穩(wěn)。 4） 燃料來(lái)源廣： 燃料電池可以使用多種多樣的初級(jí)燃料， 包括火力發(fā)電廠不宜使用的低 質(zhì)燃料， 作為燃料電池燃料來(lái)源的不僅可以是可燃?xì)怏w， 還可以是燃料油和煤。 煤炭是我國(guó) 的主要能源，煤炭的利用存在著污染大、 效率低、 資源不能充分合理利用的緊迫問(wèn)題 通過(guò) 煤制氣的方式為燃料電池提供原料氣而得到電能，是解決上述問(wèn)題的有效手段 5） 易于建設(shè)： 燃料電池具有組裝式結(jié)構(gòu)， 不需要很多輔機(jī)和設(shè)施。 由于電池的輸出功率 由單電池性能、 電池

17、面積和單電池?cái)?shù)目決定， 因而燃料電池電站的設(shè)計(jì)和制造也是相當(dāng)方便 的。 6） 能量轉(zhuǎn)化效率高：伴隨著工業(yè)化的進(jìn)程，全世界對(duì)能源的需求量也日益增加。目前， 絕大多數(shù)的能量需求要通過(guò)消耗大量的化石燃料來(lái)滿(mǎn)足， 在傳統(tǒng)的能源利用方式中， 儲(chǔ)存于 燃料中的化學(xué)能必須轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能， 受卡諾循環(huán)及材料性能的限 制，在機(jī)端所獲得效率只有 33-35 而燃料電池是直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，不?jīng)過(guò)熱 機(jī)過(guò)程，不受卡諾循環(huán)的限制， 因而轉(zhuǎn)化效率特高。目前，汽輪機(jī)或柴油機(jī)的效率最大值僅 為 40%50%。當(dāng)用熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)， 其效率僅為 35%40%;而燃料電池理論上能 量轉(zhuǎn)化率在 90以上， 在實(shí)際應(yīng)用中， 其綜合利用效率亦可達(dá) 70以上。 燃料電池良好的環(huán) 境特性使其應(yīng)用前景非常廣闊： 軍事、高可靠性的后備電源、 分散式發(fā)電裝置和未來(lái)的汽車(chē) 動(dòng)力電源等市場(chǎng).不同種類(lèi)的燃料電池有著不同的適用范圍和發(fā)展前景。 例如：PEF（因其啟 動(dòng)快， 無(wú)泄漏的突出優(yōu)點(diǎn)，可望在家庭供電、 供熱和電動(dòng)車(chē)電源方面得到廣泛的應(yīng)用; MCFC 和 SOF（適合中大容量發(fā)電裝置，并有可能同燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置或汽輪機(jī)發(fā)電裝置組成高效發(fā) 電裝置。 盡管燃料電池的市場(chǎng)前景十分誘人， 但是仍有一些目前尚未解決的