質(zhì)子交換膜燃料電池

1、質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介目錄n燃料電池的概念n燃料電池的分類n燃料電池的優(yōu)勢(shì)n燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀n燃料電池汽車燃料電池的概念n燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。n從結(jié)構(gòu)上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”，而是一個(gè)“發(fā)電廠”。電能轉(zhuǎn)換效率一般為45%-60%，而火力發(fā)電的效率一般在30%-40%。n燃料電池的概念是1839年W.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。 最近五年商業(yè)化發(fā)展非常迅速，在航空航天、交通運(yùn)輸、消費(fèi)電子產(chǎn)品及固定供電供熱裝置等領(lǐng)域有了很多成功運(yùn)用。n目前燃料電池根據(jù)應(yīng)用方式不同，分為三

2、大應(yīng)用領(lǐng)域類型：移動(dòng)型（Portable)、固定型(Stationary)、交通運(yùn)輸(Transport)燃料電池的分類n燃料電池按電解質(zhì)劃分已有6個(gè)種類得到了發(fā)展l堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell,AFC）采用氫氧化鉀溶液作為電解液 l磷酸鹽型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）采用200高溫下的磷酸作為其電解質(zhì) l熔融碳酸鹽型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）采用熔融態(tài)碳酸鹽作為其電解質(zhì) l固體氧化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）采用固態(tài)電解質(zhì) l質(zhì)子交換膜燃料

3、電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)l直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）屬于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介n質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡(jiǎn)稱PEMFC)，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極

4、為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。n兩電極的反應(yīng)分別為：n陽極(負(fù)極)：2H2-4e=4H+ n陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O n注意所有的電子e都省略了負(fù)號(hào)上標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。以陽極為參考時(shí)，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.51V 之間。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸

5、出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆(簡(jiǎn)稱電堆)。 燃料電池工作原理圖燃料電池電堆照片燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖直接甲醇燃料電池DMFCn屬于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。n相較于質(zhì)子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池具備低溫快速啟動(dòng)、燃料潔凈環(huán)保以及電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性。這使得直接甲醇燃料電池可能成為未來便攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。n體積小巧，燃料使用便利，潔凈環(huán)保，可以用作移動(dòng)電話和膝上型電腦的電源，將來還具有為指定的終端用戶使用的潛力；n其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電

6、池需要更多的白金催化劑。燃料電池的優(yōu)勢(shì)n潔凈、安全的發(fā)電裝置 有害氣體x、x及噪音排放都很低；積木化強(qiáng)，規(guī)模及安裝地點(diǎn)靈活，n能量轉(zhuǎn)化效率高 直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，不受卡諾效率限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料電能轉(zhuǎn)換效率在45%60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%40%。 多燃料系統(tǒng)、燃料熱值高 可根據(jù)各種燃料電池的用途和條件選擇使用最合適的燃料 n負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高 質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動(dòng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等n我國質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展歷程燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀n燃料電池可提供多樣化的能源解決方案，將來極有可能替代傳統(tǒng)的電源供應(yīng)裝置，如電池、內(nèi)燃

7、機(jī)。燃料電池的應(yīng)用及其廣泛，從家庭供電供熱、移動(dòng)電子設(shè)備供電到汽車動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。n根據(jù)燃料電池的應(yīng)用方式，一般分為移動(dòng)型（Portable)、固定型(Stationary)、交通運(yùn)輸型(Transport)；n2010年，全球燃料電池總出貨量同比增長40%，達(dá)到了創(chuàng)歷史記錄的23萬套，其中，移動(dòng)型燃料電池約占總出貨量的95%。值得注意的是，2010年全球銷售的燃料電池中有超過97%使用的是PEMFC，即質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，該類型燃料電池被認(rèn)為最適合應(yīng)用于新能源汽車。2007-2011全球燃料電池出貨量（根據(jù)應(yīng)用方式劃分）單位：千套資料來源：Fuel Cell Today2007-2011全

8、球燃料電池發(fā)電功率（根據(jù)應(yīng)用方式劃分）單位：MW資料來源：Fuel Cell Today2007-2011全球燃料電池出貨量（根據(jù)地區(qū)劃分）單位：千套資料來源：Fuel Cell Today2007-2011全球燃料電池發(fā)電功率（根據(jù)地區(qū)劃分）單位：MW資料來源：Fuel Cell Today根據(jù)出貨量劃分資料來源：Fuel Cell TodayPEMFC：質(zhì)子交換膜燃料電池 DMFC：直接甲醇燃料電池S O F C：固體氧化物燃料電池 MCFC：熔融碳酸鹽型燃料電池A F C：堿性燃料電池 P AFC：磷酸鹽型燃料電池根據(jù)發(fā)電功率劃分2010年全球各技術(shù)類型燃料電池發(fā)展?fàn)顩r參考數(shù)據(jù)資料來源：

9、Fuel Cell Today參考數(shù)據(jù)資料來源：Fuel Cell Today質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用n便攜式燃料電池n 每12克產(chǎn)品可以生產(chǎn)純度為99.999%的氫氣121克，能滿足產(chǎn)品5h的運(yùn)行需求。n 新加坡Horizon 燃料電池公司也對(duì)中國市場(chǎng)有興趣，主要目標(biāo)是MiniPak 電子充電器的應(yīng)用。這種產(chǎn)品可以在家用加氫站中加氫，每個(gè)加滿需要半小時(shí)，充滿后可滿足iPhone 4兩次充電需求，大概一周脫離電網(wǎng)的電量。4 W便攜式燃料電池充電器燃料電池汽車FCEV-Fuel Cell Electric Vehicle燃料電池汽車的工作原理是，使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發(fā)

10、生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生出電能啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車。甲醇、天然氣和汽油也可以替代氫（從這些物質(zhì)里間接地提取氫），不過將會(huì)產(chǎn)生極度少的二氧化碳和氮氧化物。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高23倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。在全球溫室效應(yīng)與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家的污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對(duì)低污染車輛之需求勢(shì)必增加。汽車業(yè)界近年來一直致力于開發(fā)氫燃料電池車。其中較為領(lǐng)先的有美國通用、德國戴姆勒、日本豐田和本田等。 國內(nèi)有上海的上汽集團(tuán)、同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院。由同濟(jì)大學(xué)與國內(nèi)五大整車廠合作生產(chǎn)、在上海世博園區(qū)示范運(yùn)營的196輛燃料電池汽車（含90輛燃料

11、電池轎車、6輛燃料電池客車和100輛燃料電池觀光車），自上海世博會(huì)開園以來連續(xù)運(yùn)行5個(gè)月。其中，僅在園區(qū)內(nèi)高架步道及北環(huán)路運(yùn)行的燃料電池觀光車一種車型，已累計(jì)載客137萬人次，總行駛里程達(dá)44萬余公里。通用Hy-wire氫動(dòng)三號(hào) 由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力，通過68升的氫氣儲(chǔ)存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動(dòng)機(jī)后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達(dá)400公里。 “氫動(dòng)三號(hào)”是首款在日本獲得綠色商用牌照的燃料電池車，也是首輛得到公路行駛許可的液氫燃料電池汽車。在所有獲準(zhǔn)在日本公路行駛

12、的燃料電池車中，“氫動(dòng)三號(hào)”以長達(dá)400公里的持續(xù)行駛距離拔得頭籌。起亞霸銳FCEV在2008年洛杉磯車展上亮相的起亞汽車的全新燃料電池電動(dòng)車型Borrego FCEV這款起亞Borrego FCEV車型配有全新的氫燃料電池和450伏100千瓦電機(jī)，最大功率為154馬力。根據(jù)起亞汽車官方的報(bào)道，這款全新SUV 0到60英里每小時(shí)的加速時(shí)間為12.8秒，最高時(shí)速為100英里每小時(shí)。起亞Borrego FCEV車型裝有10,000psi的氫氣儲(chǔ)藏罐，可以確保該款車型連續(xù)行駛426英里。燃料電池產(chǎn)業(yè)化的主要問題 系統(tǒng)及整套產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì) 燃料氫，其制備、儲(chǔ)存和分配等環(huán)節(jié)都存在問題 電池系統(tǒng)性能有待提高，有小型化和輕型化要求 成本高，現(xiàn)有50KW質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本為300美元/KW，但是，燃料電池電動(dòng)汽車應(yīng)用成本的目標(biāo)是50美元KW，距離還很大。如何提高燃料電池性能與降低其制造成本是燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化的關(guān)鍵問題之一。經(jīng)過近20多年的高速發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)PEMFC取得了巨大的進(jìn)步，成功地解決了很多問題。但是要想實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化，還有很多關(guān)鍵問題需要解