燃料電池技術(shù)

燃料電池技術(shù)燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。同時(shí)還有以下一些特點(diǎn)：

不管是滿負(fù)荷還是部分負(fù)荷均能保持高發(fā)電效率；

不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率；

具有很強(qiáng)的過負(fù)載能力；

適用燃料廣泛；

用天然氣和煤氣等為燃料時(shí)，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。

燃料電池的發(fā)明

早在１８３９年，英國科學(xué)家威廉葛洛夫(WilliamGrove)就提出了PEM燃料電池的原理。這是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的化學(xué)系統(tǒng)，它的主要部件為兩個(gè)電極和電解液。在正極（燃料電極），氫氣在催化劑作用下被拆開成為質(zhì)子（氫離子）和電子，其中氫離子通過電解液流到負(fù)極（氧氣電極），而電子不能通過電解液，留在正極，這樣就在兩極之間形成了電位差。如果接通兩極，氫原子分拆出的電子就會沿電路從正極流到負(fù)極，在那里同氫離子結(jié)合后，與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成水并釋放出熱量。雖然稱為燃料電池，其運(yùn)作過程中并不會產(chǎn)生明火。產(chǎn)生電能的過程也不需要旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)等運(yùn)動部件。因此燃料電池構(gòu)造簡單，能量利用率高，噪音小而且穩(wěn)定。理論上，應(yīng)用于汽車的燃料電池可以把氫燃料能量的６０～７０％轉(zhuǎn)化為動能，而內(nèi)燃機(jī)只能達(dá)到２０～２５％。

燃料電池的種類直接甲醇燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池固體氧化物燃料電池

一直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池——簡稱DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇為燃料，通過與氧結(jié)合產(chǎn)生電流的，優(yōu)點(diǎn)是直接使用甲醇，省去了氫的生產(chǎn)與存儲。

其電化學(xué)轉(zhuǎn)化過程又可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。直接燃料電池主要是甲醇在陽極被電解為氫和二氧化碳，氫通過質(zhì)子膜到陰極與氧氣反應(yīng)并同時(shí)產(chǎn)生電流。間接燃料電池是先將甲醇進(jìn)行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過質(zhì)子膜電解槽反應(yīng)而獲得供給汽車動力的電能。圖為世界最小的甲醇燃料電池。

直接甲醇燃料電池世界最小的甲醇燃料電池

日本則武公司的產(chǎn)品在改進(jìn)后，達(dá)到了160mW/cm2的高功率密度，性能約為原來的1.5倍。據(jù)分析，之所以能達(dá)到如此高的性能，主要原因在于使用了有機(jī)物和無機(jī)物的混合技術(shù)來制作電解質(zhì)材料，從而大大減少了甲醇透過電解質(zhì)膜的“甲醇滲透”現(xiàn)象，并提高了電解質(zhì)膜的形狀穩(wěn)定性。則武公司從事燃料直接使用液態(tài)甲醇的DMFC電解質(zhì)膜的開發(fā)，DMFC具有無需燃料改質(zhì)器、可在低溫下工作等優(yōu)點(diǎn)這種燃料電池以甲醇為能量來源。

這種燃料電池以甲醇為能量來源，手機(jī)，筆記本電腦將不再用充電。二、質(zhì)子交換膜燃料電池

在酸性溶液中負(fù)極：H2+2H2O-2e→2H3O+

（8-1）在堿性溶液中負(fù)極：H2+2OH--2e→2H2O（8-3）

因此，無論采用酸性還是堿性電解液，氫氧燃料電池的總反應(yīng)可表示為：

2H2+O2---H2O

這一反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氫的燃燒反應(yīng)，氫是一種燃料，而氧則是一種氧化劑。所以，在燃料電池中，負(fù)極上進(jìn)行燃料的氧化過程，而正極上進(jìn)行氧化劑的還原過程。燃料電池的負(fù)極常常又被稱作“燃料電極”，它是燃料電池的主要工作電極，正極又被稱作“氧化劑電極”，燃料電池中常用的氧化劑是空氣中的氧。

在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-，H+移動到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。三

固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池采用固體氧化物作為電解質(zhì)，除了高效，環(huán)境友好的特點(diǎn)外，它無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題；在高的工作溫度下電池排出的高質(zhì)量余熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上；它的燃料適用范圍廣，不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣（甲烷）、煤汽化氣，碳?xì)浠衔?、NH3、H2S等作燃料。這類電池最適合于分散和集中發(fā)電。

其工作原理如圖所示：固體氧化物燃料電池原理圖和一般燃料電池一樣，固體氧化物燃料電池也是由陽極、陰極及兩極之間的電解質(zhì)組成,但工作溫度相對較高，一般在800~1000℃。在陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如H2、CH4、煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體例如氫，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-

，在化學(xué)勢的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。固體氧化物燃料電池是一種新型全固體燃料電池，具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用全固體組件，不存在對漏液、腐蝕管理問題；可以用天然氣作燃料，通過內(nèi)部或外部重整利用石化燃料，有利于環(huán)境保護(hù)；不需要使用貴金屬催化劑，從而節(jié)約了貴金屬；余熱溫度較高，可以直接利用；可忽略正負(fù)極極化損失，極化損失集中在電解質(zhì)電阻上;電解質(zhì)的性能較穩(wěn)定，抗毒性較好；連續(xù)供給燃料、氧化物，電池就可連續(xù)發(fā)電。

我國硅酸鹽固體氧化物燃料電池取得突破目前各類燃料電池中能量轉(zhuǎn)化效率最高的“陶瓷電池”，竟是一枚約1毫米薄、巴掌大小的陶瓷片。從中科院上海硅酸鹽研究所獲悉，該所固體氧化物燃料電池小組在國內(nèi)率先取得突破進(jìn)展，有能力將300片“陶瓷電池”層疊串聯(lián)，功率可滿足一戶普通家庭用電需求。一塊僅10厘米見方的陶瓷電池單片。其關(guān)鍵夾層是一片以氧化鋯為主要成分的特種陶瓷，厚度為0.015毫米，比紙還薄。陶瓷薄膜正面涂有黑色的稀土金屬復(fù)合氧化物，作為正極；反面是一層較厚的綠色“金屬陶瓷”，作為負(fù)極。燃料電池電子設(shè)備應(yīng)用

隨著電子產(chǎn)品小型化的進(jìn)展，當(dāng)前鋰離子電池的能量密度，已經(jīng)不能滿足便攜式筆記本電腦、移動電話、PDA等電子設(shè)備的要求了。例如：一臺新型的P4筆記本電腦平均功耗在100W左右，若工作10h則需1kW·h，用7.4W·h的鋰離子聚合物電池供電需140塊，重量可達(dá)5～6kg；高性能的CPU要求400A/μs的轉(zhuǎn)換速率和100A以上的峰值電流，到2005年，此值將分別達(dá)到1000A/μs和150A；當(dāng)移動電話增加接收地面數(shù)字電視功能，采用大型真彩顯示屏?xí)r，其供電量可增加到現(xiàn)在的（通常為700mA·h）3～4倍，達(dá)2A·h以上。這一切都對微電子產(chǎn)品的供電系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。

燃料電池電子設(shè)備新的水燃料電池將是世界上最小的具備2瓦輸出能力的電池。這種電池利用DoCoMo公司的recharger技術(shù)和Aquafairy公司的薄膜技術(shù)將水中的氫分離出來，而放電時(shí)氫也發(fā)生化學(xué)反應(yīng)重新變成水。同樣尺寸的水燃料電池所能提供的電能是甲醇燃料電池的8倍，也就是說水燃料電池完全可以做得非常小以適應(yīng)手機(jī)的尺寸。與鋰離子電池相比，水燃料電池的充電時(shí)間相當(dāng)，容量則大上數(shù)倍，因此手機(jī)的待機(jī)時(shí)間也可以延長至數(shù)星期乃至一兩個(gè)月，通話時(shí)間也可以不再用小時(shí)計(jì)算。

燃料電池電子設(shè)備應(yīng)用東芝近年來，在各種展會上都會展出其設(shè)計(jì)研發(fā)的筆記本燃料電池，新型燃料電池采用甲醇作為燃料，通過化學(xué)反映產(chǎn)生電能，與采用鋰電池的東芝公司自己生產(chǎn)的筆記本電腦相比，50CC的甲醇可以連續(xù)使用5小時(shí)，超過鋰電池兩倍以上。燃料電池的另一個(gè)好處是只需填充燃料，而不必像鋰電池那樣再次充電。燃料電池中的甲醇依靠含二氧化碳的氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，排出物就是水，屬于無公害能源。東芝的燃料電池采用甲醇與氧氣直接產(chǎn)生化學(xué)反映的“直接反應(yīng)甲醇”。東芝展示的燃料電池供電的筆記本樣機(jī)

燃料電池電子設(shè)備日前，韓國的第一大化工公司LG化工已成功研制出可持續(xù)使用10小時(shí)的筆記本燃料電池。LG電子對外揭開了未來在筆記本上使用的甲醇燃料電池的神秘面紗，并宣布在今年的后半旬將全面商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，該燃料電池總體上比較便于攜帶。燃料電池電子設(shè)備日立終于在近期開發(fā)出如AA電池一般大小的燃料電池內(nèi)藏50立方厘米的甲醇，能讓普通的PDA產(chǎn)品堅(jiān)持使用6-8個(gè)小時(shí)。而據(jù)說日立正在開發(fā)能讓甲醇濃縮的技術(shù)，到時(shí)候電池將會有更長的使用時(shí)間。燃料電池在汽車上應(yīng)用布什：美國要戒“石油癮”在加州力推氫能源汽車

美國總統(tǒng)布什在加利福尼亞州首府發(fā)表講話，呼吁國人改變習(xí)慣，盡快從傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)換到更清潔的氫能源汽車。布什在當(dāng)天在參觀“加州燃料電池伙伴計(jì)劃”時(shí)他說，如今原油價(jià)格飛漲，迫使消費(fèi)者為汽油付出高價(jià)，損害了美國經(jīng)濟(jì)競爭力，加重了環(huán)境污染，也使美國更嚴(yán)重地依賴外國石油資源供應(yīng)，因此美國必須改變“對石油上癮”的現(xiàn)狀。從２００３年開始，美國在５年內(nèi)撥款１２億美元資助氫燃料電池的研究，迄今已取得一定成果。本田的氫動力車FCX

本田的ＦＣＸ氫動力車已經(jīng)在美國加利福尼亞州獲準(zhǔn)上市。燃料電池在汽車上應(yīng)用上海神力科技有限公司120KW第三代燃料電池大巴發(fā)動機(jī)和車上海神力科技有限公司承擔(dān)了國家863計(jì)劃“燃料電池發(fā)動機(jī)”項(xiàng)目神力公司燃料電池車

神力公司燃料電池發(fā)動機(jī)所采用的技術(shù)路線，不同于國際知名的大公司如加拿大巴拉德公司(BallardPowerSystems)、美國通用汽車公司(GM)等的高壓運(yùn)行技術(shù)，自主開發(fā)了常壓運(yùn)行的燃料電池技術(shù)，系統(tǒng)更為簡單，安全性、可靠性高，且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，已申請中國、美國專利102項(xiàng)。自2002年起，神力公司為清華大學(xué)的燃料電池大巴研制了三代(第一代50kw，第二代60kw，第三代100kw)發(fā)動機(jī)。凈輸出功率100KW

最大穩(wěn)定輸出功率120KW

峰值輸出功率150KW

電壓★300-480V(可以根據(jù)用戶要求調(diào)整)

電流★0-400A

能量轉(zhuǎn)化效率45%-52%

燃料存儲方式高壓鋁內(nèi)膽、碳纖維纏繞環(huán)氧樹脂浸漬的儲氫罐

燃料類型氣態(tài)氫

操作環(huán)境環(huán)境溫度0-50℃

相對濕度0-95%

工作溫度60-80℃

工作壓力常壓

物理特性長寬高1040mm×680mm×690mm*2

重量560kg(不包括驅(qū)動電機(jī))

噪聲76dB120KW第三代燃料電池大巴發(fā)動機(jī)結(jié)語

燃料電池的出現(xiàn)與發(fā)展，將會給便攜式電子