第五章之燃料電池簡(jiǎn)介-1

燃料電池燃料電池概述研究背景全球能源消耗的增長(zhǎng)——全球CO2排放量持續(xù)增長(zhǎng)——全球平均氣溫逐年攀升——?dú)夂蜃兓瘞?lái)災(zāi)難性后果

能源短缺和環(huán)境污染是全球所面臨的巨大挑戰(zhàn)全球CO2排放量使用新能源，節(jié)能減排已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，清潔、環(huán)保的可再生能源將得到快速發(fā)展過(guò)去十年，全球新能源領(lǐng)域投資總量增長(zhǎng)迅猛全球新能源產(chǎn)業(yè)投資總量增長(zhǎng)趨勢(shì)世界能源更替趨勢(shì)全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)情況全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)情況國(guó)際能源消費(fèi)經(jīng)過(guò)了木材、煤、石油、天然氣到太陽(yáng)能/氫能的更替，整個(gè)更替過(guò)程使用的燃料含碳量逐步降低；以氫氣為燃料，不產(chǎn)生碳排放——節(jié)能、環(huán)保、綠色、可再生

——?dú)淠埽喊l(fā)展趨勢(shì)、各國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略——目前正研究通過(guò)光伏等制氫燃料電池利用氫氣發(fā)電——?dú)淠艿淖罴牙谩獓?guó)際研究前沿、熱點(diǎn)5.1.燃料電池概述

5.1.1

簡(jiǎn)介

(1)什么是燃料電池？簡(jiǎn)單地說(shuō)，燃料電池1(FuelCell，簡(jiǎn)稱FC)是一種將存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。．作為一種新型化學(xué)電源，燃料電池是繼火電、水電和核電之后的第四種發(fā)電方式．與火力發(fā)電相比，關(guān)鍵的區(qū)別在于燃料電池的能量轉(zhuǎn)變過(guò)程是直接方式，如圖1-1所示(2)燃料電池發(fā)展過(guò)程中的重大事件

1839年，格羅夫發(fā)明“氣體伏打電池”，格羅夫也被稱為“燃料電池之父”；

1889年，蒙德和朗格爾改進(jìn)氫氧“氣體電池”并正式確定其名稱為“燃料電池”；

1896年，雅克研制成功第一個(gè)數(shù)百瓦（大約300瓦）的煤燃料電池；

1897年，能斯特發(fā)明“能斯特物質(zhì)”----YSZ（85%ZrO2+15%Y2O3),該物質(zhì)是目前廣泛使用的高溫固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料；

1899年，施密特發(fā)明第一個(gè)空氣擴(kuò)散電極；

1959年，培根和弗洛斯特研制成功6KW堿性燃料電池系統(tǒng),并用來(lái)驅(qū)動(dòng)叉車、圓盤鋸和電焊機(jī)；

1959年，艾麗斯-查爾莫斯公司開發(fā)出第一輛堿性燃料電池拖拉機(jī)，可以推動(dòng)3000lb(1lb=0.4536kg)的重物；

1960年，通用電氣公司開發(fā)成功質(zhì)子交換膜燃料電池；

1962年，質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用于雙子星座飛船；

1965年，堿性燃料電池用于阿波羅登月飛船；

1967年，通用汽車開發(fā)成功第一輛堿性燃料電池電動(dòng)汽車Electrovan；

1970年，科爾地什組裝了第一輛堿性燃料電池-鉛酸電池混合動(dòng)力轎車；

1972年，杜邦公司和格羅特發(fā)明了全氟磺酸質(zhì)子交換膜；

1979年，在美國(guó)紐約完成了4.5MW磷酸燃料電池電廠的測(cè)試；

1986年，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）開發(fā)成功第一輛磷酸燃料電池公共汽車；

(2)燃料電池發(fā)展過(guò)程中的重大事件

1986年，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)成功第一輛磷酸燃料電池公共汽車；

1988年，第一艘堿性燃料電池潛艇在德國(guó)出現(xiàn)；

1991年，日本千葉縣的11MW磷酸燃料電池試驗(yàn)電廠達(dá)到設(shè)計(jì)功率；

1993年，巴拉德電力系統(tǒng)公司開發(fā)成功第一輛質(zhì)子交換膜燃料電池公共汽車；

1996年，美國(guó)加利福尼亞州的2MW熔融碳酸鹽燃料電池試驗(yàn)電廠開始供電；

-----------(2)燃料電池發(fā)展過(guò)程中的重大事件5.1.2燃料電池的構(gòu)造燃料電池陰極陽(yáng)極電解質(zhì)

典型的燃料電池的構(gòu)造如右下圖所示．在陽(yáng)極（負(fù)極）上連續(xù)吹充氣態(tài)燃料，如氫氣．在陰極（正極）上連續(xù)吹充氧氣（或由空氣提供），這樣就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流．由于電極上發(fā)生的反應(yīng)大多為多相界面反應(yīng)，為提高反應(yīng)速率，電極一般采用多孔材料．各種燃料電池的材料也都有各自的特點(diǎn)．燃料電池的基本反應(yīng)5.1.3燃料電池與電池的區(qū)別（1）相同點(diǎn)：將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，有許多相似之處。（2）不同點(diǎn)：燃料電池是能量轉(zhuǎn)換裝置電池是能量?jī)?chǔ)存裝置。

一次電池：化學(xué)能儲(chǔ)存在電池物質(zhì)中,當(dāng)電池放電電時(shí),電池物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，直到反應(yīng)物質(zhì)全部反應(yīng)消耗完畢，電池就再也發(fā)不出電了．所以原電池所發(fā)出的最大電能等于參與電化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)完全反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的電能．二次電池：利用外部供給的電能，使電池反應(yīng)向逆方向進(jìn)行，再生成電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)．從能量角度看，就是將外部能量充給電池，使其再發(fā)電，實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用的功能．燃料電池：從理論上講,只要不斷向其供給燃料(陽(yáng)極反應(yīng)物質(zhì)，如H2),及氧化劑(陰極反應(yīng)物質(zhì)，如O2)，就可以連續(xù)不斷地發(fā)電,因而其容量是無(wú)限的.實(shí)際上，由于元件老化和故障等原因，燃料電池有一定的壽命．

嚴(yán)格地講，燃料電池是電化學(xué)能量發(fā)生器，是以化學(xué)反應(yīng)發(fā)電；一次電池是電化學(xué)能量生產(chǎn)裝置，可一次性將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能；二次電池是電化學(xué)能量的儲(chǔ)存裝置，可將化學(xué)反應(yīng)能與電能可逆轉(zhuǎn)換。5.1.4燃料電池的工作原理

雖然燃料電池的種類很多并且不同類型的燃料電池的電極反應(yīng)各有不同，但都是由陰極﹑陽(yáng)極﹑電解質(zhì)這幾個(gè)基本單元構(gòu)成，其工作原理是一致的。

由于它是把燃料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料電池。它是利用氫和氧生成水的過(guò)程來(lái)產(chǎn)生電力的一種裝置。燃料電池工作原理:通過(guò)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)連續(xù)地向其供給活物質(zhì)(起反應(yīng)的物質(zhì))--燃料和氧化劑,促使物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量直接將其轉(zhuǎn)換為電能。具體地說(shuō)，燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的"發(fā)電機(jī)"。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板所組成。工作時(shí)向負(fù)極供給燃料(氫H2)，向正極供給氧化劑(空氣O2)。氫在負(fù)極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過(guò)程。燃料氣（氫氣﹑甲烷等）在陽(yáng)極催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成陽(yáng)離子并給出自由電子；氧化物（通常為氧氣）在陰極催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子并產(chǎn)生陰離子；陽(yáng)極產(chǎn)生的陽(yáng)離子或者陰極產(chǎn)生的陰離子通過(guò)質(zhì)子導(dǎo)電而電子絕緣的電解質(zhì)運(yùn)動(dòng)到相對(duì)應(yīng)的另外一個(gè)電極上，生成反應(yīng)產(chǎn)物并隨未反應(yīng)完全的反應(yīng)物一起排到電池外，與此同時(shí)，電子通過(guò)外電路由陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)到陰極，使整個(gè)反應(yīng)過(guò)程達(dá)到物質(zhì)的平衡與電荷的平衡，外部用電器就獲得了燃料電池所提供的電能。下面以簡(jiǎn)單的酸性電解質(zhì)氫氧燃料電池為例說(shuō)明燃料電池的工作原理。氫氣作為燃料被通入燃料電池的陽(yáng)極，發(fā)生如下氧化電極反應(yīng)

H2+2H2O2H3O++2e-

氫氣在催化劑上被氧化成質(zhì)子，與水分子結(jié)合成水合質(zhì)子，同時(shí)釋放出兩個(gè)自由電子。電子通過(guò)電子導(dǎo)電的陽(yáng)極向陰極方向運(yùn)動(dòng)，而水合質(zhì)子則通過(guò)酸性電解質(zhì)往陰極方向傳遞。在陰極上，氧氣在電極上被還原，發(fā)生如下電極反應(yīng)

O2+4H3O++4e-6H2O

氧氣分子在催化劑的作用下，結(jié)合從電解質(zhì)傳遞過(guò)來(lái)的水合質(zhì)子以及外電路傳遞過(guò)來(lái)的電子，生成水分子?？偟碾姵胤磻?yīng)為：

2H2+O22H2O從此可以看出，燃料電池是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化裝置，只要外界源源不斷地提供燃料和氧化劑，燃料電池就能持續(xù)發(fā)電。從根本上講，燃料電池與普通一次電池一樣，是使電化學(xué)反應(yīng)的兩個(gè)電極半反應(yīng)分別在陰極和陽(yáng)極上發(fā)生，從而在外電路產(chǎn)生電流來(lái)發(fā)電的。所不同的是，普通一次電池，例如鋅錳電池，是一個(gè)封閉體系，與外界只有能量交換而沒有物質(zhì)交換。換句話說(shuō)，電池本身既作為能量的轉(zhuǎn)換場(chǎng)所也同時(shí)作為電極物質(zhì)的儲(chǔ)存容器，

當(dāng)反應(yīng)物消耗完時(shí)電池也就不能繼續(xù)提供電能了。而燃料電池是一個(gè)敞開體系，與外界不僅有能量的交換，也存在物質(zhì)的交換。外界為燃料電池提供反應(yīng)所需的物質(zhì)，并帶走反應(yīng)產(chǎn)物。從這種意義上講，某些類型的電池也具有類似燃料電池的特征，例如鋅空電池，空氣由大氣提供，不斷更換鋅電極可以使電池持續(xù)工作。

5.1.5燃料電池的類型和各類型的特點(diǎn)

燃料電池的種類很多，分類方法也有多種。表5-1的按電解質(zhì)的種類可分為五種類型的燃料電池。表5.1燃料電池分類及特點(diǎn)燃料電池堿性燃料電池（AFC）磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）固體氧化物燃料電池（SOFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）H2/O2質(zhì)子交換膜燃料電池直接甲醇燃料電池（DMFC）燃料電池工作溫度低溫燃料電池

高溫燃料電池

AFCPEMFC

PAFC

MCFC

SOFC

幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池燃料是液態(tài)的甲醇，發(fā)展迅速，商業(yè)潛力大幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池以氫為基礎(chǔ)的利用可再生能源的閉合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池唯一使用固體燃料的燃料電池5.1.6燃料電池的特性

特性優(yōu)點(diǎn)存在問(wèn)題燃料來(lái)源廣泛高效率可靠性高良好的環(huán)境效應(yīng)良好的操作性能靈活性高發(fā)展?jié)摿Υ?1)高效率

在燃料電池中,燃料不是被燃燒變?yōu)闊崮?而是直接發(fā)電,不受卡諾熱機(jī)效率的限制。理論上講，燃料電池可將燃料能量的90%轉(zhuǎn)化為可利用的電和熱，實(shí)際效率可望在80%以上

。這樣的高效率是史無(wú)前例的。燃料電池的效率與其規(guī)模無(wú)關(guān)，因而在保持高燃料效率時(shí)，燃料電池可在其半額定功率下運(yùn)行。

封閉體系蓄電池與外界沒有物質(zhì)的交換,比能量不會(huì)隨時(shí)間變化,但是燃料電池由于不斷補(bǔ)充燃料,隨著時(shí)間延長(zhǎng),其輸出能量也越多。燃料電池發(fā)電廠可設(shè)在用戶附近，這樣可大大減少傳輸費(fèi)用及傳輸損失。燃料電池的另一個(gè)特點(diǎn)是在其發(fā)電的同時(shí)可產(chǎn)生熱水和蒸汽。其電熱輸出比約為1.0，而汽輪機(jī)為0.5。這表明在相同的電負(fù)荷下，燃料電池的熱載為燃燒發(fā)電機(jī)的2倍。

（2）可靠性與燃燒渦輪機(jī)循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池的轉(zhuǎn)動(dòng)部件很少，因而系統(tǒng)更加安全可靠；電池組合是模塊結(jié)構(gòu),維修方便；處于額定功率以上過(guò)載運(yùn)行時(shí),它也能承受而效率變化不大；當(dāng)負(fù)載有變化時(shí),它的響應(yīng)速度也快。燃料電池系統(tǒng)發(fā)生的惟一事故就是效率降低。（3）良好的環(huán)境效益當(dāng)今世界的環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)威脅到了人類的生存和發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，本世紀(jì)經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，但是因?yàn)榄h(huán)境污染造成的死亡人數(shù)卻超過(guò)了戰(zhàn)爭(zhēng)的死亡人數(shù)。而環(huán)境污染的發(fā)生，大多數(shù)是由于燃料的使用，尤其是各種燃料的燃燒過(guò)程。因而，解決環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵是要從根本上解決能源結(jié)構(gòu)問(wèn)題，研究開發(fā)清潔能源技術(shù)。而燃料電池正是符合這一環(huán)境需求的高效潔凈能源。燃料電池發(fā)電廠排放的氣體污染物僅為最嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的十分之一，溫室氣體CO2的排放量也遠(yuǎn)小于火力發(fā)電廠。燃料電池中燃料的電化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物是水，其量極少，而且比一般火力發(fā)電廠排放的要清潔得多。因而，燃料電池不僅消除或減少了水污染問(wèn)題，也無(wú)需設(shè)置廢氣控制系統(tǒng)。燃料電池發(fā)電廠沒有火力發(fā)電廠那樣的噪聲源，因而工作環(huán)境非常安靜；不產(chǎn)生大量廢棄物，因而占地面積也少。燃料電池是各種能量轉(zhuǎn)換裝置中危險(xiǎn)性最小的。這是因?yàn)樗?guī)模小，無(wú)燃燒循環(huán)系統(tǒng)，污染物排放量極少。燃料電池的環(huán)境友好性是使其具有極強(qiáng)生命力和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展?jié)摿Φ闹饕颉?/p>

（4）良好的操作性能燃料電池具有其它技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)良的操作性能，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。其發(fā)電系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變動(dòng)的響應(yīng)速度快，無(wú)論處于額定功率以上的過(guò)載運(yùn)行或低于額定功率的低載運(yùn)行，它都能承受，并且發(fā)電效率波動(dòng)不大，供電穩(wěn)定性高。

（5）靈活性燃料電池發(fā)電廠可在2年內(nèi)建成投產(chǎn)，其效率與規(guī)模無(wú)關(guān)，可根據(jù)用戶需求而增減發(fā)電容量。這對(duì)電力公司和用戶來(lái)說(shuō)是最關(guān)鍵的因素及經(jīng)濟(jì)利益所在。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是全自動(dòng)運(yùn)行，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件很少維護(hù)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，適合用做偏遠(yuǎn)地區(qū)﹑環(huán)境惡劣以及特殊場(chǎng)合（如空間站和航天飛機(jī)）的電源。燃料電池電站采用模塊結(jié)構(gòu)，由工廠生產(chǎn)各種模塊，在電站現(xiàn)場(chǎng)集成，安裝，施工簡(jiǎn)單，可靠性高，并且模塊容易更換，維修方便。（6）燃料來(lái)源廣泛燃料電池可以使用多種初級(jí)燃料，如天然氣﹑煤氣﹑甲醇﹑乙醇﹑汽油，也可以使用發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料，如褐煤﹑廢木﹑廢紙，甚至城市垃圾，當(dāng)然這些燃料需經(jīng)過(guò)重整處理后才能使用。（7）發(fā)展?jié)摿θ剂想姵卦谛噬系耐黄?，使其可與所有的傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。作為正在發(fā)展的技術(shù)，磷酸燃料電池已有了令人鼓舞的進(jìn)展。熔鹽碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，將在未來(lái)15～20年內(nèi)產(chǎn)生飛躍性進(jìn)步。而其它傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，如汽輪機(jī)﹑內(nèi)燃機(jī)等，由于價(jià)格﹑污染等問(wèn)題，其發(fā)展似乎走到了盡頭。5.1.6燃料電池的特性

特性優(yōu)點(diǎn)存在問(wèn)題市場(chǎng)價(jià)格昂貴高溫時(shí)壽命及穩(wěn)定性不理想燃料電池技術(shù)不夠普及沒有完善的燃料供應(yīng)體系5.1.7燃料電池的應(yīng)用燃料電池可以作為宇宙飛船，人造衛(wèi)星，宇宙空間站等航天系統(tǒng)的能源，也可以用于并網(wǎng)發(fā)電的高效電站；它可以作為大型廠礦的獨(dú)立供電系統(tǒng)，也可作為城市工業(yè)區(qū)，繁華商業(yè)區(qū)，高層建筑物，邊遠(yuǎn)地區(qū)和孤立海島的小型供電站，此外，它還能用于大型通信設(shè)備和家庭的備用電源以及交通工具的牽引動(dòng)力等。

五種燃料電池各自處于不同的發(fā)展階段。

AFC是最成熟的燃料電池技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域主要在空間技術(shù)方面。在歐洲，AFC在陸地上的應(yīng)用一直沒有間斷。

PAFC試驗(yàn)電廠的功率達(dá)到1.3～11MW，50～250KW的工作電站已進(jìn)入商業(yè)化階段，但成本較高。

MCFC和SOFC被認(rèn)為最適合供發(fā)電，MCFC試驗(yàn)電廠的功率達(dá)到MW級(jí)，幾十至250KW工作電站接近商業(yè)化。SOFC的研究開發(fā)仍處于起步階段，功率小于100KW。