(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 在今天這個經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的社會， 資源問題成了大家關(guān)注的重點(diǎn)問題。 煤炭、 石油量逐 漸減少，人們迫切地尋求可替代資源來緩解能源危機(jī)。 燃料電池也開始為越來越多的人關(guān)注， 對其的研究也在卓有成效的進(jìn)行。在中國， 2008 年奧運(yùn)會， 23 輛燃料電池汽車示范運(yùn)行 7.6 萬公里。到了 2010 年世博會，這個數(shù)字上升到 196 輛和 91 萬公里。燃料電池汽車是 “十五”期間全國 12 個重大研究專項(xiàng)之一。 2012 年 3 月兩會期間，科技部電動汽車重 大項(xiàng)目管理辦公室副主任甄子健認(rèn)為，燃料電池汽車在 5 到 10 年后，將可以像近兩年 的電動汽車一樣，通過示范運(yùn)行進(jìn)入商

2、業(yè)化銷售階段。作為一種新技術(shù)燃料電池對于 大家來說都還挺陌生，下面想來介紹一下加深大家的認(rèn)識。 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，英國的 William Grove 首次發(fā)現(xiàn)了水解過程逆反應(yīng)的發(fā)電現(xiàn)象，燃料電池的概念從此開始。 100 多年 后，英國人 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。 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， 隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速 發(fā)展，隨之而來的不僅是人類文明

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、 無污染， 燃料多樣化等優(yōu)點(diǎn)， 正進(jìn)一步引起世界各國的關(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。 它沒有傳統(tǒng)發(fā)電裝置上的原動機(jī)驅(qū)動發(fā)電裝置， 也沒有直接的燃燒過程。 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極上借助催化 劑的作用，電離成離子，由于離子能夠通過二電極中間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、 陽電極間形成電壓。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

6、世，并獲得優(yōu)先發(fā)展。 1993 年，世界上第一個以 PEMF 作為動力電源的電動客車出現(xiàn)在加拿大街頭。 燃料電池按電解質(zhì)的類型分類可分為： 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） 簡稱 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 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） 簡稱 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 液問題。 2. 3 質(zhì)子交換膜燃料電池 （proton exchange membrane fuel cell） 簡稱 PEMFC 這種電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì), 無電解質(zhì)腐蝕問題, 能

8、量轉(zhuǎn)換效率高, 無 污染。室溫下快速啟動。 2. 4 熔融碳酸鹽燃料電池 （molten carbonate fuel cell） 簡稱 MCFC 該型電池采用多孔 Ni /A1/Cr 作陽極，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),電荷移動很快,在陰陽電極處電化學(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)是啟動時(shí)間長。

9、 2. 5 固體氧化物燃料電池 （mild oxide fuel cell） 簡稱 SOFC 固體氧化物燃料電池，又稱高溫燃料電池，電解質(zhì)采用 ZrQ+Y2O3,陽極為 Ni+ZrO2（Y2Q）, 陰極為 La/SrMnO。電解質(zhì)允許氧離子自由通過，而不允許氫離子和電子通過。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 動時(shí)間長，工作溫度高，帶來材料耐高溫，耐腐蝕問題。 3. 應(yīng)用 3.1 AFC 在已開發(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（體系已被開發(fā)出來，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（可望在將來應(yīng)用于垃圾回收領(lǐng)域，解決一大社會難題。 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,無污染,可在室溫下快速啟動, 特別適合用做動力電源。 美國通用電器公司在 20 世紀(jì) 60 年代就將PEMF 電池用于雙子星座航天飛機(jī)。它又是電動車的最佳驅(qū)動電源，受到美國、德 國、加拿大和日本等發(fā)達(dá)國家政府及國際汽車業(yè)巨頭如德國奔馳公司和美國通用汽車公司等 企業(yè)的支持,發(fā)展勢頭非常強(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。 1999 年,美國福特汽車公司和日本豐田汽車

12、公司分別研制出質(zhì)子交換膜燃料電 池電動汽車。汽車工業(yè)的介入是推動 PEMF 快速發(fā)展的最主要的動力。 3.4 MCFC 美國是從事熔融碳酸鹽燃料電池最早和技術(shù)高度發(fā)展的國家之一， 美國對熔融碳酸鹽電 池的開發(fā)重點(diǎn)在大容量的 MW 級機(jī)組的開發(fā)，從事熔融碳酸鹽燃料電池研究和開發(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 動力公司和能量研究所（ERC）,這兩個 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，目的是發(fā)展 1 OOOkW 的熔融碳酸鹽燃料 電池分散電站。1993 年，大連化物所由所長基金資助 10 萬元開展了 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 開展百 w 級 MCF 裝置的研制。 3.5 S0FC 美國對 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 發(fā)。目前美國國內(nèi)進(jìn)行該項(xiàng)目的單位主

14、要有西屋動力公司， 霍尼韋爾公司， Delphi 自動系統(tǒng) 公司等幾家。作為日本“月光計(jì)劃” 的一部分，日本國內(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)， 中國科技大學(xué)，中科院北京化冶所等單位。 目前我國已具備 了研制數(shù)kw 級 SOF（發(fā)電系統(tǒng)的能力。 4. 燃料電池的應(yīng)用前景展望 隨著人類能源和生存環(huán)境的問題日益嚴(yán)峻， 積極發(fā)展高效無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， 它的高效無污染的突出優(yōu)點(diǎn)是其它發(fā)電方式所無法 比擬的： 1） 污染

15、小：火電站排出煙氣、汽車排出尾氣中的和 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 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)荷變動的適應(yīng)能力強(qiáng)： 火力發(fā)電的調(diào)峰問題一直是個難題， 發(fā)電出力的變動率 最大為 5，且調(diào)節(jié)范圍窄，而燃

16、料電池發(fā)電出力變動率可達(dá)每分鐘 66，對負(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)化效率也并無大的 變化，運(yùn)行得相當(dāng)平穩(wěn)。 4） 燃料來源廣： 燃料電池可以使用多種多樣的初級燃料， 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 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題 通過 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)的能量需求要通過消耗大量的化石燃料來滿足， 在傳統(tǒng)的能源利用方式中， 儲存于 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)過熱 機(jī)過程，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)電裝置和未來的汽車 動力電源等市場.不同種類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 動快， 無泄漏的突出優(yōu)點(diǎn)，可望在家庭供電、 供熱和電動車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前景十分誘人， 但是仍有一些目前尚未解決的