新能源發(fā)電課程設(shè)計(jì)燃料電池

1、丈f網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院新能源發(fā)電課程設(shè)計(jì)題目:燃料電池的利用學(xué)習(xí)中心：奧鵬學(xué)習(xí)中心層次:專升本專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化化年級(jí):2014 年3月春學(xué)號(hào):學(xué)生:輔導(dǎo)教師：康永紅完成日期：201年月 日燃料電池的利用燃料電池是一種直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn) 化為電能的發(fā)電裝置，被稱為繼水電、火電、核電之后的第四代 發(fā)電裝置。國(guó)際能源界預(yù)測(cè)，燃料電池將是21 世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電方式之一。燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及原理1. 燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)今燃料電池在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)被認(rèn)可為今后動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的大 方向，美國(guó)、歐洲和日本的各大汽車公司紛紛投入巨資進(jìn)行燃料 電池汽車的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)， 各國(guó)政府也在政策法規(guī)上給予了極大

2、的 支持。近期聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署（UNPD出資在全球5個(gè)國(guó)家6個(gè) 城市進(jìn)行燃料電池公共汽車的示范運(yùn)行。 斯圖加特大學(xué)汽車系已 經(jīng)開(kāi)設(shè)了燃料電池的專門課程， 可見(jiàn)燃料電池技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)日 趨成熟。戴姆勒 -奔馳汽車公司從 1993 年到 2000年先后推出了 NecarI 到 NecarV 和 Nebas 等系列燃料電池概念車。在上文提到 的在歐洲已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施的“歐洲清潔城市運(yùn)輸項(xiàng)目（CUTE ”中戴姆勒 -奔馳汽車公司功不可沒(méi)。寶馬車公司與德?tīng)柛９竞献?開(kāi)發(fā)車用固體氧化物燃料電池（IFC），并將其運(yùn)用在7系轎車。通用公司繼AUTOnom燃料電池概念車在2002年底特律車展 上亮相之后，又推出了

3、 Hy-Wire 全新概念車， 該車的安全極速 可達(dá)到 160 公里/ 小時(shí)。 另外， 美國(guó)聯(lián)邦快遞公司從 2003年 6 月 開(kāi)始在東京都市區(qū)使用“氫動(dòng)三號(hào)”作為郵件的運(yùn)送車輛。 福特 汽車公司采用最新的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)與先進(jìn)的新式燃料 電池也已經(jīng)打造出一款全新的高效率、零排放名為“焦點(diǎn)”（Focus）的轎車。日本自2003年起對(duì)燃料電池汽車實(shí)施免稅制 度以鼓勵(lì)其發(fā)展。豐田公司在 2002 年底宣布在日、美銷售燃料 電池車，和日產(chǎn)合作開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力電動(dòng)車。在國(guó)內(nèi)對(duì)燃料電池的研究已經(jīng)被列入國(guó)家 863 計(jì)劃，目前有 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所燃料電池工程中心、 清華大學(xué)和 同濟(jì)大學(xué)等三家學(xué)

4、術(shù)科研機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展對(duì)燃料電池的研究工作， 有報(bào)道說(shuō)今年將有若干輛燃料電池試驗(yàn)車輛在上海和北京試運(yùn) 行。并且報(bào)道上說(shuō)我國(guó)在燃料電池及電動(dòng)車領(lǐng)域的研究水平與發(fā) 達(dá)國(guó)家相差無(wú)幾，而且有關(guān)專家指出，我國(guó)完全有能力在這一領(lǐng) 域趕超世界先進(jìn)水平，我們盼望著這一天的早日到來(lái)。2.燃料電池的基本原理燃料電池是藉由電池內(nèi)發(fā)生燃料燃燒反應(yīng)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為 電能的裝置，負(fù)極除作為燃料與電解質(zhì)的共同接口，并對(duì)燃料的氧化反應(yīng)作催化；而正極則為氧氣與電解質(zhì)的共同接口，亦對(duì)氧的還原作催化。燃料電池因電解質(zhì)不同而有不同的名稱，有磷酸型(PAFC，phosphate fuel cell )、熔融碳酸鹽型 (MCFC，melt

5、carbonate fuel cell )與固態(tài)氧化物型 (SOFC，solidoxide fuel cell )與質(zhì)子交換膜型(PEMFC proton exchange membra ne fuel cell )等。對(duì)于以氫氧作燃料的燃料電池反應(yīng)示意圖如圖一所示，而其于堿性溶液中的電極反應(yīng)為：正極 1/202 + H20 + e> 20H-負(fù)極 H2 + 2OH> 2H2O + e-全反應(yīng) 1/2O2 + H2> H2O上述反應(yīng)僅為氫氧燃料電池的反應(yīng)式，對(duì)所采取的不同燃料 反應(yīng)亦將有所改變。而為加速電極反應(yīng)，電極中通常會(huì)加入催化 劑如鉑，但鉑在150C時(shí)會(huì)被CO所毒化而失

6、去催化的效果， 因此多加入銠或銥于鉑之中。 一般而言，對(duì)氧氣最佳的催化劑為 少量含金或銀的鉑鈀混合物。 此外，燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電 能的效率相當(dāng)高，約為 60%90之間。另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔 助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控 制系統(tǒng)及安全裝置等。燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的 燃料極(陽(yáng)極)和空氣極(陰極)、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體 流路的作用是使燃料氣體和空氣 (氧化劑氣體)能在流路中通過(guò)。在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMF反應(yīng)中與氫離子（H ）相關(guān)，

7、發(fā)生的反應(yīng)為：燃料極：H2=2H 2e- （1）空氣極：2H 1/2O2 2e-=H20（2）全體：H2 1/2O2=H2O（ 3）氫氧燃料電池組成和反應(yīng)循環(huán)圖在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H和e-，H移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的 02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02生成的H2Q除 此以外沒(méi)有其他的反應(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但 實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例

8、。引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出 力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC勺隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應(yīng)面積成比。PAFC勺電解質(zhì)為濃磷酸水溶液， 而PEMFCfe解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電 性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進(jìn)反應(yīng)，以 Pt作為觸媒，燃料氣體中的 CO將造成中毒，降低電極性能。為 此，在PAFC和 PEMF（應(yīng)用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是對(duì)于低溫工作的 PEM

9、F（更應(yīng)嚴(yán)格地加以限制。磷酸燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤 氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2經(jīng)過(guò)如此處理后的燃料氣體進(jìn)入燃料堆的負(fù)極（燃料極），同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極（空氣極）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒 劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能相對(duì)PAFC和PEMFC高溫型燃料電池 MCF（和SOFC則不要觸 媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應(yīng)用，而 且還具有易于利用其咼質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點(diǎn)。MCF（主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì) （通常是為L(zhǎng)i 與K混合的碳酸鹽）和上下

10、與其相接的2塊電極板（燃料極與空 氣極），以及兩電極各自外側(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、 電極夾等，電解質(zhì)在MCFC勺600700C的工作溫度下呈現(xiàn)熔融 狀態(tài)的液體，形成了離子導(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室 的形成采用抗蝕金屬。MCFCX作原理?？諝鈽O的 02（空氣）和CO2與電相結(jié)合，生 成CO23-（碳酸離子），電解質(zhì)將 CO23移到燃料極側(cè)，與作為 燃料供給的H相結(jié)合，放出e-,同時(shí)生成H2O和CO2化學(xué)反 應(yīng)式如下：燃料極：H2 CO23-=H2O 2e- CO2 （4）空氣極：CO2 1/2O2 2e-=CO23- （5）全體：H2 1/2O2=H2O（ 6）在這一反應(yīng)中，e

11、-同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放 出，通過(guò)外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC勺最大特點(diǎn)是，必須要有有助于反應(yīng)的CO23離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須 含有碳酸氣體。并且，在電池內(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣 主成份的CH4在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)部直接生成H2的方法也已開(kāi)發(fā)出來(lái)了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O 反應(yīng)生成H2,因此，可以等價(jià)地將 CO作為燃料來(lái)利用。為了獲 得更大的出力，隔板通常采用 Ni和不銹鋼來(lái)制作。SOFC是以陶瓷材料為主構(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2（氧化鋯），它構(gòu)成了 O2-的導(dǎo)電體Y2

12、03（氧化釔）作為穩(wěn)定化的 YSZ （穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3氧化鑭錳）。隔板采用LaCrO3（氧化鑭鉻）。為了避免因電池的形狀不同， 電解質(zhì)之間熱 膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開(kāi)發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開(kāi)發(fā)出了為避免應(yīng)力集中的圓筒型。SOFC勺反應(yīng)式如下：燃料極：H2 O2-=H2O 2e- (7)空氣極：1/2O2 2e-=O2- (8)全體：H2 1/2O2=H2O( 9)燃料極，H2經(jīng)電解質(zhì)而移動(dòng)，與 O2-反應(yīng)生成H2O和e-?？?氣極由O2和e-生成O2-。全體同

13、其他燃料電池一樣由 H2和O2 生成H2O在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無(wú)其他 觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)成H2加以利用，并且煤氣的主要成份 CO可以直接作為燃料利用。二.燃料電池的構(gòu)成及特點(diǎn)1. 燃料電池的構(gòu)成在燃料的部分，氫的儲(chǔ)存上通常是以壓縮氣體存于氫氣桶 中，而氧則可取自大氣或一樣由鋼桶中的壓縮氧氣提供；但若所采取的是液態(tài)燃料，則另需以適當(dāng)容器盛裝。在電極與電池的組成部分，在此以熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié) 構(gòu)來(lái)說(shuō)明。熔融碳酸鹽燃料電池主要是由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)基 底和集流板或雙極板構(gòu)成。1.1陽(yáng)極MCFC的陽(yáng)極催化劑最早采用銀和鉑，為降低成本，后來(lái)改

14、用了導(dǎo)電性與電催化性能良好的鎳。但鎳被發(fā)現(xiàn)在MCFC勺工作溫度與電池組裝力的作用下會(huì)發(fā)生燒結(jié)和蠕變現(xiàn)象，進(jìn)而 MCFC采用了 Ni-Cr或Ni-AI合金等作陽(yáng)極的電催化劑。加入 2%10%C的目的是防止燒結(jié)，但 Ni-Cr陽(yáng)極易發(fā)生蠕變。另外， Cr還能被電解質(zhì)鋰化，并消耗碳酸鹽，Cr的含量減少會(huì)減少電解質(zhì)的損失，但蠕變將增大。1.2陰極 熔融碳酸鹽燃料電池的陰極催化劑普遍采用氧化鎳。 其典型的制備方法是將多孔鎳電極在電池升溫過(guò)程中就地氧化， 而且部分被鋰化，形成非化學(xué)計(jì)量化合物，電極導(dǎo)電性極大提高。但是，這樣制備的NiO電極會(huì)產(chǎn)生膨脹，向外擠壓電池殼體，破壞殼體與電解質(zhì)基體之間的濕密封。 改

15、進(jìn)這一缺陷的方法有以 下幾種 : (l)Ni電極先在電池外氧化， 再到電池中摻 Li; 或氧化和摻 Li 都在電池外進(jìn)行 ; (2) 直接用 NiO 粉進(jìn)行燒結(jié)，在燒結(jié)前 摻 Li ，或在電池中摻 Li: (3) 在空氣中燒結(jié)金屬鎳粉，使燒結(jié)和 氧化同時(shí)完成 ; (4) 在 Ni 電極中放置金屬絲網(wǎng) ( 或拉網(wǎng) ) 以增強(qiáng) 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。1.3電解質(zhì)基底 電解質(zhì)基底是 MCFC勺重要組成部件，它的使 用也是MCFC的特征之一。電解質(zhì)基底由載體和碳酸鹽構(gòu)成，其 中電解質(zhì)被固定在載體內(nèi)?；准仁请x子導(dǎo)體，又是陰、陽(yáng)極隔 板。它必須具備強(qiáng)度高，耐高溫熔鹽腐蝕，浸入熔鹽電解質(zhì)后能 夠阻擋氣體通過(guò)， 而

16、又具有良好的離子導(dǎo)電性能。 其塑性可用于 電池的氣體密封，防止氣體外泄，即所謂“濕封”。當(dāng)電池的外殼為金屬時(shí)，濕封是唯一的氣體密封方法。1.4 集流板 ( 雙極板 ) 雙極板能夠分隔氧化劑和還原劑， 并提供氣體的流動(dòng)通道， 同時(shí)還起著集流導(dǎo)電的作用， 因此也稱作集流 板或隔離板。它一般采用不銹鋼 (如SS316, SS310)制成。在電 池工作環(huán)境中， 陰極側(cè)的不銹鋼表面生成 ，其內(nèi)層又有氧化鉻， 二者均起到鈍化膜的作用，減緩不銹鋼的腐蝕速度。SS310不銹鋼由于鉻鎳含量高于 SS316,因而耐蝕性能更好。一般而言，陽(yáng) 極側(cè)的腐蝕速度大于陰極側(cè)。 雙極板腐蝕后的產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致接觸電 阻增大， 進(jìn)而

17、引起電池的歐姆極化加劇。 為減緩雙極板陽(yáng)極側(cè)的 腐蝕速度，采取了在該側(cè)鍍鎳的措施。MCFC是靠浸入熔鹽的偏鋁酸埋隔膜密封， 稱濕密封。為防止在濕密封處造成原電池腐蝕， 雙極板的濕密封處通常采用鋁涂層進(jìn)行保護(hù)。1.5 電池整體結(jié)構(gòu) 熔融碳酸鹽燃料電池組均按壓濾機(jī)方式進(jìn) 行組裝，在隔膜兩側(cè)分置陰極和陽(yáng)極，再置雙極板，周而復(fù)始進(jìn) 行，最終由單電池堆積成電池堆。 氧化氣體和燃料氣分別進(jìn)入各 節(jié)電池孔道(稱氣體分布管)，MCFC電池組的氣體分布管有兩種 方式 : 內(nèi)氣體分布管和外氣體分布管。近年國(guó)外逐漸傾向采用內(nèi) 分布管方式， 并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。 氧化與還原氣體在電池內(nèi)的相 互流動(dòng)有并流、 對(duì)流和錯(cuò)流三

18、種方式， 少部分熔融碳酸鹽燃料電 池采用錯(cuò)流方式。2. 燃料電池的特點(diǎn)(1) 能量轉(zhuǎn)化效率高。效率高達(dá) 50%一 60%，通過(guò)對(duì)余熱的二次 利用，總效率可高達(dá) 80%一 85%。(2) 無(wú)污染，可實(shí)現(xiàn)零排放。工作過(guò)程的唯一產(chǎn)物是水。(3) 效率隨輸出變化的特性好。部分功率下運(yùn)行效率可達(dá)60%，短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)到 200%的額定功率。(4) 運(yùn)行噪聲低，可靠性高。無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)僅有氣 體和水的流動(dòng)。(5) 構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于維護(hù)保養(yǎng)。模塊化結(jié)構(gòu)，組裝和維護(hù)方便 ; 沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，磨損之類故障少。(6) 燃料( 氫氣) 來(lái)源廣泛。制備方法多樣，可通過(guò)石油、甲醇 等重整制氫，也可通過(guò)電解水、生物

19、制氫等方法獲取氫氣。(7) 燃料補(bǔ)充方便?？梢圆捎眉状嫉纫后w為燃料，利用現(xiàn)有的 加油站系統(tǒng)， 采用與汽車加油大體相同的燃料補(bǔ)充方式短時(shí)間內(nèi) 完成燃料的補(bǔ)充。(8) 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。它的功率密度高、過(guò)載能力大、可不依賴 空氣，因此可兩棲使用，適應(yīng)多種環(huán)境及氣候條件。三燃料電池的類型 燃料電池是電動(dòng)汽車重要?jiǎng)恿υ粗唬?迄今為止， 人們研 究過(guò)的燃料電池品種很多， 其分類方法也很多。 有按工作溫度高 低分類，如低(常)溫燃料電池、中溫燃料電池、高溫燃料電池(400C以上)；有按電池工作狀態(tài)分類，如固體燃料電池、液體燃料電池、氣體燃料電池；也有按燃料種類來(lái)分，如氫氧燃料 電池、鈉氧燃料電池、甲醇燃料電

20、池等。目前較為普遍接受的是 按電解質(zhì)的不同進(jìn)行分類。1. 堿性燃料電池 ( Alkaline Fuel Cell ， AFC) 堿性燃料電池的燃料是氫， 氧化劑是氧或空氣。 采用 35%50% 的KOH水溶液作為電解液，它浸在多孔性石棉膜中或裝在雙極板 電極的堿腔中， 石棉膜兩側(cè)分別壓上多孔性陰極和陽(yáng)極。 電池工作溫度一般在 60220C，可在常壓和加壓下工作。該電池的電 極反應(yīng)原理是：2. 磷酸燃料電池 (Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)磷酸燃料電池以純磷酸為電解質(zhì)，它包含在用PTFE粘結(jié)成的SiC粉末基質(zhì)中作為電解質(zhì)，其厚度一般只有100200卩m電解質(zhì)基質(zhì)兩

21、邊分別附有鉑催化劑的多孔性石墨陰極和陽(yáng)極。 在 陽(yáng)極(電池負(fù)極)，燃料氣中的氫氣在電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng) 生成H+，并放出電子：在陰極(電池正極)，H+和空氣中的氧進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成 水：電池總反應(yīng)電池工作溫度一般在 180210C。選擇這一溫度范圍依據(jù)是 磷酸的蒸汽壓、材料的耐腐蝕性能、催化劑耐CO能力及電池性能的要求。提高工作溫度會(huì)使電池發(fā)電效率更高。電池的工作壓力：小功率電池堆采用常壓操作；在較高壓力 下運(yùn)行時(shí)，會(huì)使電化學(xué)反應(yīng)速度加快，發(fā)電效率提高，因而大功 率電池堆則采取加壓操作，一般工作壓力設(shè)定在 0.70.8MPa。單電池工作電壓在 0.8V 以下，發(fā)電效率達(dá) 40%50%。 磷酸

22、燃料電池不受 CO2限制，可使用空氣作氧化劑；燃料可 以用重整氣，但由于電池使用鉑作催化劑，CO對(duì)電池性能影響很大。此外硫化物氣體也會(huì)降低電極的催化活性。該電池適合用作固定電站。雖然電池制作成本低，但它的運(yùn) 行發(fā)電成本比網(wǎng)電價(jià)格高很多。目前為15002000美元/ kW3. 熔融碳酸鹽燃料電池 (Molten Carbonate Fuel Cell ， MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池的電解質(zhì)是Li2CO3-Na2CO3或 Li2CO3-K2CO3的混合物熔鹽，浸在用LiALO2制成的多孔隔膜中，載流子是碳酸根離子。 陽(yáng)極催化劑通常采用 Ni-Cr 或 Ni-Al 合金； 陰極催化劑采用NiO,電

23、池工作溫度為600650C。電池的雙極 板通常采用不銹鋼或鎳基合金鋼制成。電池的成流反應(yīng)過(guò)程：氧氣在陰極（電池的正極）和 CO2-起在催化劑作用下被氧 化成CO32離子，后者在電解液中遷移到陽(yáng)極（電池的負(fù)極）， 與氫氣作用生成CO2和水。該種高溫燃料電池比低溫燃料電池具有許多優(yōu)勢(shì)：可以使 用石化燃料。 電池產(chǎn)生的廢熱具有更高的利用價(jià)值。 在較高 溫度下，CO是一種燃料。在較高溫度下，不需要使用貴金屬 作為催化劑。 電池反應(yīng)中的載流子不需要使用水介質(zhì)， 避免了 復(fù)雜的水管理系統(tǒng)。 熔融鹽燃料電池的燃料可以使用重整氣 體，也可以利用天然氣進(jìn)行內(nèi)部重整發(fā)電。 目前美國(guó)和日本均在 MW級(jí)實(shí)驗(yàn)電廠中作運(yùn)

24、行示范，對(duì)電堆的壽命、性能、成本和系 統(tǒng)可靠性進(jìn)行考核。這種電池不適合做電動(dòng)車動(dòng)力源。4. 固體氧化物燃料電池 （ Solid Oxide Fuel Cell ， SOFC）固體氧化物燃料電池電解質(zhì)是氧化釔摻雜的氧化鋯，它在 8001000C高溫下具有氧離子導(dǎo)電性。電池的成流反應(yīng)過(guò)程是： 空氣中的氧氣在陰極（電池的正極）得到電子生成氧離子O2-，后者經(jīng)過(guò)電解質(zhì)由陰極流向陽(yáng)極，同燃料分子（H2、CO或 CH4發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水并放出電子， 后者由陽(yáng)極經(jīng)外電路流向陰 極：SOFC的結(jié)構(gòu)主要有管式、平板式和瓦楞式三種，其中以管 式比較成熟。 該電池成本過(guò)高，限制了它的應(yīng)用。今后 除設(shè)法降低成本外，

25、還要研制新 材料，使工作溫度降低到 400600C。5. 質(zhì)子交換膜燃料電池 （Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC）質(zhì)子交換膜燃料電池系采用全氟磺酸質(zhì)子交換膜作電解質(zhì)， 可在常溫80C工作。燃料直接使用氫或直接使用甲醇。PEMF（具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動(dòng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。 近期發(fā)展很快，適合于作電動(dòng)汽車電源。6. 直接甲醇燃料電池 （ Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種，其膜電極 組件MEA基本上跟PEMFC目同，只是使用的燃料有所不同：DMFC 使用的是液態(tài)甲醇

26、，PEMF使用的是氣態(tài)氫。該電池的成流反應(yīng) 是：電池工作時(shí)，甲醇被輸送到陽(yáng)極室，在陽(yáng)極上被氧化為CO2，同時(shí)生成 6 個(gè)質(zhì)子和 6 個(gè)電子；電子經(jīng)外電路由陽(yáng)極到達(dá)陰極， 質(zhì)子經(jīng)質(zhì)子交換膜由陽(yáng)極到達(dá)陰極。 氧氣在陰極上與到達(dá)陰極的 質(zhì)子和電子結(jié)合生成水。 電子通過(guò)外電路做功。根據(jù)參與電池反應(yīng)的物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，DMFC的電動(dòng)勢(shì)達(dá)到1.21V，能量轉(zhuǎn)換效率高到 97%但由于在實(shí)際使 用時(shí)電極極化和歐姆壓降較大， 電池的輸出電壓和能量轉(zhuǎn)換效率 都較理論小很多。雖然由甲醇重整制氫作為 PEMF（氫源的電動(dòng)汽車已經(jīng)開(kāi)發(fā)了不少， 但作為車用動(dòng)力源的直接甲醇燃料電池 還研制得較少。雖然克萊斯勒公司曾開(kāi)發(fā)出 DMFC電動(dòng)汽車樣車， 但它的最高時(shí)速只有 35km/h ，續(xù)行里程也只有 15km。 2003 年 雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)公司試制出 DMF（摩托車，功率為500W重20kg, 間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間1000h。雖然如此，但 DMFC乍為小型儀器用電源 卻得到了很快發(fā)展。例如，杜邦和英國(guó)的CMR燃料電池公司已生 產(chǎn)出直接甲醇燃料電池的樣機(jī)， 其大小為目前用于便攜式電子設(shè) 備的標(biāo)準(zhǔn)電池的 1/10 ，成本為 1/5 。這種燃料電池的工作時(shí)間，