制氫及其在燃料電池中的基礎(chǔ)應(yīng)用研究

1、i海納百川，大道致遠(yuǎn)。題目：制氫及其在燃料電池中的基礎(chǔ)應(yīng)用研究專業(yè)班級(jí)：2013級(jí)車輛工程2班學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：2016年11月11日 #制氫及其在燃料電池中的基礎(chǔ)應(yīng)用研究摘要本文首先綜述了當(dāng)前能源現(xiàn)狀和形勢(shì)，并分析了氫能的巨大發(fā)展?jié)摿σ约皻淙剂想姵氐陌l(fā)展趨勢(shì)，詳細(xì)介紹了氫燃料電池系統(tǒng)中氫源的開發(fā)和制氫以及氫燃料電池利用等技術(shù)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和主流研究進(jìn)展。其次，概述了燃料電池的基本情況，并針對(duì)幾種不同的燃料電池分析其工作原理以及各種燃料電池的相關(guān)研究進(jìn)展和應(yīng)用前景。最后，隨著氫燃料電池這一環(huán)境友好的發(fā)電方式在技術(shù)上的不斷突破，許多其他的關(guān)于氫的技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，并將伴隨著氫在燃料

2、電池的發(fā)展和應(yīng)用，一同步入氫能的時(shí)代。關(guān)鍵詞：氫能；制氫技術(shù)；燃料電池。illHydrogenproductionanditsapplicationinfuelcellAbstractInthispaper,thecurrentstatusandsituationofenergyresourcesarereviewed.Thedevelopmentpotentialofhydrogenenergyandthedevelopmenttrendofhydrogenfuelcellareanalyzed.Thedevelopmentofhydrogensourceandtheuseofhydroge

3、nfuelcellinhydrogenfuelcellsystemareintroducedindetailofthelatestresearchprogressandmainstreamresearchprogress.Secondly,thebasicsituationofthefuelcellissummarized,andtheworkingprincipleandtherelatedresearchprogressandapplicationprospectofvariousfuelcellsareanalyzedforseveraldifferentfuelcells.Finall

4、y,withhydrogenfuelcellsasanenvironmentallyfriendlypowergenerationtechnologyinthecontinuousbreakthrough,manyotherhydrogentechnologyhasalsobeenrapiddevelopment,andwillbeaccompaniedbyhydrogeninthedevelopmentandapplicationoffuelcells,asynchronousHydrogenenergyintotheera.Keywords:Hydrogenenergy;hydrogenp

5、roductiontechnology;fuelcell. IV目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 緒論1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1、制氫技術(shù)1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1化學(xué)制氫技術(shù)1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.1.1催化重整制氫技術(shù)11.1.2其他化學(xué)制氫技術(shù)2 HYPERLINK l bookmark38 o Current

6、 Document 2、燃料電池3 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.1燃料電池的分類4 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2.2各種燃料電池的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀42.2.1堿性燃料電池42.2.2固體聚合物燃料電池42.2.3磷酸型燃料電池52.2.4熔融碳酸鹽燃料電池62.2.5固體氧化物燃料電池6 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 2.2.6其余的燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀7 HYPERLINK l bookmark54 o Current D

7、ocument 3、氫燃料電池改進(jìn)7 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.1堿性燃料電池(AFC)8 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.1.1陽極催化劑8 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.1.2陰極催化劑8 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.1.3電解質(zhì)8 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 3.2質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)8

8、HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 3.2.1質(zhì)子交換膜8 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 3.2.2陽極催化劑8 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 3.2.3陰極催化劑9 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 3.2.4雙極板9 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 4、展望9 HYPERLINK l bookmark76 o Current Docum

9、ent 參考文獻(xiàn)10 緒論能源是人類賴以生存和發(fā)展的源泉，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,已有的能源正在以越來越快的速度消耗，專家預(yù)言:包括石油、煤、天然氣等在內(nèi)的礦物質(zhì)能源將在未來的100200年內(nèi)耗盡，不僅如此，過度的化石燃料燃燒帶來了日益嚴(yán)重的溫室效益、環(huán)境污染，能源問題已然成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。日益匿乏的化石能源和嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，也迫使我們尋求新的無污染的可再生能源。其中具有代表性的有風(fēng)能、潮汐能、太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉础Ｈ欢@些可再生能源發(fā)電系統(tǒng)由于運(yùn)行的間歇性和地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，其大規(guī)模運(yùn)用受到了很大的制約。氫能源，作為一種重要的清潔、綠色能源，是最理想的能源，它有別于風(fēng)能、潮汐能、太陽能

10、、地?zé)崮艿刃滦湍茉?，它可直接燃燒。不僅是一種含能體能源，而且它燃燒熱量高，無污染，來源廣，是煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源所無法比擬的，為解決全球面臨的能源危機(jī)帶來了無限曙光。對(duì)于氫能的利用來說，氫的規(guī)模制備是氫能應(yīng)用的基礎(chǔ)，氫的規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵，氫燃料電池汽車是氫能應(yīng)用的主要途徑和最佳表現(xiàn)形式。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使氫能源很好的運(yùn)用于燃料電池中，高效的將氫能轉(zhuǎn)化為電能，使氫能在便攜式電源、備用式電源、移動(dòng)電源方面得到長(zhǎng)足發(fā)展，為氫能大規(guī)模替代礦物能源奠定基礎(chǔ)。1、制氫技術(shù)在氫源的開發(fā)和制氫技術(shù)領(lǐng)域有3個(gè)方向，分別為化石燃料（石油、煤和天然氣）的裂解、電解水和生物制氫。其中，電解水制氫是一

11、種完全清潔的制氫方式，但能耗量較大，在現(xiàn)場(chǎng)制氫方面的應(yīng)用受到了一些限制。生物制氫法因產(chǎn)氫機(jī)理了解得尚不深入，在菌種培育、細(xì)菌代謝路徑、細(xì)菌產(chǎn)氫條件等方面的許多問題還有待研究。因此，目前主要的大規(guī)模產(chǎn)氫方式仍是化學(xué)制氫。其中催化重整制氫仍然是大規(guī)模制氫的主流。11化學(xué)制氫技術(shù)1.1.1催化重整制氫技術(shù)該技術(shù)的氫由重整器產(chǎn)生，重整器使用的原料可以是天然氣、汽油、柴油等各種烴類以及甲醇、酒精等各種醇類燃料。目前使用的重整技術(shù)主要有蒸氣重整、部分氧化和催化部分氧化重整、自熱重整以及等離子體重整等。不同的重整技術(shù)在結(jié)構(gòu)、效率和對(duì)燃料的適應(yīng)性等方面有不同的特點(diǎn)，并在不同的使用條件下發(fā)揮出它們各自的優(yōu)勢(shì)，蒸

12、氣重整是目前使用最廣泛的制氫方式。1.1.1.1蒸氣重整蒸氣重整法制取的氫氣含量高，是目前最常用的一種重整制氫方式。采用這種方法，將燃料與水蒸氣混后進(jìn)入重整器，在高溫和催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，所用的燃料可以是天然氣、甲醇、乙醇等輕質(zhì)碳?xì)淙剂?。目前的方法使用鎳催化劑。其中天然氣是最廉價(jià)的蒸汽重整制氫原料，但其成本仍要比從原油制造汽油的成本高2-3倍。目前，正在開展一系列的工作來研究解決如何提高蒸汽重整的效率和制氫成本。目前已經(jīng)商業(yè)化的甲醇重整制氫催化劑多為銅基催化劑，如Cu/Zn/Al2O3CuO/ZnO/Al2O3等o1.1.1.2部分氧化重整部分氧化重整利用燃料在氧氣不足的情況下

13、發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣。該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因而不需要外來的熱源供給，這種反應(yīng)的溫度在6001400C范圍內(nèi)。當(dāng)反應(yīng)溫度高于1000C時(shí)可不用催化劑，低于此溫度則一般需使用催化劑。若屬于后者，所用的燃料必需在反應(yīng)前除硫，以避免催化劑中毒失效，部分氧化重整的反應(yīng)機(jī)理很復(fù)雜，還經(jīng)常伴有一些副產(chǎn)物，添加催化劑來控制反應(yīng)的進(jìn)程可以減少副反應(yīng)的發(fā)生，從而提高氫氣的純度。該法產(chǎn)物中含有CO且效率比蒸汽重整低。1.1.1.3自熱重整由甲醇部分氧化和蒸氣重整結(jié)合在一起的重整方式，即采用甲醇在線制氫時(shí)，可首先進(jìn)行氧化重整反應(yīng)。由于反應(yīng)本身放熱，可以實(shí)現(xiàn)氫氣生產(chǎn)的冷啟動(dòng)，迅速釋放氫氣，實(shí)現(xiàn)即時(shí)供給。當(dāng)

14、系統(tǒng)溫度升高以后，采用蒸氣重整方式，可使氫氣產(chǎn)率迅速提高。由于氧化重整、蒸氣重整分別為放熱和吸熱反應(yīng)，因此可以互補(bǔ)，從而使體系的熱量得到充分利用，達(dá)到熱平衡。在這一過程中，75%的氫氣被收集，剩下25%的氫氣則返回重整器，用作燃料來提供熱量。而當(dāng)這一重整方式與PEMFC聯(lián)用時(shí),PEMFC的尾排氫氣也可以返回重整器進(jìn)行再利用，通過燃燒的方式來提供蒸氣重整所需的一部分熱量,從而使總的氫氣利用率得到大幅度提高。1.1.2其他化學(xué)制氫技術(shù)1.1.2.1金屬置換制氫技術(shù)當(dāng)金屬與水或酸反應(yīng)時(shí)，就可以置換出氫氣。例如當(dāng)鋁或鋁合金在水中被切割或碾碎的時(shí)候因新鮮切割的金屬表面具有很高的反應(yīng)活性，可以與水反應(yīng)產(chǎn)生

15、氣泡而持續(xù)地釋放出氫氣。當(dāng)以燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)轎車的時(shí)候，從成本上看，采用金屬鋁給燃料電池車供氫并不占優(yōu)勢(shì)，但這種制氫方法具有安全、可控、反應(yīng)器簡(jiǎn)單、成本低、無污染、可回收等特點(diǎn)，使其得到一定的關(guān)注。1.1.2.2太陽能制氫技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能可以形成一種良性循環(huán)的能源體系。目前，利用太陽能制氫主要有光解水制氫和氧化物還原制氫兩種方式。利用光能分解水必須要有催化劑的參與。該方法還有待解決可見光的利用、催化劑的光腐蝕、能量轉(zhuǎn)化效率不高、存在逆反應(yīng)9等一些問題。另一種利用太陽能制氫的方法是將金屬氧化物還原，再將金屬與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。為解決金屬循環(huán)使用問題，采用兩步反應(yīng)的回路模式9,由此，以金屬

16、的氧化-還原反應(yīng)為橋梁,利用太陽能還原則既能降低能源消耗，又能減少對(duì)環(huán)境的污染,從而就可以更好地利用太陽能來產(chǎn)生氫能，實(shí)現(xiàn)了太陽能到氫能的轉(zhuǎn)化。1.1.2.3金屬氫化物制氫技術(shù)具有儲(chǔ)氫作用的金屬氫化物按結(jié)構(gòu)可分為3類:儲(chǔ)氫合金、離子氫化物、配位氫化物。而硼氫化鈉是最重要的一種配位硼氫化物，已經(jīng)有相當(dāng)成熟的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，其水溶液的穩(wěn)定性可以由溶液溫度和pH值來進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)加入特定催化劑的時(shí)候,硼氫化鈉可以迅速地發(fā)生水解反應(yīng)，釋放出大量高純度的氫氣，采用NaBH4制氫具有以下一些特點(diǎn):硼氫化鈉溶液無可燃性，儲(chǔ)運(yùn)和使用安全；硼氫化鈉溶液在空氣中可穩(wěn)定存在數(shù)月；制得的氫氣純度高，不需要純化過程，可直

17、接作為質(zhì)子交換膜燃料電池的原料；氫的生成速度容易控制；氫的儲(chǔ)存效率高，可達(dá)7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))或74g/L；催化劑和反應(yīng)產(chǎn)物可以循環(huán)使用；在常溫甚至0C下便可以生產(chǎn)氫氣；無污染；所制得的氫氣中不含CO,不會(huì)引起電極催化劑中毒；氫氣中含有的水分,可以起到給PEWC增濕的作。1.1.2.4生物質(zhì)制氫這種方法以生物質(zhì)為制氫原料，采用化學(xué)方法,利用亞臨界或超臨界水強(qiáng)大的溶解力，將生物質(zhì)中的各種有機(jī)物溶解，生成高密度、低粘度的液體，再經(jīng)高溫高壓處理，可使生物質(zhì)氣化率接近100%。其中低濃度的生物質(zhì)更容易氣化，為了解決高濃度生物質(zhì)在氣化過程中容易發(fā)生分解產(chǎn)物的聚合問題，一般在有少量堿存在的情況下，采用活性炭或

18、Ni催化劑既可以提高生物質(zhì)的氣化率，又不使氫氣的產(chǎn)生受到抑制。事實(shí)上生物質(zhì)制氫的氫氣產(chǎn)率還是比較低，且由于超臨界水具有極強(qiáng)的腐蝕性，這樣對(duì)生物質(zhì)制氫設(shè)備的材質(zhì)提出了很高的要求；同時(shí)要使超臨界水進(jìn)行氣化又必須提供高溫高壓的反應(yīng)條件，這些都對(duì)生物質(zhì)制氫的規(guī)模應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，還需繼續(xù)研究。1.2微生物制氫利用微生物在常溫常壓下進(jìn)行酸催化反應(yīng)可制取氫氣，目前已有利用碳水化合物發(fā)酵取氫的專利，并利用所產(chǎn)生的氫氣作為發(fā)電的能源.國(guó)外已設(shè)計(jì)一種應(yīng)用光合作用細(xì)菌產(chǎn)氫的優(yōu)化生物反應(yīng)器，該法采用各種工業(yè)和生活有機(jī)廢水及農(nóng)副產(chǎn)品廢料為基質(zhì)進(jìn)行光合細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)，在產(chǎn)氫的同時(shí)可凈化廢水，并獲得單細(xì)胞蛋白，一舉三得，很有

19、發(fā)展前途。1.3電解水制氫電解水制氫是目前應(yīng)用范圍較廣且比較成熟的方法之一。電能可由各種一次能源提供，其中包括核能、太陽能、水能、風(fēng)能及海洋能等,這些能源都可通過電解水制取氫氣，并用氫氣作為中間載體來調(diào)節(jié)、貯存、轉(zhuǎn)化能量，使得能源供應(yīng)更為靈活方便。供電系統(tǒng)在低谷時(shí)富余電能也可用于電解水制氫，達(dá)到儲(chǔ)能目的。2、燃料電池燃料電池(FuelCell)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。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(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”。但是，它需要電極和電解質(zhì)以及氧化還原反應(yīng)才能發(fā)電。除此

20、以外，燃料電池還是一種清潔高效的能源利用方式。發(fā)展燃料電池對(duì)于改善環(huán)境和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展有重要意義。2.1燃料電池的分類按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。按燃料電池工作溫度分，有低溫型，工作溫度低于200C；中溫型，工作溫度為200750C；高溫型，工作溫度高于750Co按燃料類型分，有氫氣、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然氣等氣體燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有機(jī)液體燃料。有機(jī)液體燃料和氣體燃料必須經(jīng)過重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。按電解質(zhì)的種類不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池等。在

21、燃料電池中，磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池可以冷起動(dòng)和快起動(dòng)，可以作為移動(dòng)電源，滿足特殊情況的使用要求，更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。2.2各種燃料電池的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀2.2.1堿性燃料電池(AlkalineFuelCell，簡(jiǎn)稱AFC)堿性燃料電池在一般在65C100C(或220C)下工作。這種電池是以KOH或NaOH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OH-,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。它設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但不耐CO2,所以原則上它必須采用純氫和純氧做為燃料。AFC中的電池反應(yīng)如下：陽極(負(fù)極)：H2

22、+2OH-f2H2O+2e-陰極(正極)：O2+H20+2e-f2OH-電池反應(yīng)：H2+%H2O在電解液中，在陽極OH-離子失去電子產(chǎn)生水，水分子遷移到陰極稀釋了電解液降低了電池的電導(dǎo)率，因此使電池的性能退化。針對(duì)這個(gè)問題，有兩種解決方法：一是循環(huán)電解液，隨著水的蒸發(fā)熱量也散失；另一種是循環(huán)氫氣，可將水蒸氣帶走。發(fā)展現(xiàn)狀：以氫氧化鉀為電解質(zhì)的堿性燃料電池是最早獲得實(shí)際應(yīng)用的，美國(guó)的阿波羅登月飛船和航天飛機(jī)等都采用這類燃料電池作為主要?jiǎng)恿υ?，證明了燃料電池的高效、高比能量、高可靠性。目前，此類燃料電池技術(shù)的發(fā)展已非常成熟并已經(jīng)在航天飛行及潛艇中成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)已研制出200W氨一空氣的堿性燃料電池

23、系統(tǒng)，制成了1kW、10kW、20kW的堿性燃料電池。堿性燃料電池在地面應(yīng)用的最大缺點(diǎn)是對(duì)燃料純度要求太高而且不能使用含C、CO及CO2的燃料氣，使用空氣也必須脫除空氣中的CO2，從而限制了AFC在地面上的應(yīng)用。2.2.2固體聚合物燃料電池(SolidPolymerFuelCell簡(jiǎn)稱SPFC)又稱質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell簡(jiǎn)稱PEMFC)固體聚合物燃料電池一般在在25C120C下工作，就設(shè)計(jì)和運(yùn)行來說,SPFC是最精致的燃料電池。SPFC中的電池反應(yīng)如下：陽極：H?f2H+2e-陰極：O?+2H+2e-fH2O電池反應(yīng)：H?+%O?fH?

24、O在電池里，質(zhì)子在電解質(zhì)中傳導(dǎo)電子。從目前的技術(shù)水平看，最好的電解質(zhì)材料是高氟磺酸型質(zhì)子交換膜。用于SPFC的理想的聚合物具有如下的特性：高抗氧化性、高質(zhì)子電導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性、高機(jī)械強(qiáng)度和低的密度。這些聚合物是被完全氟化的，有與聚四氟乙烯相似的主干結(jié)構(gòu)。歷史上SPFC有許多稱謂，包括離子交換膜(IEM)、固體聚合物電解質(zhì)(SPE)和質(zhì)子交換膜(PEM)。其中，直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池通常稱為直接甲醇燃料電池(DirectMethanolFuelCell簡(jiǎn)稱DMFC)。DMFC的電池反應(yīng)如下：陽極：CH3OH+H?OfC0?+6H+2e-陰極：3/?0+6H+6e-f3H?O電池反

25、應(yīng)：CH3OH+3/?O2fC0?+3H?O發(fā)展現(xiàn)狀：PEMFC能量轉(zhuǎn)換效率高，可以在室溫下快速啟動(dòng)，并且無電解水流失、壽命長(zhǎng)，可按負(fù)載要求快速改變輸出功率，可以用于建設(shè)分散電站，也特別是以用作可移動(dòng)電源，是電動(dòng)車和不依賴空氣推進(jìn)的潛艇動(dòng)力源，也是利用氯堿廠副產(chǎn)物氫氣發(fā)電的最佳候選電源。美國(guó)于20世紀(jì)60年代就將PEMFC用于雙子星座航天飛機(jī)，1999年，美國(guó)福特汽車公司和日本豐田汽車公司分別研制出質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車。我國(guó)在2008年北京奧運(yùn)會(huì)和2010年上海世博會(huì)都使用了燃料電池汽車組成“綠色車隊(duì)”，為交通提供了便利，展示了中國(guó)燃料電池技術(shù)的進(jìn)步。燃料電池車具有燃料電池的所有優(yōu)點(diǎn)，并

26、且不使用石油作燃料，對(duì)環(huán)境無污染，具有很大的發(fā)展前景，但仍需克服造價(jià)偏高的難題才有可能廣泛應(yīng)用。2.2.3磷酸型燃料電池(PhosphoricAcidFuelCell，簡(jiǎn)稱PAFC)磷酸型燃料電池一般在180C210C下工作，其電池反應(yīng)與SPFC的電池反應(yīng)相同。PAFC以磷酸作為電解液，盛在SiC制成的多孔基體中。磷酸作為電解質(zhì)相對(duì)于其他酸的優(yōu)點(diǎn)在于：耐CO?、耐低壓、高溫下可工作且有下良好的離子導(dǎo)電率、腐蝕率低、與電極的大的接觸角。對(duì)SiC基體材料的要求是：對(duì)酸有較高的吸附力；絕緣體；隔絕反應(yīng)氣體；咼的熱導(dǎo)率；咼溫化學(xué)穩(wěn)定性；機(jī)械強(qiáng)度咼。發(fā)展現(xiàn)狀：以磷酸為電解質(zhì)的磷酸型燃料電池，至今已有近百

27、臺(tái)PC25(200kW)作為分散電站在世界各地運(yùn)行。不但為燃料電池電站運(yùn)行取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，而且也證明了燃料電池的高度可靠性，可以用作不間斷電源。PAFC目前在城市發(fā)電、供氣及其它工業(yè)項(xiàng)目上廣為試用，如在賓館、醫(yī)院、辦公樓、工廠等地方用PAFC來進(jìn)行輔助供熱供電。還有一種采用生物氣體的PAFC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。大規(guī)模利用生物沼氣的PAFC可望在將來應(yīng)用于垃圾回收領(lǐng)域，解決一大社會(huì)難題。2.2.4熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell，簡(jiǎn)稱MCFC）典型的MCFC是在1至10個(gè)大氣壓、大約650C下工作，

28、被稱為第二代燃料電池。MCFC采用多孔Ni（或Al）作陽極，多孔Li摻雜的NiO作陰極，熔融的碳酸鹽（62%Li2O338%K3）作電解質(zhì)，并加入LiAlO2做穩(wěn)定劑。燃料是出和CO的混合物，氧化劑是。2和CO2的混合物。由于H2和CO2的電化學(xué)特性，碳酸鹽是唯一能夠保持MCFC工作的電解質(zhì)。MCFC中的電池反應(yīng)如下：陽極：H?+CO32-fH2O+CO2+2e-（CO+CO32-f2CO2+2e-）陰極：。2+CO2+2e-fCO32-電池反應(yīng)：H2+%O2fH2O（CO+%O2fCO2）熔融的碳酸鹽有很強(qiáng)的腐蝕性。由于在氣壓減小的狀況下工作，陽極比陰極具有更負(fù)的電位，因此陽極材料多孔Ni的

29、結(jié)構(gòu)是電化學(xué)穩(wěn)定的。而陰極材料NiO在碳酸鹽中有輕微的溶解，其溶解物在電解質(zhì)中擴(kuò)散并移動(dòng)到Ni陽極。由于相對(duì)負(fù)電位，從NiO中溶解的Ni將電解淀積到電解質(zhì)基板上，產(chǎn)生電子電導(dǎo)和因此發(fā)生電池的短路容易降低電池的壽命。CO2的分壓和電解質(zhì)的堿性影響NiO的溶解，為了解決此問題，正在開發(fā)替代NiO的陰極材料。發(fā)展現(xiàn)狀：熔融碳酸鹽燃料電池可采用凈化煤氣或天然氣做燃料，適宜于建造區(qū)域性分散電站。美國(guó)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(guó)家之一，其研制開發(fā)的MCFC電站已在全球裝機(jī)60余臺(tái)，主要用于醫(yī)院、賓館、大學(xué)及廢水處理廠等場(chǎng)所示范發(fā)電。MCFC操作溫度較高，可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供與汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)

30、電，進(jìn)一步提高燃料的能量轉(zhuǎn)化效率。研究表明，成本和壽命是影響MCFC的主要障礙，陰極溶解、陽極蠕變、高溫腐蝕和電解質(zhì)損失是主要影響因素。因此，研制新的電極材料，改進(jìn)密封技術(shù)將是今后一段時(shí)期的研究關(guān)鍵。2.2.5固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，簡(jiǎn)稱SOFC）固體氧化物燃料電池（SOFC）是全固體裝置，又稱高溫燃料電池，一般在600C1000C下工作。電解質(zhì)采用ZrO2+Y2O3，陽極為Ni+ZrO?（或Y2O3），陰極為L(zhǎng)a/SrMnO3o與其它類型的燃料電池的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在氣液固三相區(qū)不同，SOFC的電化學(xué)反應(yīng)是發(fā)生在氣固兩相區(qū)，不存在電解質(zhì)的腐蝕問題。兩個(gè)多孔陶瓷電

31、極被致密的氧離子導(dǎo)體的陶瓷電解質(zhì)分開。在陽極，燃料氣體個(gè)2和CO）進(jìn)入陽極與氧離子反應(yīng)生成水并釋放出電子進(jìn)入外電路。在陰極，空氣中的氧氣從外電路接受電子形成氧離子。電子從陽極經(jīng)外電路輸送到陰極，從而產(chǎn)生直流電。SOFC中的電池反應(yīng)如下：陽極：H2+O2-fH2O+2e-（CO+O?fCO2+2e-）(CH4+402fH幻+CO2+8e-)陰極：。2+2e-f02-電池反應(yīng)：H2+%02fH2O(CO+%02fCO2)(CH4+202f2H2O+C02)引人注意的是SOFC可以使用多種燃料作為原料氣，如H2、CO和CH4。根據(jù)電解質(zhì)是氧離子導(dǎo)體還是質(zhì)子導(dǎo)體，將SOFC分為兩類。這兩類電池的主要區(qū)

32、別在于燃料電化學(xué)反應(yīng)過程中生成水的區(qū)域相異，質(zhì)子導(dǎo)體燃料電池在陰極側(cè)生成水，而氧離子導(dǎo)體燃料電池在陽極側(cè)生成水。一般只考慮固體氧離子導(dǎo)體作為電解質(zhì)。發(fā)展現(xiàn)狀：固體氧化物燃料電池可以與煤的氣化構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)，適宜于建造大中型電站。國(guó)對(duì)SOFC的研究處于世界領(lǐng)先地位，自2000年以來，西屋公司已建成多臺(tái)大型lOOkW250kW固體氧化物燃料電池電站進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行。SOFC電站，以陰極作支撐的管式SOFC機(jī)械強(qiáng)度高，熱循環(huán)性能好，易于組裝與管理。但現(xiàn)有的技術(shù)如電化學(xué)氣相沉積和多次高溫?zé)Y(jié)等導(dǎo)致陰極支撐型SOFC電池成本過高、難以推廣。借助廉價(jià)的濕化學(xué)法、等離子噴涂等技術(shù)替代電化學(xué)氣相沉積制備電解質(zhì)薄膜，

33、并運(yùn)用改進(jìn)燒結(jié)工藝、減少燒結(jié)次數(shù)等手段，有望達(dá)到大幅度降低陰極支撐管型SOFC成本的目的。2.2.6其余的燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀除上述5種外，燃料電池還有其他類型，例如生物燃料電池。其研究熱點(diǎn)之一是開發(fā)可植入人體、作為心臟起搏器或人工心臟等人造器官電源的生物燃料電池。這種電池多是以葡萄糖為燃料，氧氣為氧化劑的酶燃料電池。正當(dāng)研究取得進(jìn)展的時(shí)候，另一種可植入人體的鋰碘電池的研究取得了突破，并很快應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床。3、氫燃料電池改進(jìn)氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陽

34、極。氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)和基本燃料電池的結(jié)構(gòu)相同包括：電極、電解質(zhì)隔膜與集電器等。電極是燃料氧化和還原的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，可分成陰極與陽極兩部分。電解質(zhì)隔膜的功能是分隔氧化劑與還原劑并同時(shí)傳導(dǎo)離子。燃料電池按電解質(zhì)不同主要分為:堿性燃料電池(AlkalineFuelCell,AFC)、磷酸燃料電池(PhosphoricAcidFuelCell,PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MoltenCarbonateFuelCell,MCFC)、固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell,SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEM

35、FC)。其中，AFC及PEMFC為直接以氫為燃料的氫燃料電池，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，AFC啟動(dòng)快，可以常溫常壓下工作但需要純氧，成本很高，而PEMFC具有以空氣為氧化劑，在室溫下工作，啟動(dòng)速度快，并且以固體為電解質(zhì)，目前PEMFC是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電池，他們正嘗試用它取代內(nèi)燃機(jī)。但其對(duì)CO很敏感，反應(yīng)物需要加濕且價(jià)格昂貴。3.1堿性燃料電池（AFC）3.1.1陽極催化劑為了降低成本，增大氫與催化劑的接觸面積，通常把Pt、Pd等貴重金屬分散到碳表面，這樣不僅可以使活性表面積增大，同時(shí)碳載體還可以為反應(yīng)物提供物質(zhì)傳輸通道，增大散熱表面積，提高貴金屬的熱穩(wěn)定性。為了提高催化劑的電催化活性以及抗C

36、O中毒能力，通常向Pt中加入第二、第三組分金屬，如PtAg、RtRh等二元及IrPtAu、PtPdNi等三元合金催化劑都表現(xiàn)出較好的氫電氧化催化活性，并且降低了電極中的貴重金屬含量。3.1.2陰極催化劑在現(xiàn)代的氫燃料電池中，陽極動(dòng)力學(xué)問題容易解決。最大的損失發(fā)生在陰極。傳統(tǒng)的純Pt催化劑的氧化還原活性低，催化劑的使用量大，故需研制新的高性能陰極催化劑，現(xiàn)已研究發(fā)現(xiàn)組成最佳化的Pt一Wi、Pt一CO、Pt一Fe合金。其氧化還原活性為單一Pt催化劑的1020倍，是極有開發(fā)前途的陰極催化劑材料。德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)研究人員與美國(guó)科學(xué)家共同研發(fā)出一種新型鉑合金，以它作為催化劑可將氫燃料電池的成本降低80%

37、。3.1.3電解質(zhì)近年來，有人嘗試將陰離子固體聚合物電解質(zhì)應(yīng)用在堿性燃料電池中。法國(guó)工業(yè)實(shí)驗(yàn)室科研人員制備了一種含有嵌段共聚物聚環(huán)氧乙烯的固體聚合物電解質(zhì)。這個(gè)方向能夠解決電解質(zhì)泄漏等問題。3.2質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）3.2.1質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜（PEM）是MEA的核心部件，根據(jù)MEA的特點(diǎn)，高效率的PEM應(yīng)滿足如下基本要求：（1）較長(zhǎng)使用壽命；（2）較低制造成本；（3）較高的質(zhì)子電導(dǎo)率和電子絕緣性；（4）良好的力學(xué)性能；（5）熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高；（6）100度以上仍有較高的含水量和電導(dǎo)率。目前使用的PEM幾乎都是美國(guó)杜邦公司的Nafion系列膜。盡管該膜具有一些優(yōu)良的特性，但是其成本過高、高溫性能差、甲醇滲透性大必然預(yù)示者需要開發(fā)出新的PEM。質(zhì)子交換膜以后發(fā)展的方向?yàn)椋海?）將材料的改性與膜形態(tài)的改性相結(jié)合,在增加質(zhì)子傳導(dǎo)性的同時(shí)，提高膜的穩(wěn)定性；（2）改變膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性，提高膜在高溫下的質(zhì)子傳導(dǎo)性，開發(fā)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池；（3）開發(fā)新材料、改進(jìn)制備工藝，大幅降低質(zhì)子交換膜成本，從而進(jìn)一步質(zhì)子交換膜燃料電池成本。3.2.2陽極催化劑碳