燃料電池概論

燃料電池概論王曉燕參考書目燃料電池基礎(chǔ)王曉紅電子工業(yè)出版社燃料電池及其應(yīng)用隋志通冶金工業(yè)出版社燃料電池李玉英冶金工業(yè)出版社燃料電池衣寶廉化學(xué)工業(yè)出版社問題當(dāng)今工業(yè)能以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)電力的發(fā)電方式有幾種?被譽(yù)為”第四種電力”的是哪種發(fā)電方式?為什么?燃料電池為什么稱為”電池”?第一章緒論什么是燃料電池燃料電池的發(fā)展史燃料電池的特點(diǎn)燃料電池的分類燃料電池的應(yīng)用1.1什么是燃料電池？能源問題近些年一直受到廣泛的關(guān)注，世界能源組織的調(diào)查顯示，包括煤、石油和天然氣在內(nèi)的礦物質(zhì)能源在未來的100-200年內(nèi)將被耗盡。新的能源利用技術(shù)將被不斷地開發(fā)并利用起來，燃料電池是一種潛力巨大的新能源利用形式。

燃料電池與太陽能及核能相比較，沒有二氧化碳的排放，解決了火力發(fā)電污染環(huán)境的問題，是純正的綠色清潔能源。燃料電池定義

燃料電池(又稱為氫燃料電池)是一種將存在于燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣被送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。

燃料電池從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像是一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不是“儲(chǔ)電”裝置，而是一個(gè)小小的“發(fā)電廠”。燃料電池單體的輸出電壓很小，約為0.7V，多以串并聯(lián)的形式制造，以增加電壓電流。燃料電池由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極為燃料電池,正極為氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成.燃料電池是一種高效、清潔的電化學(xué)發(fā)電裝置，目前在宇宙飛船、航天飛機(jī)及潛艇動(dòng)力能源方面已得到應(yīng)用，在汽車、電站及便攜式電源等領(lǐng)域成功示范，但是低成本、長壽命仍然是燃料電池商業(yè)化面臨的問題。燃料電池是一個(gè)自動(dòng)運(yùn)行的發(fā)電廠，它的誕生與發(fā)展是以電化學(xué)、電催化、電極過程動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、化工過程和自動(dòng)化等學(xué)科為基礎(chǔ)的，燃料電池是21世紀(jì)全新、高效、節(jié)能和環(huán)保的發(fā)電方式之一，有待于進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)化。燃料電池的燃料包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣以及汽油等等。燃料電池的產(chǎn)物是熱量和水，這是其他動(dòng)力源無法相媲美的。1.2燃料電池的發(fā)展歷史燃料電池發(fā)展的背景：全球能源緊張，油價(jià)高漲，尋找新能源替代傳統(tǒng)能源稱為當(dāng)務(wù)之急；傳統(tǒng)能源造成的環(huán)境污染迫切要求新能源方式的開發(fā)與利用；燃料電池是繼火力、水力和原子能發(fā)電后的第四代發(fā)電技術(shù)，被認(rèn)為是未來最有前途的高效清潔發(fā)電技術(shù)之一。問題：傳統(tǒng)能源造成的環(huán)境污染都有哪些？我國是一個(gè)能源生產(chǎn)的大國，也是消費(fèi)大國，人均能源資源擁有量較低，石油、天然氣的人均擁有量為世界平均水平的十五分之一；煤炭和水力的人均擁有量為世界平均水平的二分之一。燃料電池則只要保障燃料的供給，將會(huì)源源不斷地發(fā)電。

所以，燃料電池車被稱為終極環(huán)保汽車。a.許多國家和地區(qū)將燃料電池上升為國家戰(zhàn)略，城市戰(zhàn)略，對產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)扶持；b.燃料電池是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，步驟少，效率高，發(fā)電過程中沒有燃燒，沒有組件的轉(zhuǎn)動(dòng)；c.燃料電池和氫能發(fā)電市場將由2007年的15億美元增加到2017年的160億美元，將近翻10倍，以驚人的速度增長。政府對燃料電池汽車的發(fā)展有非常積極的態(tài)度，同時(shí)也是和燃料電池汽車的國際化形式接軌：加州能源委員會(huì)執(zhí)行一項(xiàng)措施，投資5000萬美元建28座加氫站和一座流動(dòng)加燃料車。日本對以氫為燃料的第二代環(huán)保汽車提供每輛車12-18萬元的補(bǔ)助。我國對符合國家標(biāo)準(zhǔn)且加氫能力不少于200公斤的新建燃料電池加氫站每站獎(jiǎng)勵(lì)400萬元。燃料電池發(fā)展歷史：燃料電池在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化之前，已經(jīng)經(jīng)歷了非常長的歷史：1839年格羅夫發(fā)明了第一個(gè)燃料電池，把封有鉑電極的玻璃管浸在稀硫酸中，電解產(chǎn)生氫和氧，連接外載荷后，產(chǎn)生電池反應(yīng)。

格羅夫預(yù)見到，如果氫可以被煤、木材或其他易燃材料替代，燃料電池就可以作為一種商業(yè)化的電源。1935年固體氧化物燃料電池的理論發(fā)表，37年制造出第一個(gè)實(shí)用型的固體氧化物燃料電池。1950年培根制作了堿性燃料電池，從此燃料電池有了屬于自己的名字，在60年代早期第一個(gè)應(yīng)用于太空計(jì)劃，改造的培根燃料電池被作為阿波羅登月計(jì)劃宇宙飛船的電池，由實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用，具有里程碑意義。60年代美國通用電氣公司為NASA開發(fā)出世界上第一個(gè)固體聚合物的燃料電池。70年代后期，人們開始考慮用燃料電池作為固定發(fā)電機(jī)能源，氫能經(jīng)濟(jì)的概念出現(xiàn)。多種燃料電池汽車公開示范。90年代后期，小型燃料電池取代蓄電池的可能性被得到證實(shí)，如冰島政府建議利用地?zé)崮馨l(fā)展本國經(jīng)濟(jì)。1.3燃料電池的特點(diǎn)能量轉(zhuǎn)化效率高；

燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)70%左右，一般的能源利用方式的轉(zhuǎn)換效率在30%左右

它是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過燃燒過程，不受卡諾循環(huán)的限制，無機(jī)械振動(dòng)。有害氣體硫化物及氮化物、噪音的排放都很低；

二氧化碳的排放量隨能量轉(zhuǎn)換效率高而大幅度降低。燃料的適用范圍廣。積木化強(qiáng)。

可以規(guī)?；?，安裝地點(diǎn)靈活，占地面積小，建設(shè)周期短，功率可調(diào)，燃料電池適合于小區(qū)、工廠和獨(dú)立電站、集中式電站和分布式發(fā)電等。負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高。

數(shù)秒內(nèi)便可以從最低功率變換到額定功率。1.4燃料電池的分類運(yùn)行機(jī)理（工作原理）不同：酸性燃料電池和堿性燃料電池電解質(zhì)的種類：質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池燃料的不同：氫燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池和乙醇燃料電池工作溫度：低溫燃料電池、中溫燃料電池、高溫燃料電池a.低溫燃料電池工作溫度低于200℃，必須采用鉑催化劑，如質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池。b.中溫燃料電池工作溫度為200℃-750℃，如磷酸型燃料電池c.高溫燃料電池：

工作溫度高于750℃，可以不采用催化劑，如固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池。開發(fā)的順序第一代：堿性燃料電池AFC第二代：熔融碳酸鹽燃料電池MCFC第三代：固體氧化物燃料電池SOFC第四代：磷酸型燃料電池PAFC第五代：質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC1.5燃料電池的應(yīng)用燃料氫作為燃料的氫與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能驅(qū)動(dòng)汽車或筆記本及電腦等。氫被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，人類?00年前就對氫產(chǎn)生了興趣，20世紀(jì)70年代，世界上許多國家和地區(qū)開展了氫能的研究。氫的燃燒值高，每千克氫產(chǎn)生的熱量為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氫燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最為干凈的能源。

氫是自然界存在最普遍的元素，資源豐富（占宇宙質(zhì)量的75%），可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源(如把海水中的氫全部提取出來,產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍)，水—?dú)洹堇[了自然界的物質(zhì)循環(huán)利用和持續(xù)發(fā)展的經(jīng)典過程。氫在自然界里主要存在于空氣中和水中.氫的主要來源有:電解水制氫、礦物燃料制氫、生物質(zhì)制氫、其他含氫物質(zhì)制氫、化工過程的副產(chǎn)品

目前95%的氫來源于石油化工業(yè)。我國氫氣產(chǎn)量世界第一：全世界最大的制氫工業(yè)在鄂爾多斯，用煤制氫，年產(chǎn)量在18萬噸左右。儲(chǔ)氫材料的產(chǎn)銷量世界第一：中國和日本兩大國幾乎包攬了全世界金屬儲(chǔ)氫材料的生產(chǎn)甲醇、天然氣和汽油也可以替代氫，不過將會(huì)產(chǎn)生極少量的二氧化碳和氮氧化物，但總體來說這類化學(xué)反應(yīng)除了電能就只產(chǎn)生水。

應(yīng)用日本東芝(toshiba)公司開發(fā)出小型直燃式甲醇燃料電池，可替代手機(jī)、筆記本電腦和pda等便攜設(shè)備的鋰離子電池.該電池平均輸出功率12w，最大20w，工作時(shí)間約5小時(shí)。尺寸275x75x40mm，重量900g，額定電壓11v。這種電池也可以替代鋰離子電池。

三星方面稱這是目前最好的軍用燃料電池，性能提升了54%以上，續(xù)航時(shí)間則可提升7到8倍。三星的這款軍用燃料電池重量只有3.5千克，夠一個(gè)士兵正常使用3天（72個(gè)小時(shí)）以上。同類產(chǎn)品續(xù)航時(shí)間如果達(dá)到72小時(shí)，重量則要達(dá)到8千克到10千克。英國公司推出了一款名為UPP的氫燃料電池充電器。這款UPP電池可為智能手機(jī)提供平均一周電力，相當(dāng)于約900小時(shí)額外待機(jī)，32個(gè)小時(shí)額外通話時(shí)間，26個(gè)小時(shí)額外視頻，或40小時(shí)額外網(wǎng)頁瀏覽時(shí)間。這款設(shè)備還擁有保護(hù)裝置，當(dāng)給移動(dòng)設(shè)備充滿電時(shí)，UPP將自動(dòng)關(guān)閉。這款設(shè)備還附帶一個(gè)應(yīng)用程序，可以控制移動(dòng)設(shè)備的充電程度。

氫動(dòng)三號”是首款在日本獲得綠色商用牌照的燃料電池車，也是首輛得到公路行駛許可的液氫燃料電池汽車。公司:通用亞太日本有限公司車重:1750千克乘員:5最大速度:160km/h行使里程:400km燃料類型:氫氣燃料電池型號:質(zhì)子交換膜燃料電池燃料貯存容量:68L據(jù)估算”氫動(dòng)三號”所需成本是傳統(tǒng)動(dòng)力車成本的三至四倍,其原因之一是關(guān)鍵部件上采用了昂貴的原材:鉑金(燃料電池)、碳纖維（高壓儲(chǔ)氫罐）

2005年通用汽車氫燃料電池車sequel在北美國際汽車展上首次亮相，同年4月駛?cè)肷虾H車展，堪稱當(dāng)時(shí)上海車展“科技含金量最高的展車”。Sequel一次加氫可連續(xù)行使480km，0-100km/h加速只需10秒，與普通的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車非常接近，是全球第一輛能連續(xù)長距離行使且性能出色的燃料電池車。奔馳新型燃料電池車B級F-Cell，馬達(dá)輸出功率達(dá)100kW以上，比“A級車”的燃料電池車“F-Cell”高35kW以上。2011年1月完成了B-Cell燃料電池車的環(huán)球之旅，125天穿越了4個(gè)大洲14個(gè)國家，途徑上海。動(dòng)力可與2.0排量發(fā)動(dòng)機(jī)媲美，續(xù)航里程400km，每次充滿燃料僅需3分鐘，非常適合日常使用。超越二號于2004年在上海市工業(yè)博覽會(huì)上現(xiàn)身，是同濟(jì)大學(xué)在2003年研制出中國首量燃料電池轎車“超越一號”后的又一杰作。超越二號喝的是氫氣，經(jīng)過低溫燃燒，產(chǎn)生電能從而驅(qū)動(dòng)汽車，吐出來的是純水，沒有任何污染。最高時(shí)速達(dá)118km，從0加速到最高時(shí)速耗時(shí)24.8s,續(xù)航里程為168km。

本田氫動(dòng)力車FCX在2006年公布，2008年正式推出。作為氫能源汽車，它可以用高壓方式儲(chǔ)存氫燃料。其單位重量能儲(chǔ)存的能量肯定是要大于現(xiàn)有的化學(xué)電池的，只需要5分鐘就可以加滿氫氣，理想續(xù)航里程達(dá)到620公里，而實(shí)測續(xù)航里程也能達(dá)到380公里以上，具備有很高的實(shí)用性。豐田Mirai是一款氫燃料電池車，于2014年12月15日在日本正式上市。豐田Mirai的動(dòng)力系統(tǒng)由氫氧化學(xué)反應(yīng)的燃料電池組、交流電機(jī)和儲(chǔ)氫罐組成，該系統(tǒng)最大功率可以達(dá)到114千瓦。官方數(shù)據(jù)顯示，該車的續(xù)航里程可以達(dá)到482公里左右。

2015上海車展上大眾首次在中國發(fā)布全新高爾夫SportVariantHyMotion氫燃料電池車，最大功率99kW，0-100km/h加速時(shí)間為10秒，擁有500km的續(xù)航里程。當(dāng)氫氣用盡時(shí)，僅需要3分鐘便可充滿。2014洛杉磯車展上，奧迪正式發(fā)布了A7Sportbackh-tron

quattro概念車，該車最大的特點(diǎn)就是搭載了氫燃料電池的動(dòng)力系統(tǒng)。車尾處XXTFSI的標(biāo)識(shí)被h-tron取代，以表明其氫燃料電池車身份。配有四個(gè)氫氣罐，其百公里氣耗約為1千克。若氫氣全部用盡，充滿僅需3分鐘，這也是燃料電池車相對于純電動(dòng)車的最大優(yōu)勢。世界上第一輛量產(chǎn)版氫燃料電池車2013年2月在現(xiàn)代汽車韓國蔚山工廠正式下線?，F(xiàn)代TucsonFCE