第五章之燃料電池簡介-1

燃料電池燃料電池概述研究背景全球能源消耗的增長——全球CO2排放量持續(xù)增長——全球平均氣溫逐年攀升——氣候變化帶來災難性后果

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)成為大勢所趨，清潔、環(huán)保的可再生能源將得到快速發(fā)展過去十年，全球新能源領域投資總量增長迅猛全球新能源產業(yè)投資總量增長趨勢世界能源更替趨勢全球風力發(fā)電裝機容量增長情況全球光伏發(fā)電裝機容量增長情況國際能源消費經(jīng)過了木材、煤、石油、天然氣到太陽能/氫能的更替，整個更替過程使用的燃料含碳量逐步降低；以氫氣為燃料，不產生碳排放——節(jié)能、環(huán)保、綠色、可再生

——氫能：發(fā)展趨勢、各國發(fā)展戰(zhàn)略——目前正研究通過光伏等制氫燃料電池利用氫氣發(fā)電——氫能的最佳利用——國際研究前沿、熱點5.1.燃料電池概述

5.1.1

簡介

(1)什么是燃料電池？簡單地說，燃料電池1(FuelCell，簡稱FC)是一種將存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。．作為一種新型化學電源，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，關鍵的區(qū)別在于燃料電池的能量轉變過程是直接方式，如圖1-1所示(2)燃料電池發(fā)展過程中的重大事件

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”----YSZ（85%ZrO2+15%Y2O3),該物質是目前廣泛使用的高溫固體氧化物燃料電池的電解質材料；

1899年，施密特發(fā)明第一個空氣擴散電極；

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

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，可以推動3000lb(1lb=0.4536kg)的重物；

1960年，通用電氣公司開發(fā)成功質子交換膜燃料電池；

1962年，質子交換膜燃料電池應用于雙子星座飛船；

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-鉛酸電池混合動力轎車；

1972年，杜邦公司和格羅特發(fā)明了全氟磺酸質子交換膜；

1979年，在美國紐約完成了4.5MW磷酸燃料電池電廠的測試；

1986年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（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)展過程中的重大事件

1986年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(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出現(xiàn)；

1991年，日本千葉縣的11MW磷酸燃料電池試驗電廠達到設計功率；

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

1996年，美國加利福尼亞州的2MW熔融碳酸鹽燃料電池試驗電廠開始供電；

-----------(2)燃料電池發(fā)展過程中的重大事件5.1.2燃料電池的構造燃料電池陰極陽極電解質

典型的燃料電池的構造如右下圖所示．在陽極（負極）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)生電化學反應，并產生電流．由于電極上發(fā)生的反應大多為多相界面反應，為提高反應速率，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．燃料電池的基本反應5.1.3燃料電池與電池的區(qū)別（1）相同點：將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置，有許多相似之處。（2）不同點：燃料電池是能量轉換裝置電池是能量儲存裝置。

一次電池：化學能儲存在電池物質中,當電池放電電時,電池物質發(fā)生化學反應，直到反應物質全部反應消耗完畢，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反應的化學物質完全反應時所產生的電能．二次電池：利用外部供給的電能，使電池反應向逆方向進行，再生成電化學反應物質．從能量角度看，就是將外部能量充給電池，使其再發(fā)電，實現(xiàn)反復使用的功能．燃料電池：從理論上講,只要不斷向其供給燃料(陽極反應物質，如H2),及氧化劑(陰極反應物質，如O2)，就可以連續(xù)不斷地發(fā)電,因而其容量是無限的.實際上，由于元件老化和故障等原因，燃料電池有一定的壽命．

嚴格地講，燃料電池是電化學能量發(fā)生器，是以化學反應發(fā)電；一次電池是電化學能量生產裝置，可一次性將化學能轉變成電能；二次電池是電化學能量的儲存裝置，可將化學反應能與電能可逆轉換。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各有不同，但都是由陰極﹑陽極﹑電解質這幾個基本單元構成，其工作原理是一致的。

由于它是把燃料通過化學反應釋出的能量變?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程來產生電力的一種裝置。燃料電池工作原理:通過物質發(fā)生化學反應時連續(xù)地向其供給活物質(起反應的物質)--燃料和氧化劑,促使物質發(fā)生化學反應時釋出的能量直接將其轉換為電能。具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應的"發(fā)電機"。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板所組成。工作時向負極供給燃料(氫H2)，向正極供給氧化劑(空氣O2)。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負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正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。燃料氣（氫氣﹑甲烷等）在陽極催化劑的作用下發(fā)生氧化反應，生成陽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，得到電子并產生陰離子；陽極產生的陽離子或者陰極產生的陰離子通過質子導電而電子絕緣的電解質運動到相對應的另外一個電極上，生成反應產物并隨未反應完全的反應物一起排到電池外，與此同時，電子通過外電路由陽極運動到陰極，使整個反應過程達到物質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。下面以簡單的酸性電解質氫氧燃料電池為例說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極，發(fā)生如下氧化電極反應

H2+2H2O2H3O++2e-

氫氣在催化劑上被氧化成質子，與水分子結合成水合質子，同時釋放出兩個自由電子。電子通過電子導電的陽極向陰極方向運動，而水合質子則通過酸性電解質往陰極方向傳遞。在陰極上，氧氣在電極上被還原，發(fā)生如下電極反應

O2+4H3O++4e-6H2O

氧氣分子在催化劑的作用下，結合從電解質傳遞過來的水合質子以及外電路傳遞過來的電子，生成水分子。總的電池反應為：

2H2+O22H2O從此可以看出，燃料電池是一個能量轉化裝置，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，是使電化學反應的兩個電極半反應分別在陰極和陽極上發(fā)生，從而在外電路產生電流來發(fā)電的。所不同的是，普通一次電池，例如鋅錳電池，是一個封閉體系，與外界只有能量交換而沒有物質交換。換句話說，電池本身既作為能量的轉換場所也同時作為電極物質的儲存容器，

當反應物消耗完時電池也就不能繼續(xù)提供電能了。而燃料電池是一個敞開體系，與外界不僅有能量的交換，也存在物質的交換。外界為燃料電池提供反應所需的物質，并帶走反應產物。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

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）質子交換膜燃料電池（PEMFC）H2/O2質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)點存在問題燃料來源廣泛高效率可靠性高良好的環(huán)境效應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,不受卡諾熱機效率的限制。理論上講，燃料電池可將燃料能量的90%轉化為可利用的電和熱，實際效率可望在80%以上

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

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

（2）可靠性與燃燒渦輪機循環(huán)系統(tǒng)或內燃機相比，燃料電池的轉動部件很少，因而系統(tǒng)更加安全可靠；電池組合是模塊結構,維修方便；處于額定功率以上過載運行時,它也能承受而效率變化不大；當負載有變化時,它的響應速度也快。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)境效益當今世界的環(huán)境問題已經(jīng)威脅到了人類的生存和發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，本世紀經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，但是因為環(huán)境污染造成的死亡人數(shù)卻超過了戰(zhàn)爭的死亡人數(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程。因而，解決環(huán)境問題的關鍵是要從根本上解決能源結構問題，研究開發(fā)清潔能源技術。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格的環(huán)境標準的十分之一，溫室氣體CO2的排放量也遠小于火力發(fā)電廠。燃料電池中燃料的電化學反應副產物是水，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題，也無需設置廢氣控制系統(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；不產生大量廢棄物，因而占地面積也少。燃料電池是各種能量轉換裝置中危險性最小的。這是因為它規(guī)模小，無燃燒循環(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生命力和長遠發(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無可比擬的優(yōu)良的操作性能，節(jié)省了運行費用。其發(fā)電系統(tǒng)對負載變動的響應速度快，無論處于額定功率以上的過載運行或低于額定功率的低載運行，它都能承受，并且發(fā)電效率波動不大，供電穩(wěn)定性高。

（5）靈活性燃料電池發(fā)電廠可在2年內建成投產，其效率與規(guī)模無關，可根據(jù)用戶需求而增減發(fā)電容量。這對電力公司和用戶來說是最關鍵的因素及經(jīng)濟利益所在。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是全自動運行，機械運動部件很少維護簡單，費用低，適合用做偏遠地區(qū)﹑環(huán)境惡劣以及特殊場合（如空間站和航天飛機）的電源。燃料電池電站采用模塊結構，由工廠生產各種模塊，在電站現(xiàn)場集成，安裝，施工簡單，可靠性高，并且模塊容易更換，維修方便。（6）燃料來源廣泛燃料電池可以使用多種初級燃料，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燃料，如褐煤﹑廢木﹑廢紙，甚至城市垃圾，當然這些燃料需經(jīng)過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)電技術競爭。作為正在發(fā)展的技術，磷酸燃料電池已有了令人鼓舞的進展。熔鹽碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，將在未來15～20年內產生飛躍性進步。而其它傳統(tǒng)的發(fā)電技術，如汽輪機﹑內燃機等，由于價格﹑污染等問題，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)點存在問題市場價格昂貴高溫時壽命及穩(wěn)定性不理想燃料電池技術不夠普及沒有完善的燃料供應體系5.1.7燃料電池的應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備和家庭的備用電源以及交通工具的牽引動力等。

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，其應用領域主要在空間技術方面。在歐洲，AFC在陸地上的應用一直沒有間斷。

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

MCFC和SOFC被認為最適合供發(fā)電，MCFC試驗電廠的功率達到MW級，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。