現(xiàn)代化學(xué)化工進(jìn)展

精品感謝下載載化學(xué)化工進(jìn)展燃料電池化學(xué)化工與材料學(xué)院2008級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)班鄧曉然（20080168）現(xiàn)代化學(xué)化工進(jìn)展燃料電池化學(xué)化工與材料學(xué)院2008級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)班鄧曉然（20080168）引言21世紀(jì)，是能源開(kāi)發(fā)、資源利用與環(huán)境保護(hù)互相協(xié)調(diào)發(fā)展的時(shí)代。能源的優(yōu)化利用與清潔能源的開(kāi)發(fā)，是能源、資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。在21世紀(jì)，化石能源（如煤炭、石油、天然氣）逐漸被消耗殆盡，傳統(tǒng)的能源利用方式的弊病日益顯現(xiàn)——一是儲(chǔ)存于燃料中的化學(xué)能必須首先轉(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)及現(xiàn)代材料的限制，在極端所獲得的效率只有33%~35%，一半以上的能量都白白地?fù)p失掉了；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了巨量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。這些都迫使人類一直在找尋既有高的能源利用效率又不污染環(huán)境的能源利用方式。氫能源及再生能源進(jìn)入了人類視野，其必將會(huì)逐步取代化石能源而成為人類使用的主體能源，而這種能源的變遷也將迫使發(fā)電與供電方式發(fā)生重大變革。燃料電池(FuelCell，F(xiàn)C)作為一種新興的化學(xué)電源，最大限度的解決了傳統(tǒng)能源利用方式的弊病，因此，燃料電池的開(kāi)發(fā)及研究也成為了熱點(diǎn)話題。歷史沿革1839年,英國(guó)科學(xué)家Grove首先介紹了燃料電池的原理性實(shí)驗(yàn)，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡(jiǎn)單的氫氧燃料電池點(diǎn)亮了倫敦演講廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機(jī)和電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究未能跟上研究步伐，直到約100年后,英國(guó)劍橋的Bacon采用多孔氣體擴(kuò)散電極制備了培根型堿性燃料電池（AFC）。20世紀(jì)60年代，燃料電池首次應(yīng)用在美國(guó)航空航天管理局（NASA）的阿波羅登月飛船上作為輔助電源，為人類登月球做出了積極貢獻(xiàn),燃料電池的研究進(jìn)入了快速發(fā)展階段.后來(lái)稱這一時(shí)期為燃料電池開(kāi)發(fā)的空間時(shí)代（spaceera）。1973年，在全球能源危機(jī)的刺激下，為了提高能源利用率，研究重點(diǎn)從航天轉(zhuǎn)向地面發(fā)電裝置，磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）以及直接采用天然氣、煤氣和碳?xì)浠衔镒魅剂系墓腆w氧化物燃料電池（SOFC）作為電站或分散式電站相繼問(wèn)世，燃料電池的研究與開(kāi)發(fā)掀起了新高潮，這一時(shí)期稱為燃料電池開(kāi)發(fā)的能源時(shí)代（energyera）。其后，隨著能源危機(jī)的緩解，燃料電池的研究也隨之冷淡下來(lái)。80年代末期，環(huán)境污染問(wèn)題逐步惡化，1987年美國(guó)公布了來(lái)自發(fā)電站和交通運(yùn)輸方面的廢氣，如CO、Nox、Sox、粉塵等的污染物幾乎相等，且總量超過(guò)大氣中污染物的90%以上，以提高能源利用率，減少環(huán)境污染為目標(biāo)的燃料電池研究開(kāi)發(fā)工作引起了各國(guó)政府及科學(xué)家的重視，促進(jìn)了燃料電池開(kāi)發(fā)的環(huán)境時(shí)代（environmentalera）的到來(lái)。1993年，加拿大Ballard電力公司展示了一輛零排放、最高時(shí)速為72km/h，以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為動(dòng)力的公交車，引發(fā)了全球性燃料電池電動(dòng)車的研究開(kāi)發(fā)熱潮。許多發(fā)達(dá)國(guó)家相繼投入了大量人力、財(cái)力開(kāi)展以PEMFC為動(dòng)力電源的電動(dòng)車、艦船、潛艇、水下機(jī)器人等研究與開(kāi)發(fā)工作，并取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。近些年來(lái),由于直接醇類燃料電池（DAFC）的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，燃料存儲(chǔ)攜帶方便等特點(diǎn)，在移動(dòng)電源、微型電源以及傳感器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，作為一支新秀已成為燃料電池研究與開(kāi)發(fā)的新的熱點(diǎn)之一。工作原理燃料電池是一種按電化學(xué)原理,即原電池的工作原理,等溫地把儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，其工作原理是水的合成反應(yīng)，即燃料和氧化劑通過(guò)電極實(shí)現(xiàn)向電、水和熱量的轉(zhuǎn)化。FC單電池的基本原件有：燃料電極(陰極)，氧化劑電極(陽(yáng)極)和電解質(zhì)。當(dāng)燃料電池工作時(shí)，向陰極通燃料，燃料(以氫氣為主)在陰極上放出電子，電子經(jīng)外部電路傳到陽(yáng)極；向陽(yáng)極通氧化劑，氧化劑在陽(yáng)極與從外部電路流進(jìn)的電子發(fā)生還原反應(yīng)。通過(guò)兩極之間電解質(zhì)的離子導(dǎo)體，完成電池內(nèi)部的電荷傳遞。這樣，內(nèi)外電路構(gòu)成閉合回路，生成電流，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的直接轉(zhuǎn)化。電池的陰、陽(yáng)兩極除傳導(dǎo)電子外,也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑，用來(lái)加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飼r(shí),陽(yáng)極要求有更高的催化活性。陰、陽(yáng)兩極通常為多孔結(jié)構(gòu),以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。兩極之間是電解質(zhì),電解質(zhì)可分為堿性型、磷酸型、固體氧化物型、熔融碳酸鹽型和質(zhì)子交換膜型等類型。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路,電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。圖1燃料電池工作原理Fig.1Workingprincipleoffuelcell以磷酸型燃料電池為例，其陰、陽(yáng)極及電池總反應(yīng)方程式如下：燃料極(陽(yáng)極):H2﹦2H++2e-空氣極(陰極):1/2O2+2H++2e-﹦H2O總反應(yīng)式:H2+1/2O2﹦H2O以上反應(yīng)式表示:燃料電池工作時(shí)向陽(yáng)極供給燃料(氫),向陰極供給氧化劑(空氣),燃料(氫)在陽(yáng)極被分解成帶正電的氫離子(H+)和帶負(fù)電的電子(e-),氫離子(H+)在電解質(zhì)中移動(dòng)與陰極側(cè)提供的O2發(fā)生反應(yīng),而電子(e-)通過(guò)外部的負(fù)荷電路返回到陰極側(cè)參與反應(yīng),連續(xù)的反應(yīng)促成了電子(e-)連續(xù)地流動(dòng),形成直流電,這就是燃料電池的發(fā)電過(guò)程。FC單電池的輸出電壓約為0．5～1．3V左右，但在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)C并不是以單電池的形式存在，而是組成電池堆(stack)。在電池堆中聯(lián)接各單電池的元件稱為聯(lián)接器(inter-connector)或兩極分離器(bipolarseparator)，其作用是將一個(gè)單電池的陽(yáng)極和與之相鄰的另一個(gè)單電池的陰極聯(lián)接起來(lái)。按照實(shí)際需要，電池堆可為串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)混合。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)1．發(fā)電效率高燃料電池按電化學(xué)原理等溫地直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,它不像常規(guī)電廠那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)三級(jí)能量轉(zhuǎn)換才能得到電能,因此既沒(méi)有中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換損失,也不受熱力學(xué)卡諾循環(huán)理論的限制,理論上它的發(fā)電效率可達(dá)85%~90%。但實(shí)際上,由于工作時(shí)各種極化的限制,目前各類燃料電池的實(shí)際能量轉(zhuǎn)化效率為40%~60%,若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供,燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。2．環(huán)境友好當(dāng)燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時(shí),由于有高的能量轉(zhuǎn)換效率,其二氧化碳的排放量比熱機(jī)過(guò)程減少40%以上。除此以外,由于燃料電池的燃料氣在反應(yīng)前必須脫硫,而且按電化學(xué)原理發(fā)電,沒(méi)有高溫的燃燒過(guò)程,所以幾乎不排放硫化物和氮氧化物,減輕了對(duì)大氣的污染。3．噪聲低由于燃料電池按電化學(xué)反應(yīng)原理工作,運(yùn)動(dòng)部件很少。因此,工作時(shí)噪聲很低。4．負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活由于燃料電池發(fā)電裝置是模塊結(jié)構(gòu),容量可大可小,布置可集中可分散,且安裝簡(jiǎn)單,維修方便。另外,當(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動(dòng)時(shí),它會(huì)很快響應(yīng),故無(wú)論處于額定功率以上過(guò)載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行,它都能承受且效率變化不大。這種優(yōu)良性能使燃料電池不僅能向廣大民用用戶提供獨(dú)立熱電聯(lián)供系統(tǒng),也能以分散的形式向城市公用事業(yè)用戶供電,或在用電高峰時(shí)作為調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能電池使用。5．燃料來(lái)源廣燃料電池可應(yīng)用甲醇、煤氣、沼氣、天然氣、含氫廢氣、輕油、柴油等多種功能碳?xì)浠衔锶剂?。燃料電池的分類燃料電池按其工作溫度不同，可分為堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質(zhì)子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內(nèi)）、磷酸型燃料電池（PAFC,工作溫度為200℃），稱為低溫燃料電池；熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，工作溫度為650℃）、固體氧化物型燃料電池（SOFC，工作溫度為1000℃），稱為高溫燃料電池。另一種分類按其開(kāi)發(fā)順序早晚，把PAFC稱為第一代燃料電池，把MCFC稱為第二代燃料電池，把SOFC稱為第三代燃料電池。這些電池均需用可燃?xì)怏w作為其發(fā)電用燃料。燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀PEMFC質(zhì)子交換膜電池(PEMFC)除了具有燃料電池的一般特點(diǎn)外,還具有啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)、比功率與比能量高等突出特點(diǎn)。PEM-FC受到高度的關(guān)注,并成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。電催化劑、質(zhì)子交換膜、電極、雙極板是PEMFC的重要組成部分,對(duì)PEMFC性能和運(yùn)行穩(wěn)定性有著重要的影響。因此，主要部件的研究及改進(jìn)成為PEMFC的研究主要方向。1．1電催化劑催化劑催化能力決定電極反應(yīng)速率。PEMFC使用的催化劑主要有以下幾類：(1)鉑催化劑。目前,PEMFC使用的是以活性炭、炭黑以及石墨炭材料為載體的鉑催化劑。將鉑分散于不同的載體中,制成復(fù)合電極材料,是提高鉑催化劑利用率的有效途徑。碳納米管具有極大的比表面積和良好的導(dǎo)電性,被認(rèn)為是一種良好的催化劑載體。RajalakshmiN等人通過(guò)乙烯基乙二醇和鉑鹽制得了負(fù)載量為32.5%的碳納米管載鉑催化劑,分析發(fā)現(xiàn)鉑沉積在碳納米管表面之前用低濃度的硝酸處理碳納米管,可以增加催化劑的催化活性。SmirnovaA等人采用凝膠碳做載體,利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)成功制備了Pt/CA陽(yáng)極催化劑,Pt的負(fù)載量為0.06~0.6mg/cm2。YsmaelVerde-Gomez等人研究發(fā)現(xiàn)加熱分解Pt(NH4)2Cl6可以得到分布均勻的Pt催化劑。(2)鉑合金催化劑。重整碳?xì)浠衔锏玫降臍錃庵谐３：蠧O雜質(zhì),CO會(huì)使催化劑中毒,使其催化能力大大降低。通過(guò)Pt和Ru的協(xié)同作用,Pt-Ru催化劑對(duì)CO具有抗毒能力,使電池維持較高的性能。Adzic等人將Ru沉積在碳載體表面,然后再將Pt沉積在碳載體上,可以得到催化性能及抗CO性能良好的催化劑,并且鉑的用量大大降低。WeijiangZhou等人在鉑中摻入Sn、Ru、W、Pd等制備了二元合金催化劑。ParageorgopoulosDC等人發(fā)現(xiàn)在Pt-Ru中摻入10at%的Mo,能夠提高PtRu/C催化劑的抗CO性能。(3)鉑-氧化物及非鉑系催化劑。ShuailinZhou等人研制出抗毒性和穩(wěn)定性良好的Pt/γ-Al2O3催化劑。AttilaWootsch等人制備了性能優(yōu)異的Pt/CeO2,但是只適合運(yùn)行溫度在130℃以下的PEM-FC。JongWonPark等研制了Cu-Ce/γAl2O3和Cu-Ce-Co/γAl2O3電催化劑,并發(fā)現(xiàn)后者更適合做PEMFC的電催化劑。俄羅斯的FrukinANInsti-tuteofElectrochemistryRAS的研究人員對(duì)非鉑催化劑進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。1．2質(zhì)子交換膜研究人員力圖通過(guò)對(duì)一些無(wú)質(zhì)子傳導(dǎo)能力或質(zhì)子傳導(dǎo)能力很低但具有良好機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的聚合物,如聚苯并咪唑(PBI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PS)等進(jìn)行直接磺化、質(zhì)子酸摻雜、輻射接枝改性等使之具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力。加拿大Ballard公司開(kāi)發(fā)的BAM3G膜。BAM3G膜由于結(jié)構(gòu)上的差異,具有較好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,更為突出的是具有較低的交換容量質(zhì)量(EW)和高含水率,性能超過(guò)了Nafion117和Dow膜。1.3電極電極傳統(tǒng)的制備方法是鉑黑與聚四氟乙烯乳液(PTFE)混合涂在炭紙上,表面噴一層Nafion溶液后,與質(zhì)子交換膜熱壓到一起,形成三明治結(jié)構(gòu)。但是Nafion通常只能滲入到催化層內(nèi)10μm,且容易與膜分離。1995年,印度電化學(xué)能量研究中心(CEER)采用噴涂浸漬法制得了催化層更薄、Pt分布更加均勻的膜電極,其Pt載量為0.14mg/cm2,其性能與0.44mg/cm2Pt載量的膜電極性能相似。Taylor等用電化學(xué)沉積把鉑定域在離子和電子的接觸區(qū)域,使Pt載量下降到0.05mg/cm2。Ye等用NaBH4化學(xué)技術(shù)把碳化的聚丙烯脂泡沫橡膠浸入在H2PtCl6溶液中,可以將鉑載量降低到0.013mg/cm2。Cha等用等離子體散射技術(shù)在Nafion電解質(zhì)膜兩側(cè)表面直接沉積一層超薄鉑層,使鉑和電解質(zhì)膜緊密相溶,鉑載量達(dá)到0.043mg/cm2,擴(kuò)大了氣體的反應(yīng)面積,離子導(dǎo)電率也增大,鉑催化劑的利用率提高了近10倍日本的Makoto等研究了利用膠體的方法優(yōu)化的碳化催化劑載體來(lái)擴(kuò)大反應(yīng)面積,提高鉑的利用率。1.4雙極板雙極板主要有石墨極板、金屬極板和復(fù)合材料極板三種。①石墨極板。傳統(tǒng)雙極板主要采用無(wú)孔石墨板,并通過(guò)機(jī)械加工溝槽。具有熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕性高、導(dǎo)電性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。上海交通大學(xué)燃料電池研究所采用真空加壓方式硅酸納弄溶液浸漬石墨雙極板的方法,使石墨極板孔隙率減少了70%。用石墨蠕蟲(chóng)直接壓制的柔性石墨板也可以制成性能很好的雙極板。②金屬極板。金屬雙極板雖然具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、機(jī)械加工性、致密性,適合批量生產(chǎn),但是存在單位密度高,易腐蝕等缺點(diǎn)。為避免其腐蝕,降低電池的輸出功率,可采用新型金屬合金材料,并在雙極板兩側(cè)鍍上抗氧化、耐腐蝕和導(dǎo)電性好的防護(hù)層。碳為主體的材料(如石墨、金屬氧化物、導(dǎo)電性聚合物)以及金屬(如貴金屬、金屬碳化物、金屬氧化物)等可以作為防護(hù)層材料。雙涂層或多涂層的方法可以解決主體材料與保護(hù)層材料熱膨脹系數(shù)相差較大的難題。專利CN1421946A中發(fā)明了一種金屬氧化物作為防護(hù)層材料的三涂層雙極板,涂層導(dǎo)電性、耐腐蝕性良好。③復(fù)合材料雙極板。復(fù)合材料雙極板具有石墨雙極板與金屬雙極板的優(yōu)點(diǎn),價(jià)格便宜、制造工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、抗腐蝕好,但存在導(dǎo)電效果與機(jī)械性能差的特點(diǎn)。主要有以碳為基體的復(fù)合雙極板、以聚合物為基體的雙極板和鑲嵌式復(fù)合雙極板。以碳為基底,在石墨中加入有機(jī)聚合物(如乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯等)的復(fù)合雙極板采用浸漬方法可以減小石墨的透氣性,降低流場(chǎng)加工厚度。不導(dǎo)電樹(shù)脂的加入,使極板的電阻增大,導(dǎo)電性下降;熱塑性材料(如乙烯、聚乙烯等)混合石墨粉或碳纖維制備需要冷卻處理,導(dǎo)致處理時(shí)間較長(zhǎng);熱固性材料(如聚酯等)混合石墨粉制備無(wú)需冷卻,處理時(shí)間短,但機(jī)械性能較差,因而需要熱處理,致使燃料電池成本提高。1.5儲(chǔ)氫技術(shù)氫氣儲(chǔ)存有多種方法,包括玻璃/沸石儲(chǔ)氫、制冷吸收儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、不可逆金屬儲(chǔ)氫及可逆金屬儲(chǔ)氫。儲(chǔ)氫方法不同,使用的儲(chǔ)氫材料和儲(chǔ)氫容器也不相同加拿大Ballard公司和日本Toyota公司成功研制出金屬氫化物儲(chǔ)氫器,應(yīng)用于PEMFC汽車上。在儲(chǔ)氫材料方面,有稀土系(AB5型)、鈦系(AB型及AB2型)、鎂系(A2B型)以及鋯系(AB2型)四大系列材料。如TiFe0.85Mn0.15H1.6。在LaNi5的基礎(chǔ)上通過(guò)摻合元素來(lái)部分替代La和(或)Ni,開(kāi)發(fā)出多組元的儲(chǔ)氫合金,如LaNi5-xMx(M:Al、Mn、Cr、Fe、Co、Cu、Ag、Pd、Pt,x=0.1~2.5)系和La1-xRexNi5(Re:Ce、Pr、Nd、Sm、Y、Gd、Th、Zr等x=0.25~1.0)系。近幾年,德國(guó)奔馳公司和日本松下公司還開(kāi)發(fā)出Ti0.9Zr0.1CrMn和Ti0.8Zr0.2Mn1.2等AB2型合金,儲(chǔ)氫容量在1.8~2.0%。研究人員近期又開(kāi)發(fā)了儲(chǔ)氫量大、重量輕的燃料電池用儲(chǔ)氫合金(Ti-Zr)-(Mn-Cr-V)2、(Ti-Zr)-(Mn-Cr-V-Fe)2、(Ti-Zr)-(Mn-Cr-V-Ni)2系列儲(chǔ)氫合金。PEMFC已成為現(xiàn)今燃料電池汽車動(dòng)力的主要發(fā)展方向,豐田、通用等世界知名汽車公司都在積極開(kāi)發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動(dòng)力源的PEMFC電動(dòng)車。此外,在航空航天特別是無(wú)人飛行器領(lǐng)域,以及家庭電源、分散電站、移動(dòng)電子設(shè)備電源、水下機(jī)器人及潛艇不依賴推進(jìn)電源等方面有著廣泛的應(yīng)用。尋找合適的催化劑以及提高催劑的利用率、廉價(jià)的Nafion替代材料的開(kāi)發(fā)、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)、雙極板的選材以及批量化生產(chǎn)和發(fā)展大規(guī)模實(shí)用的儲(chǔ)氫技術(shù),使其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和普及化是PEMFC燃料電池研究的重點(diǎn)和方向。1.6DMFC直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池通稱為直接甲醇燃料電池(DMFC)。膜電極主要由甲醇陽(yáng)極、氧氣陰極和質(zhì)子交換膜(PEM)構(gòu)成。陽(yáng)極和陰極分別由不銹鋼板、塑料薄膜、銅質(zhì)電流收集板、石墨、氣體擴(kuò)散層和多孔結(jié)構(gòu)的催化層組成。其中,氣體擴(kuò)散層起支撐催化層、收集電流及傳導(dǎo)反應(yīng)物的作用,由具有導(dǎo)電功能的碳紙或碳布組成;催化層是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所,常用的陽(yáng)極和陰極電極化劑分別為PtRu/C和Pt/C。直接甲醇燃料電池?zé)o須中間轉(zhuǎn)化裝置,因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積能量密度高,還具有起動(dòng)時(shí)間短、負(fù)載響應(yīng)特性佳、運(yùn)行可靠性高,在較大的溫度范圍內(nèi)都能正常工作,燃料補(bǔ)充方便等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛?？勺鲆巴庾鳂I(yè)或軍事領(lǐng)域的便攜式移動(dòng)電源；50~1000kW的固定式發(fā)電設(shè)備；未來(lái)電動(dòng)汽車動(dòng)力源；移動(dòng)通訊設(shè)備電源。DMFC是潛在的移動(dòng)式電源并有可能替代部分軍用電池,各國(guó)的多個(gè)科研機(jī)構(gòu)對(duì)此展開(kāi)了深入研究。2002年,以色列特拉維夫大學(xué)首先開(kāi)發(fā)成功了甲醇直接方式的手機(jī)燃料電池。2003年日本東芝公司宣布開(kāi)發(fā)出一種可用于手機(jī)和小型信息終端的以高濃甲醇為發(fā)電原料的燃料電池,這種電池的大小像手掌一樣,輸出的電能卻是現(xiàn)在手機(jī)用鋰電池的6倍。德國(guó)SFC燃料電池公司宣稱已開(kāi)發(fā)出甲醇電池設(shè)備的初期生產(chǎn)樣品,該設(shè)備可創(chuàng)造出40W的電源,未來(lái)將被應(yīng)用于筆記本電腦、打印機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)品。SOFC固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置,具有一般燃料電池的結(jié)構(gòu)。SOFC由用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成?？諝庵械难踉诳諝鈽O/電解質(zhì)界面被氧化，在空氣燃料之間氧的分差作用下，在電解質(zhì)中向燃料極側(cè)移動(dòng)，在燃料極電解質(zhì)界面和燃料中的氫或一氧化碳反應(yīng)，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過(guò)外部回路，再次返回空氣極，此時(shí)產(chǎn)生電能。SOFC的特點(diǎn)：高溫動(dòng)作（600-1000℃），通過(guò)設(shè)置底面循環(huán)，可以獲得超過(guò)60%效率的高效發(fā)電；氧離子是在電解質(zhì)中移動(dòng)，所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料；電池本體的構(gòu)成材料全部是固體，所以沒(méi)有電解質(zhì)的蒸發(fā)、流淌。另外，燃料極空氣極也沒(méi)有腐蝕。與其他燃料電池比，固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質(zhì),在高溫800~1000℃下操作,反應(yīng)氣體不直接接觸,因此可以使用較高的壓力以縮小反應(yīng)器的體積而沒(méi)有燃燒或爆炸的危險(xiǎn)。并且高溫運(yùn)行的固體氧化物燃料電池（SOFC）以其全固態(tài)結(jié)構(gòu)、更高的能量效率、和對(duì)煤氣，天然氣，混合氣體等多種燃料氣體廣泛適用性，發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以期望從容量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備，等突出特點(diǎn)，發(fā)展很快，且應(yīng)用廣泛。目前正在研制開(kāi)發(fā)的新一代固體氧化物燃料電池,其特征是基于薄膜化制造技術(shù),是典型的高溫陶瓷膜電化學(xué)反應(yīng)器,可稱其為陶瓷膜燃料電池。我國(guó)已成功研制了中溫(500~750℃)陶瓷膜燃料電池的關(guān)鍵材料,發(fā)展了多種薄膜化技術(shù)(流延法、絲網(wǎng)印刷法、懸浮粒法、靜電噴霧法、化學(xué)氣相淀積法等),獲得了厚度5~20μm的薄層固體電解質(zhì),比傳統(tǒng)工藝制造的150~200μm電解質(zhì)薄板減薄了一個(gè)數(shù)量級(jí),單電池的輸出功率達(dá)到了500~600mW/cm2。燃料氣除氫氣以外,還可以直接以天然氣、生物質(zhì)氣為原料。最近,西門(mén)子-西屋公司已經(jīng)完成了以天然氣為燃料,內(nèi)重整的100kW級(jí)管狀電池的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)電系統(tǒng),試運(yùn)行了4000h,電池輸出功率達(dá)127kW,電效率為53%。隨著對(duì)固體氧化物燃料電池基礎(chǔ)研究的深入,其在各領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了開(kāi)發(fā)。在發(fā)展大型電站技術(shù)的同時(shí),固體氧化物燃料電池還用于分布式電站和備用電源技術(shù)。固體氧化物燃料電池可作為移動(dòng)式電源,為大型車輛提供輔助動(dòng)力源。第一輛裝有固體氧化物燃料電池輔助電源系統(tǒng)(APU)的汽車,由巴伐利亞發(fā)動(dòng)機(jī)公司與德?tīng)柛Ｆ囅到y(tǒng)公合作推出,已于2001年2月16日在德國(guó)慕尼黑世。固體氧化物燃料電池還可以作為輪船、艦艇用電源以及宇航等特殊用途的發(fā)電系統(tǒng)。另外,利用固體氧化物燃料電池系統(tǒng)作為碳?xì)錃怏w的重整裝置以制備純氫,再配合質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用也將有著廣闊的發(fā)展前景。2004年5月,美國(guó)能源部投資240萬(wàn)美元用于固體氧化物燃料電池再生能源項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。固體氧化物燃料電池的廣泛應(yīng)用前景使其成為目前發(fā)展的熱點(diǎn)。美國(guó)政府部門(mén)在燃料電池方面的研究投資重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向了固體氧化物燃劑的活性。在固定電站領(lǐng)域，SOFC明顯比PEMFC有優(yōu)勢(shì)。SOFC很少需要對(duì)燃料處理，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，而且，SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)行高效熱電聯(lián)產(chǎn)。下圖為西門(mén)子-西屋公司開(kāi)發(fā)出的世界第一臺(tái)SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電站，它于2000年5月安裝在美國(guó)加州大學(xué)，功率220kW，發(fā)電效率58%。未來(lái)的SOFC/燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率將達(dá)到60-70%。圖3西門(mén)子-西屋公司制造的燃料電池被稱為第三代燃料電池的SOFC正在積極的研制和開(kāi)發(fā)中，它是正在興起的新型發(fā)電方式之一。MCFC熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由于其可以作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這之后，MCFC發(fā)展的非常快，它在電池材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進(jìn)，但電池的工作壽命并不理想。80年代，它已被作為第二代燃料電池，而成為近期實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)商品化燃料電池電站的主要研究目標(biāo)，研制速度日益加快。MCFC與其他燃料電池比有著獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：①發(fā)電效率高比PAFC的發(fā)電效率還高；②不需要昂貴的白金作催化劑，制造成本低；③可以用CO作燃料；④由于MCFC工作溫度600-1000℃，排出的氣體可用來(lái)取暖，也可與汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電。若熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到80%；⑤中小規(guī)模經(jīng)濟(jì)性與幾種發(fā)電方式比較，當(dāng)負(fù)載指數(shù)大于45%時(shí)，MCFC發(fā)電系統(tǒng)成本最低。與PAFC相比，雖然MCFC起始投資高，但PAFC的燃料費(fèi)遠(yuǎn)比MCFC高。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)為中小規(guī)模分散型時(shí)，MCFC的經(jīng)濟(jì)性更為突出；⑥MCFC的結(jié)構(gòu)比PAFC簡(jiǎn)單。燃料電池的展望長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，燃料電池都被業(yè)界廣泛認(rèn)為是未來(lái)解決掌上設(shè)備供電問(wèn)題的良方，但一直苦于體積重量的問(wèn)題無(wú)法推廣。近日，松下已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出體積僅有270cc，基本和普通鋰電池大小相等的筆記本用燃料電池產(chǎn)品。該燃料電池的平均功率10W，最大功率20W。體積基本是上代的一半，燃料電池重約320g，在裝填200cc甲醇燃料后共可驅(qū)動(dòng)筆記本長(zhǎng)達(dá)20小時(shí)。圖4松下小體積筆記本燃料電池2010年世博會(huì)，日本館松下電器展出了綠色環(huán)保家用固體高分