應(yīng)用電子技術(shù)教育論文燃料電池及其發(fā)展前景

PAGEIIPAGEIII本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文題目：燃料電池及其發(fā)展前景學(xué)生姓名：所在院系：機電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)教育導(dǎo)師姓名：完成時間：PAGEIIPAGEIII摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，人類對能源的需求量大幅度增加。而隨著化石能源(煤炭、石油、天然氣)的日漸枯竭，開發(fā)利用可再生資源的能源體系、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)成為人類社會迫切需要解決的問題。燃料電池是舉世公認的高效、便捷及有益于環(huán)境的綠色能源裝置。燃料電池具有高效、環(huán)保、安全、可靠性高等特點，可同時解決“能源”和“環(huán)?！眱纱笫澜珉y題，是未來氫經(jīng)濟時代新興產(chǎn)業(yè)鏈的核心，將降低對石油進口依賴，保障國家能源安全，減少溫室效應(yīng)，改善環(huán)境質(zhì)量。本文對燃料電池的基本概念，基本工作原理作了具體敘述，對其工作效率和提高工作效率的方法作了定量討論，燃料電池具有非同尋常的性能：電效率可達60％以上，而且可以在帶著部分負荷運行的情況下進行維修，除了有低比率碳氧化物排放外幾乎沒有任何有害的排放物。文章介紹按溫度劃分的5種主要燃料電池(AFC、PAFC、MCFC、PEMFC、SOFC)的性能，重點介紹高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)的應(yīng)用及其發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:燃料電池；綠色能源；高溫固體氧化物燃料電池AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,aswellasimprovementoflivingstandards,humandemandforenergyincreased.Andasfossilfuels(coal,petroleum,naturalgas)theincreasingdepletionofresources,developmentandutilizationofrenewableenergysystems,adjustmentofenergystructureofhumansocietyhasbecomeanurgentneedtobeaddressed.Fuelcelliswidelyrecognizedasefficient,convenientandenvironmentallysoundgreenenergydevices.Fuelcellswithhighefficiency,environmentalfriendly,safety,highreliabilityandsoon,canalsosolvethe"energy"and"green"theworld'stwomajorproblemsinthefuturehydrogeneconomyera,thecoreoftheemergingindustrychain,itwillreducedependenceonoilimportstoprotectthenationalenergysafetyandreducethegreenhouseeffect,toimprovethequalityoftheenvironment.Inthispaper,thebasicconceptandbasicworkingprincipleoffuelcellsarespecificallydescribed,Theefficiencyandthemethodstoincreaseefficiencyofthefuelcellsarediscussedthroughquantitative.Fuelcellshadtheunusualcharacteristic:Itspowerefficiencyismorethan60%,youcanrepairandmaintainitwithoutunloading,butinadditiontothelowratioofcarbonoxideemissionsoutside,virtuallynootherharmfulemissions.Thisarticledescribesthefourkindsofmainfuelcellsdividedinaccordancewiththetemperature(PEMFC,PAFC,MCFCandSOFC)performance,focusingonhigh-temperaturesolidoxidefuelcell(SOFC)applicationanditsdevelopmentprospects.Keywords:fuelcell;greenenergy;SOFC目錄1緒論 12燃料電池的發(fā)展 22.1燃料電池的發(fā)展階段 22.1.1實驗室研究階段 22.1.2實用性開發(fā)階段 22.2燃料電池在國外的發(fā)展 22.2.1燃料電池在美國的發(fā)展 32.2.2燃料電池在加拿大的發(fā)展 32.2.3燃料電池在德國的發(fā)展 32.2.4燃料電池在日本的發(fā)展 42.3燃料電池在國內(nèi)的發(fā)展 43燃料電池的工作原理、分類及優(yōu)點 53.1燃料電池的工作原理 53.2燃料電池的分類 73.2.1堿性燃料電池（AFC） 73.2.2磷酸型燃料電池(PAFC) 73.2.3熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC) 83.2.4質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) 83.2.5固體氧化物燃料電池(SOFC) 83.3燃料電池的優(yōu)點 94固體氧化物燃料電池（SOFC） 104.1固體氧化物燃料電池的概述 104.2SOFC的工作原理 104.3SOFC的優(yōu)點 104.4SOFC在配電市場方面的潛力 114.5SOFC技術(shù)應(yīng)用的擴展 115燃料電池的發(fā)展前景 136結(jié)語 13致謝 14參考文獻 151緒論燃料電池被認為是一種清潔的能源，不會排放導(dǎo)致全球變暖的有害氣體。它利用物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)時釋放的能量直接將其變換為電能，燃料電池工作時需要連續(xù)不斷地向其供給活物質(zhì)—燃料與氧化劑。因為燃料是通過化學(xué)反應(yīng)釋放出能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為“燃料電池[2]。國際能源界預(yù)測，本世紀氫能將得到廣泛應(yīng)用，而燃料電池將成為利用氫能的重要途徑。燃料電池將是繼水力、火力、核能之后的第4代發(fā)電裝置及替代內(nèi)燃機的動力裝置。燃料電池作為能源利用的新技術(shù)，具備高效、潔凈等優(yōu)點，已成為當(dāng)今世界能源領(lǐng)域的開發(fā)熱點。20世紀末國際上已形成了一個燃料電池的開發(fā)熱潮。燃料電池電動車的樣車實驗已經(jīng)證明，以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為動力的電動車性能完全可與內(nèi)燃機汽車相媲美。當(dāng)以純氫為燃料時，它能達到真正的“零”排放。除各國政府投巨資支持這一研究外，世界各大汽車集團和石油公司也投入巨資進行各種形式的合作來發(fā)展這一技術(shù)，投入大量人力、物力,進行氫燃料電池的研究，其競爭的焦點是在21世紀初將以燃料電池為動力的電動汽車推向市場。世界主要國家都已經(jīng)認識到燃料電池技術(shù)對于國家經(jīng)濟發(fā)展和國際競爭力提高的重要作用。各國政府和許多大型跨國公司競相把燃料電池研發(fā)當(dāng)作投資的重點，國際競爭日趨激烈，燃料電池領(lǐng)域的成果也是捷報頻傳。近年來，中國在燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新方面取得了許多突破，已經(jīng)跨入世界先進國家行列。并陸續(xù)開發(fā)出百瓦級～30kW級氫氧燃料電池、燃料電池電動汽車等。燃料電池技術(shù)特別是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出60kW、75kW等多種規(guī)格的質(zhì)子交換膜燃料電池組，開發(fā)出電動轎車用凈輸出40kW、城市客車用凈輸出100kW燃料電池發(fā)動機，使中國的燃料電池技術(shù)跨入世界先進國家行列。將來燃料電池可用于交通工具、移動電話、個人電腦、住宅等等。燃料電池是利用從甲醇和天然氣中提取的氫來產(chǎn)生電能的，還有不少其它種類的燃料也可作為氫的來源。在日本愛知縣舉辦的2005年世界博覽會中，進行了一項試驗，它是世界上第一個把燃料電池和家庭廚房垃圾、太陽光所產(chǎn)生的能量相結(jié)合的能源系統(tǒng)試驗。一個日本相關(guān)部門的官員說：“這是一個能同時實現(xiàn)垃圾處理、資源再利用和環(huán)境保護措施的有效方法。在世博會期間，愛知縣豐田汽車公司使用燃料電池混合驅(qū)動車接載參觀者來往于博覽會的兩個地點，路程超過4.4公里。日立公司在自己的展廳首次向大眾展示一個移動電話信息終端設(shè)備，該設(shè)備裝配了含5立方厘米甲醇的卡匣式燃料電池。當(dāng)燃料耗盡，只要更換卡匣式電池就可以了。日立公司的官員說：“如果這一技術(shù)以后被應(yīng)用于商品中，人們就能花費10日元在火車站的商鋪和便利店買到這種“卡匣”。東京瓦斯公司已經(jīng)把燃料電池商品化，并在2月8日開始出售世界上第一個利用氫能發(fā)電的家用燃料電池系統(tǒng)。除了電能，發(fā)電所產(chǎn)生的熱能也能夠利用。燃料電池發(fā)電的高效率，使我們能以更便宜的價格向家庭提供電、空調(diào)和熱水了。豐田和本田汽車公司已經(jīng)開始向政府部門和機關(guān)出租這些使用燃料電池的客車，以達到向消費者宣傳的目的。2009年1月在東京舉行的第一個國際燃料電池展覽會上，來自包括日本、美國、韓國和中國等國家和地區(qū)的約230家公司展出了它們的商品。在專題演講中，三星電子公司附屬研究所的主管允錫烈說：“我有信心，燃料電池將成為新一代能源”。燃料電池之所以受世人矚目，是因為它具有其它能量發(fā)生裝置不可比擬的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在效率、安全性、可靠性、清潔度、良好的操作性能、靈活性等方面。燃料電池不僅可以滿足不同功率要求，而且安裝、維修方便。燃料電池種類很多，目前該市場具有廣闊的發(fā)展前景是固體氧化化物燃料電池（SOFC）2燃料電池的發(fā)展2.1燃料電池的發(fā)展階段2.1.1實驗室研究階段這個階段從1840年格洛夫(Grove)發(fā)明氫氧氣體電池開始，至1952年Bacon研究成功具有實用性的培根電池并獲得專利止，約100余年。2.1.2實用性開發(fā)階段這個階段大致從20世紀60年代開始一直延續(xù)至今?？煞忠韵聨讉€主要應(yīng)用領(lǐng)域。(1)航天用燃料電池的開發(fā)；(2)燃料電池電站的開發(fā)；(3)電動汽車用燃料電池的開發(fā)；(4)燃料電池小型移動電源的開發(fā)。2.2燃料電池在國外的發(fā)展20世紀末國際上已形成了一個燃料電池開發(fā)熱潮，燃料電池電動車的樣車實驗已經(jīng)證明，以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為動力的電動車性能完全可與內(nèi)燃機汽車相媲美。當(dāng)以純氫為燃料時，它能達到真正的“零”排放。除各國政府投巨資支持這一研究外，世界各大汽車集團和石油公司也投入巨資進行各種形式的合作來發(fā)展這一技術(shù)，投入大量人力、物力,進行氫燃料電池的研究。其競爭的焦點是在21世紀初將以燃料電池為動力的電動車推向市場。世界主要國家都已經(jīng)認識到燃料電池技術(shù)對于國家經(jīng)濟發(fā)展和國際競爭力提高的重要作用。各國政府和許多大型跨國公司競相把燃料電池研發(fā)當(dāng)作投資的重點，國際競爭日趨激烈，燃料電池領(lǐng)域的成果也是捷報頻傳。2.2.1燃料電池在美國的發(fā)展在美國，以能源部為首，大力研制和推廣使用燃料電池，從1992年到2001年，僅從美國能源部就撥款七億美元的基金，用于燃料電池的研制和開發(fā)，最近美國能源部又宣布，撥款1380萬美元協(xié)助美國通用汽車公司，用來研究和發(fā)展高分子燃料電池及其在汽車上的應(yīng)用。美國的通用公司、福特公司和克萊斯勒公司等在美國能源部的大力支持下，全力研究質(zhì)子交換膜燃料電池汽車，并且相繼推出了各自的實驗車。在2000年的悉尼奧運會上，通用汽車公司就推出了用液氫作燃料的“氫動一號”燃料電池汽車作為運動場工作車。由美國環(huán)保局與戴姆勒－克萊斯勒公司、美國聯(lián)合郵政服務(wù)公司聯(lián)手研制的首批氫燃料電池汽車已投入實地使用檢驗階段，這是燃料電池提供動力的機動車首次在美國全國的道路上實地駕駛運行。2.2.2燃料電池在加拿大的發(fā)展在研究和發(fā)展PEMFC技術(shù)方面，目前處于領(lǐng)先地位的巴拉德公司，完全是靠著加拿大政府的資助而發(fā)展起來的，在這一領(lǐng)域仍居于世界最高水平。1993年巴拉德公司就已經(jīng)制造出了世界上第一輛以PEMFC為動力的城市公共汽車，其功率為125馬力，載客20人。該車賣給了美國洛杉磯機場，目前仍在運行之中。1995年2月，由加拿大政府同美國加州南海岸空氣質(zhì)量管理公署等單位共同投資440萬美元開發(fā)的巴拉德公司第二輛PEMFC汽車交付使用，其功率為275馬力，載客75人。2.2.3燃料電池在德國的發(fā)展1993年3月，奔馳公司投資3400萬美元研制PEMFC汽車。1995年3月，歐洲的第一輛50kWPEMFC的奔馳面包車已在進行道路運行測試。該車時速可達110公里，補充一次燃料可行駛250公里，車里可乘坐6人而不顯擁擠。1999年3月奔馳公司展示了Necar-4型PEMFC電動車，它用液氫作燃料，一次充氫行駛里程可達450公里。目前，奔馳公司已開發(fā)Necar-4型小轎車和NEBUS大公共汽車。采用甲醇重整制氫的NECAR5已經(jīng)面世。2000年4月7日奔馳公司網(wǎng)點新聞報道，該公司已在兩三年內(nèi)生產(chǎn)了30輛PEMFC城市公共汽車。寶馬汽車公司最近推出了以天然氣為基礎(chǔ)燃料的燃料電池汽車，駕駛這輛車可以順利的超車，其最高時速可達177公里。2.2.4燃料電池在日本的發(fā)展1981至1990年期間，日本政府就設(shè)立了一個“月光工程”。目前，一個新的燃料電池工程“新陽光工程”正在進行中。1996年10月，豐田汽車公司宣布，他們已經(jīng)開發(fā)成功能新型的PEMFC汽車。該車功率為20kW，最高時速大于100公里/小時，充氫一次行駛250公里。目前，該公司已生產(chǎn)出PEMFC的吉普車和小轎車。從1980年起，日本就開始推廣使用燃料電池機組發(fā)電。目前，世界上最大的一臺燃料電池發(fā)電機就是由日本的東芝公司于1991年11月制造的。其裝機容量已達到11MW。并打算在2010年利用燃料電池生產(chǎn)220萬kWh的電能。

在日本政府通商產(chǎn)業(yè)省的資助和各大汽車公司的努力下，日本制定雄心勃勃的研發(fā)、展示和推廣燃料電池汽車的計劃日本氫能和燃料電池展示計劃。參加這個計劃的主要單位有豐田汽車公司、本田汽車公司等14家，從2001-2002年開始已有5個汽車公司開發(fā)燃料電池汽車進行路上實車試運行，并已建立了幾個加氫站。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省提出的發(fā)展目標是，在2010年要把汽車用燃料電池的價格降低到普通汽油發(fā)動機的水平，并且要首先從政府機關(guān)開始普及燃料電池車。2.3燃料電池在國內(nèi)的發(fā)展近年來，中國在燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新方面取得了許多突破，已經(jīng)跨入世界先進國家行列。并陸續(xù)開發(fā)出百瓦級～30kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動汽車等。燃料電池技術(shù)特別是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出60kW、75kW等多種規(guī)格的質(zhì)子交換膜燃料電池組，開發(fā)出電動轎車用凈輸出40kW、城市客車用凈輸出100kW燃料電池發(fā)動機，使中國的燃料電池技術(shù)跨入世界先進國家行列。2006年2月，國內(nèi)第一艘燃料電池船由上海海事大學(xué)研制成功，該型船可廣泛用于旅游、運輸、科學(xué)考察等領(lǐng)域。燃料電池船是空氣與儲存在鋼瓶中的氫氣在“黑匣子”里反應(yīng)，產(chǎn)生電流直接驅(qū)動船舶前行的無污染、低噪聲的新型船。這艘無污染排放物的燃料電池船，在上海青浦河中進行航行實測，用14立方米的氫氣，可以14公里的時速連續(xù)航行5小時，航程達70公里。這艘燃料電池船吸入的是氫氣，排出氫氧，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生“純凈水”，因而無污染物排放。該船長4.7米，寬1.7米，吃水0.25米，燃料電池功率為2000W，推進器功率為2馬力，可坐兩至4人。適合在自然風(fēng)景區(qū)、嚴格控制污染物排放的江河湖泊作旅游船。經(jīng)過改進后燃料電池船還可成為運輸船、科學(xué)考察船。尤其是科學(xué)考察使用無污染、低噪聲的燃料電池船，能方便地使用先進科考儀器開展科研活動。2006年3月，上海神力和蘇州金龍汽車公司聯(lián)合研制的首輛氫燃料電池客車開始在上海市奉賢和市區(qū)之間示范運行。這輛氫燃料電池客車是上海神力和蘇州金龍汽車公司聯(lián)合研制的。它在金龍新型高檔城市客車的基礎(chǔ)上，改變了原有的燃油系統(tǒng)，而在車頂上裝配了9個儲氫罐，通過燃料電池的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流驅(qū)動汽車，并排出純凈水，其額定功率達到100kW，最高速度可以達到80公里/小時，最大的續(xù)駛里程達到300公里以上，可以承載35名乘客。目前中國科技大學(xué)無機膜研究所已經(jīng)研制成功的新型中溫陶瓷膜燃料電池，是一種以陶瓷膜作為電解質(zhì)的燃料電池。電池部件薄膜化以后，降低了電池的內(nèi)阻，提高了有用功率的輸出，從而不需要高溫的條件實現(xiàn)了中溫化，操作溫度降到700～500℃。這種新型燃料電池繼承了高溫SOFC的優(yōu)點，同時降低了成本。這種新型陶瓷膜燃料電池具有廣闊的應(yīng)用前景。這種燃料電池將是政府機關(guān)、銀行、醫(yī)院等重要單位的高可靠性備用電源，同時也可以在我國廣大的山區(qū)、海島、高原、邊防哨所等電網(wǎng)難以到達的地方使用。中國臺灣勝光科技公司(AntigTechnology)和奇宏科技公司(AVCCorporation)聲稱它們已經(jīng)開發(fā)出一款完全功能的燃料電池，可以用在標準筆記本電腦中。新開發(fā)的燃料電池采用可隨意使用的甲醇膠囊，它利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，一個甲醇膠囊能夠提供45W電能，足夠筆記本電腦在正常狀態(tài)下使用8小時。新開發(fā)的燃料電池的重量大約為1.7千克，是筆記本電腦重量的一倍。2009年3月26日，由中國企業(yè)投資協(xié)會和中國能源網(wǎng)共同主辦的以“應(yīng)對金融危機，加速結(jié)構(gòu)調(diào)整，開拓能源產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟增長之路”為主題的“2009第五屆中國能源投資論壇”在北京國誼賓館召開。隨著氫生產(chǎn)、加氫等能源供應(yīng)鏈日益完善，燃料電池船的成本將大幅下降。據(jù)了解，燃料電池船在科學(xué)、工業(yè)領(lǐng)域有很大作用，在專運液化天然氣的LNG船上應(yīng)用該技術(shù)，則更加安全、環(huán)保。3燃料電池的工作原理、分類及優(yōu)點3.1燃料電池的工作原理燃料電池是利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時釋放的能量直接將其變換為電能，工作時需要連續(xù)不斷地向其供給活物質(zhì)—燃料與氧化劑。因為是將燃料通過化學(xué)反應(yīng)釋放出能量變?yōu)殡娔茌敵觯员环Q為“燃料電池”。也可以說燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的“發(fā)電機”。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質(zhì)板所組成。最初，電解質(zhì)板是利用電解質(zhì)滲入多孔的板而形成，現(xiàn)在正發(fā)展為直接使用固體的電解質(zhì)。工作時向負極供給燃料(氫)，向正極供給氧化劑(空氣)。氫在負極分解成正離子H＋和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部移向正極。用電的負載就接在外部電路上中。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(yīng)的逆過程.發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為:陽極（燃料極）：H2=2H＋+2e（1）陰極（空氣極）：2H＋+0.5O2+2e=H2O（2）總反應(yīng)：H2+0.5O2=H2O（3）在燃料極中,供給的燃料氣體中的H2變?yōu)镠＋和自由電子,H＋移動到電解質(zhì)中與空氣極一側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。自由電子經(jīng)由外部的負荷回路再返回到空氣極一側(cè)參與空氣極一側(cè)的反應(yīng),從反應(yīng)式(3)可以看出H2和O2生成H2O。除此以外沒有其它反應(yīng),H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。如下圖1是氫-氧燃料電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖[6]。

圖1質(zhì)子交換膜氫-氧燃料電池工作原理圖燃料電池因為氧化劑是從外部輸入的，只要它們得到了不斷的供給，燃料電池就可以源源不斷地向外供電。高溫固體氧化物燃料電池直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)，減少能量的損失，發(fā)電效率達45％以上，總發(fā)電率可達到85％以上。燃料使用面廣，余熱利用率高。同時這種電池由于電解質(zhì)電導(dǎo)率不高，必須在高溫下操作，連接密封材料必須使用鉑等稀貴金屬，電池成本隨之大大增加。3.2燃料電池的分類根據(jù)所使用的電解質(zhì)類型、燃料來源等不同,燃料電池主要可分為5種類型:如下表1中所示，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(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)表1燃料電池分類及技術(shù)狀況電池類型AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC工作溫度50~200℃100~200℃650~700℃800~1000℃25~100℃導(dǎo)電離子OH－H+CO32－O2－H+所用燃料純氫氣重整汽凈化煤氣、天然氣、重整汽凈化煤氣、天然氣氫氣、重整氫功率（KW）20~100200~10000100~500025~50000.1~200燃料效率65%40~45%50~55%50~60%40~50%壽命（h）3000~100003000~4000010000~400008000~4000010000~100000成本估算（＄/KW）1000200~30001250150050~2000應(yīng)用領(lǐng)域航天、空間站等現(xiàn)場集成能量系統(tǒng)電站區(qū)域性供電電站、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電電動車、潛艇、電源3.2.1堿性燃料電池（AFC）AFC用KOH溶液作電解質(zhì),以雙層孔徑的燒結(jié)鎳作陽極,摻鋰的氧化鎳作陰極,可在70～100℃或220℃左右工作。AFC的主要特征是:（1）耐低溫CO2（2）耗用大量的鉑[8]。3.2.2磷酸型燃料電池(PAFC)磷酸型燃料電池(PAFC)它是最先進技術(shù)的燃料電池。80年代，IFC(國際燃料電池公司)決定對其前期商業(yè)化生產(chǎn)線進行投資，制造和銷售200kW的PAFC裝置，并將其投入市場。東芝公司在80年代末就已經(jīng)努力使PAFC技術(shù)進入商用市場。從此，PAFC技術(shù)就一直在靜止燃料電池的市場中占據(jù)著顯赫的位置。迄今為止，全球已經(jīng)安裝了150多套PAFC燃料電池裝置。PAFC以磷酸作為電解液,電極有憎水劑(如PTFE)處理過的多孔碳基底為支撐層和PTFE粘合的鉑催化劑組成。工作溫度為180～210℃PAFC的主要特征是:（1）耐CO2和少量CO。（2）可以有效利用電池堆的余熱,具有比AFC和PEMFC更高的能量效率（3）腐蝕性較低。（4）對基體材料要求較高,不能在室溫下工作。3.2.3熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)MCFC是在一只陶瓷容器中放入液態(tài)的金屬碳酸鹽(62%LiCO3～38%K2CO3)作電解質(zhì),以多孔鎳作陽極,摻鋰的氧化鎳作陰極,燃料是H2和CO的混合物,氧化劑是O2和CO2的混合物,工作溫度為650℃左右。如果沒有采取防止電極老化的措施，燃料電池的使用壽命會受到影響。MCFC采用的是頰型電池，和SOFC型的管形設(shè)計方案相比，這種頰型電池的功率密度要稍高一些，這在成本上要比SOFC型裝置優(yōu)越。但在另一方面，由于SOFC所用的陶瓷材料非常穩(wěn)定，可以用在950-1000℃范圍內(nèi)，所以SOFC裝置在抗化性能上更具優(yōu)越性。MCFC的主要特征是:（1）只能選用碳酸鹽作為唯一的電解質(zhì),腐蝕性很強的熔融鹽會使陰極有輕微的溶解,降低電池壽命。（2）其能量轉(zhuǎn)化效率高于PAFC。3.2.4質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)采用可傳導(dǎo)離子的聚合膜作為電解質(zhì)，所以也叫聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)、固體聚合物燃料電池(SPFC)或固體聚合物電解質(zhì)燃料電池(SPEFC)。它是一種以固體聚合物作為電解質(zhì)膜、空氣或純氧作為氧化劑,氫或者凈化重整氣作為燃料,帶有氣體流動通道的石墨或表面改性金屬板為雙極板的一種發(fā)電裝置。其具有工作溫度低(50～100℃),低溫下起動快,工作可靠性高,能量密度高,無排放污染;結(jié)構(gòu)簡單,制造方便等優(yōu)點?？蓱?yīng)用于手機、移動通訊、筆記本電腦、攝像機、電動自行車、電動汽車等。因此它的系統(tǒng)研究也引起廣泛的關(guān)注。PEMFC的主要特征是:（1）室溫下啟動十分迅速。（2）效率高,其能量轉(zhuǎn)化率高達60%～80%,實際使用效率是普通內(nèi)燃機的2～3倍。（3）無污染,由于反應(yīng)產(chǎn)物主要是水,可以實現(xiàn)零排放。（4）壽命長。（5）比功率大。（6）燃料多樣性,氫氣、甲醇、乙醇、甲烷、天然氣、輕油等均可[14]。3.2.5固體氧化物燃料電池(SOFC)SOFC一般以固體氧離子導(dǎo)體作為電解質(zhì)，金屬陶瓷作陽極,以鉑作陰極。工作溫度為600～1000℃。SOFC的主要特征是：（1）全固體裝置不存在電解質(zhì)的腐蝕問題。（2）可用多種燃料工作。（3）對陰極材料要求很高，目前還沒有找到一種合適廉價的材料來代替鉑。（4）工作溫度太高，對電池的各個部件的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都要求很高。3.3燃料電池的優(yōu)點燃料電池之所以受世人矚目，是因為它具有其它能量發(fā)生裝置不可比擬的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在效率、安全性、可靠性、清潔度、良好的操作性能、靈活性等方面。（1）高效性：從理論上講，燃料電池可將燃料能量的90%轉(zhuǎn)化為可利用的電和熱。磷酸型燃料電池設(shè)計發(fā)電效率42%，目前已接近46%。據(jù)估計，熔融碳酸鹽燃料電池的發(fā)電效率可超過60%，固體氧化物燃料電池的效率更高。而且鹽燃料電池的發(fā)電效率可超過60%，固體氧化物燃料電池的效率更高。而且燃料電池的效率與其規(guī)模無關(guān)，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。燃料電池發(fā)電廠可設(shè)在用戶附近，這樣也可以減少傳輸費用和傳輸損失。燃料電池的另一特點是在其發(fā)電的同時可以產(chǎn)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(nèi)燃機相比，燃料電池的轉(zhuǎn)動部件很少因而系統(tǒng)更加安全可靠。燃料電池很少發(fā)生過像燃燒渦輪機或內(nèi)燃機因轉(zhuǎn)動部件失靈而發(fā)生的惡性事故。燃料電池系統(tǒng)唯一可能發(fā)生的事故就是效率低下。（3）良好的環(huán)境效益：普通火力發(fā)電廠排放的廢棄物有顆粒物(粉塵)、硫氧化物、氮氧化物、碳氫化合物以及廢水、廢渣等。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(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物是水，其量極少，與大型蒸汽輪機發(fā)電廠所用的冷卻水量相比，明顯少得多。（4）良好的操作性能：燃料電池具有其它技術(shù)無可比擬的優(yōu)良的操作性能，這也節(jié)省了運行費用。燃料電池發(fā)電廠的電力控制系統(tǒng)可以分別獨立地控制有效電力和無效電力。控制了發(fā)電參數(shù)，就可以使線電壓及頻率的輸送損失最小化，并減少儲備電量及電容、變壓器等輔助設(shè)備的數(shù)量。通常，電廠增加發(fā)電容量時，變電所的設(shè)備必須升級，否則會使整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性降低。而燃料電池發(fā)電廠則不必將變電所設(shè)備升級，必要時可將燃料電池組拆分使用。燃料電池還可以輕易地校正由頻率引起的各種偏差。這一特點提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。燃料電池系統(tǒng)具有良好的部分載荷性能，可對輸出負荷快速響應(yīng)。（5）靈活性：靈活性是指發(fā)電廠計劃與容量調(diào)節(jié)的靈活性。這對電力公司及用戶來說是最關(guān)鍵的因素及經(jīng)濟效益所在。燃料電池發(fā)電廠可在2年內(nèi)建成投產(chǎn)，其效率與其規(guī)模無關(guān)，可根據(jù)用戶需求量而增加發(fā)電容量。4固體氧化物燃料電池（SOFC）4.1固體氧化物燃料電池的概述固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認為是在未來會與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。它始于20世紀40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃發(fā)展。4.2SOFC的工作原理固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質(zhì)(electrolyte)、陽極或燃料極(anode，fuelelectrode)、陰極或空氣極(cathode，airelectrode)和連接體(interconnect)或雙極板(bipolarseparator)組成。固體氧化物燃料電池的工作原理與其它燃料電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽極為燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時相當(dāng)于一臺直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。4.3SOFC的優(yōu)點SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池，簡稱PAFC)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池，簡稱MCFC)相比它有如下優(yōu)點：(1)較高的電流密度和功率密度；(2)陽、陰極極化可忽略，彼此損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降；(3)可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；(4)避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問題；(5)能提供高質(zhì)余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達80％左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；(6)廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽極，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)；(7)陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運行(600～1000℃)，加快了電池的反應(yīng)進行，還可以實現(xiàn)多種碳氫燃料氣體的內(nèi)部還原，簡化了設(shè)備。固體氧化物燃料電池是一種新型發(fā)電裝置，其高效率、無污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對多種燃料氣體的廣泛適應(yīng)性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。4.4SOFC在配電市場方面的潛力SiemensWestinghouse公司根據(jù)對市場的分析，決定采取必要的措施加快SOFC技術(shù)進入市場的步伐。在2003-2004年提供第一批產(chǎn)品，進入商業(yè)性生產(chǎn)前的試驗階段，裝置容量從目前的2MW擴大到15MW。

北美和歐洲被認為是SOFC燃料電池技術(shù)最有希望的市場。HaglerBailly公司和西門子公司對功率范圍為250kW~lMW的市場進行了調(diào)查，結(jié)果表明2005年SOFC燃料電池的市場容量為每年10000MW。北美和歐洲幾乎各占50％?？紤]到北美洲用戶的結(jié)構(gòu)和他們的需求，在北美洲各類小型發(fā)電機組的總?cè)萘吭?010年可能達到每年約1000MW，其中600MW可能是燃料電池發(fā)電裝置。在各種類型的燃料電池中，SOFC的市場份額約占40％，到2010年在北美洲SOFC的全年銷售額將達到2.4億美元。

在競爭日益激烈的配電市場中的另一個獲勝者是微型燃氣輪機，主要是作為備用電源或輔助電源。由于SOFC和微型燃氣輪機的特性適于不同的應(yīng)用場所，SOFC效率高但投資成本也高，而微型燃氣輪機成本低但效率也低，因而這2種技術(shù)不會產(chǎn)生市場上競爭。而往復(fù)式發(fā)動機會逐漸失去其在市場中的份額。歐洲電網(wǎng)要比北美洲電網(wǎng)強大得多，歐洲電網(wǎng)強化了集中的大型發(fā)電廠的作用。因此在北美洲經(jīng)常出現(xiàn)的分散式電熱設(shè)備和動力裝置的供電質(zhì)量和供電可靠性問題在歐洲是不突出的。但另一方面，在歐洲對能量儲存更為敏感。此外，一些國家政府將頒布新的規(guī)程和法律及新的能源價格，預(yù)計歐洲各國之間市場份額會有重大差異。在有些情況下這個過程會給SOFC用于配電裝置起到一定的促進作用。此外，歐洲的自由化近程落后于北美洲。因此，市場預(yù)測結(jié)果會有很大程度的不確定性。4.5SOFC技術(shù)應(yīng)用的擴展使用天然氣作為燃料的SOFC是車載式裝置，其擴展應(yīng)用可有以下幾種形式：(1)家庭應(yīng)用：新一代燃料電池將是扁平管型的，其功率密度是目前所用圓柱型燃料電池技術(shù)的2倍，因而將制造出5kW的燃料電池裝置。這種設(shè)計方案是可行的，在配電市場中可以替代圓柱型燃料電池。(2)l0MW以上的系統(tǒng)裝置：很顯然，只要SOFC技術(shù)占有了功率范圍在250~10MW的市場，那么下一步必然是要爭取占有l(wèi)0MW以上更大規(guī)模發(fā)電設(shè)備的市場。通過把更多SOFC鏈接起來便能實現(xiàn)這個目標，也滿足了高效率低成本的要求。20MW級規(guī)模燃料電池的電效率已經(jīng)接近甚至超過70％。(3)用液態(tài)燃料運行：使用天然氣作為燃料將SOFC的應(yīng)用局限在靠近天然氣供氣網(wǎng)的區(qū)域內(nèi)，從而使這項新技術(shù)的應(yīng)用受到限制。因此存在著讓SOFC使用液態(tài)燃料的迫切要求。因此，應(yīng)與大型石油公司合作進行該課題的研究開發(fā)，選擇一種適宜的液體燃料并設(shè)計出最適于使用這種新燃料的SOFC發(fā)電裝置，以便為邊遠的用戶服務(wù)。

(4)CO2的分離：Shell公司和SiemensWestinghouse公司正在共同研制一種能將CO2從完全反應(yīng)后的燃料中分離的SOFC設(shè)計方案。例如，當(dāng)把其裝在用于回收油的平臺上時，可以把CO2用泵壓到地下儲層中，這不但可省去CO2的排放稅，還可提高原油的產(chǎn)出量。(5)綜合性應(yīng)用：CO2分離裝置可能是點火的火花裝置，它使得SOFC在一種封閉且可再生的能量循環(huán)中成為關(guān)鍵性部件。經(jīng)過一段時間，SOFC能產(chǎn)生出熱量和電力，例如用于大型暖房的設(shè)施中，SOFC裝置產(chǎn)生的C02可用來加快植物的生長。而任何一種農(nóng)作物收獲后的剩余有機物都可以轉(zhuǎn)化為氣體供給SOFC作燃料。

輸出電能之前需要較長的加熱過程，因而這種技術(shù)不能應(yīng)用于要求在短時間內(nèi)頻繁起動的各種實用裝置。此外，高溫型燃料電池還具有以下特點：(1)不需要使用貴金屬來催化電化學(xué)反應(yīng)。一般情況下使用陶瓷材料；(2)對CO完全沒有限制，CO參加到電化學(xué)反應(yīng)過程并像H2一樣被氧化；(3)對燃料表現(xiàn)出高度靈活性?？梢越o這類燃料電池發(fā)電設(shè)備供應(yīng)天然氣，天然氣在設(shè)備部被轉(zhuǎn)換成H2和CO。這意味著無需任何外部燃料，從而大大簡化了發(fā)電設(shè)備的平衡問題；(4)高溫可以將燃氣輪機連接到該系統(tǒng)上，在這種情況下，燃料電池發(fā)電設(shè)備是在300kPa壓力下運行，并在不考慮燃氣輪機輸出的情況下將燃料電池的功率密度提高約20％，因此使總的電效率提高10％，可成倍地降低使用期限成本；(5)較高的運行溫度也為排熱提供了更多的靈活性。在電效率達60％或更高水平的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中可限制廢熱排放，而在單循環(huán)下則會排放出更多的熱量。MCFC和SOFC是這類高溫型燃料電池的2種技術(shù)。它們使用的材料不同。MCFC是在一只陶瓷容器中放入液態(tài)的金屬碳酸鹽作為電解液，如果沒有采取防止電極老化的措施，燃料電池的使用壽命會受到影響。

到目前為止，所有的長期電池試驗和正在運行的試驗性機組都表明SOFC型裝置的使用壽命可以達到70000-80000小時，是MCFC型的2倍。MCFC和SOFC2種技術(shù)在進行100~250kW功率范圍的單循環(huán)現(xiàn)場試驗中，成本都有大幅度的下降。目前在MCFC開發(fā)上占有主導(dǎo)地位的是美國的FuelCellEnergy公司及其在德國的授權(quán)單位MTU，日本的Ishikawajima-Harima重工(IHI)和三菱公司等。而SiemensWestinghouse在SOFC開發(fā)上處于領(lǐng)先水平。5燃料電池的發(fā)展前景目前影響燃料電池商業(yè)化的關(guān)鍵問題是制作成本太高。PAFC和PEAFC是近期最有希望商業(yè)化的兩種電池。如影響PEAFC制作成本的主要集中在電極、電解質(zhì)膜、電極板等三方面。如何有效地降低鉑的用量、開發(fā)廉價的新型催化劑是燃料電池開發(fā)研究中的一個重要方向。我國中科院應(yīng)用化學(xué)研究所和清華大學(xué)在這方面正在進行大量的研究工作。在燃料電池所用燃料的選取、車載、儲存、安全等方面也有許多工作要做?，F(xiàn)在較多的是以純氫作為燃料,由于氫氣的高危險性,如何方便有效地車載、儲存、灌充還存在許多障礙[11]。稀土材料吸氫技術(shù)已較為成熟,我國稀土資源較為豐富,在此方面應(yīng)有較好的發(fā)展?jié)摿?。利用碳納米材料儲氫效率更高,但目前仍停留在實驗階段[16]。另外,需要建立新的灌充網(wǎng)絡(luò),巨大的基建投入也制約了它的應(yīng)用。間接甲醇燃料電池(IMFC)由于克服直接用純氫作燃料所帶來的許多問題,使其更可能成為未來燃料電池電動車的首選電源,特別是像我國這樣經(jīng)濟基礎(chǔ)相對較弱的發(fā)展中國家,應(yīng)把IMFC的研制開發(fā)提升到一個應(yīng)有的高度。隨著燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的不斷得以解決,各種燃料電池的應(yīng)用,特別是PEMFC電動車必將在不久的將來,步入人們的日常生活。6