燃料電池簡(jiǎn)介

燃料電池簡(jiǎn)介目錄燃料電池的概念燃料電池的分類燃料電池的優(yōu)勢(shì)燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀燃料電池汽車燃料電池的概念簡(jiǎn)單地說，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”。電能轉(zhuǎn)換效率一般為45%-60%，而火力發(fā)電的效率一般在30%-40%。燃料電池的概念是1839年W.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。最近五年商業(yè)化發(fā)展非常迅速，在航空航天、交通運(yùn)輸、消費(fèi)電子產(chǎn)品及固定供電供熱裝置等領(lǐng)域有了很多成功運(yùn)用。目前燃料電池根據(jù)應(yīng)用方式不同，分為三大應(yīng)用領(lǐng)域類型：移動(dòng)型（Portable)、固定型(Stationary)、交通運(yùn)輸(Transport)燃料電池的分類燃料電池按電解質(zhì)劃分已有6個(gè)種類得到了發(fā)展堿性燃料電池（AlkalineFuelCell,AFC）采用氫氧化鉀溶液作為電解液磷酸鹽型燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）采用200℃高溫下的磷酸作為其電解質(zhì)熔融碳酸鹽型燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell,MCFC）采用熔融態(tài)碳酸鹽作為其電解質(zhì)固體氧化物型燃料電池（SolidOxideFuelCell,SOFC）采用固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)直接甲醇燃料電池(DirectMethanolFuelCell，DMFC）屬于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。堿性燃料電池AFC堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。堿性燃料電池的設(shè)計(jì)基本與質(zhì)子交換膜燃料電池相似，但其使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。因此啟動(dòng)也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。磷酸燃料電池PAFC磷酸燃料電池是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。使用液體磷酸為電解質(zhì)。磷酸燃料電池的工作溫度要位于150-200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。且較高的工作溫度也使其對(duì)雜質(zhì)的耐受性較強(qiáng)。磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時(shí)間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動(dòng)力。熔融碳酸鹽燃料電池MCFC熔化的碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，這種電池不是使用熔化的鋰鉀碳酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當(dāng)溫度加熱到650℃時(shí)，這種鹽就會(huì)溶化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。這種電池工作的高溫能在內(nèi)部重整諸如天然氣和石油的碳?xì)浠衔铮谌剂想姵亟Y(jié)構(gòu)內(nèi)生成氫。且白金催化劑可用廉價(jià)的一類鎳金屬代替，其產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達(dá)60%。

這種電池需要較長(zhǎng)的時(shí)間方能達(dá)到工作溫度，因此不能用于交通運(yùn)輸，可考慮用于大型發(fā)電廠。固態(tài)氧化物燃料電池SOFC固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比熔融碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，其工作溫度位于800-1000℃之間。在這種燃料電池中，當(dāng)氧陽向離子從陰極移動(dòng)到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動(dòng)返回到陰極上，減少進(jìn)入的氧，從而完成循環(huán)。固態(tài)氧化物燃料電池對(duì)目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比熔融碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，可考慮用于大型發(fā)電廠。質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵材料與部件為：1)電催化劑；2)電極（陰極與陽極）；3）質(zhì)子交換膜；4）雙極板。質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進(jìn)行，通常用每個(gè)電極上的一層薄的白金進(jìn)行催化。每個(gè)電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個(gè)照明燈泡使用。驅(qū)動(dòng)一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個(gè)單個(gè)的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲(chǔ)器。質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC以其工作溫度低、啟動(dòng)快、能量密度高、壽命長(zhǎng)、重量輕、無腐蝕性、不受二氧化碳的影響，能量來源比較廣泛等優(yōu)點(diǎn)特別適宜作為便攜式電源、機(jī)動(dòng)車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)?？梢钥紤]用來發(fā)展燃料電池汽車（FCEV）。直接甲醇燃料電池DMFC屬于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。相較于質(zhì)子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池具備低溫快速啟動(dòng)、燃料潔凈環(huán)保以及電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性。這使得直接甲醇燃料電池可能成為未來便攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。體積小巧，燃料使用便利，潔凈環(huán)保，可以用作移動(dòng)電話和膝上型電腦的電源，將來還具有為指定的終端用戶使用的潛力；其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。燃料電池的優(yōu)勢(shì)潔凈、安全的發(fā)電裝置

有害氣體ＳＯx、ＮＯx及噪音排放都很低；積木化強(qiáng)，規(guī)模及安裝地點(diǎn)靈活，燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短能量轉(zhuǎn)化效率高

直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料—電能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%多燃料系統(tǒng)

可根據(jù)各種燃料電池的用途和條件選擇使用最合適的燃料

負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高

燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率……燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀燃料電池可提供多樣化的能源解決方案，將來極有可能替代傳統(tǒng)的電源供應(yīng)裝置，如電池、內(nèi)燃機(jī)。燃料電池的應(yīng)用及其廣泛，從家庭供電供熱、移動(dòng)電子設(shè)備供電到汽車動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。根據(jù)燃料電池的應(yīng)用方式，一般分為移動(dòng)型（Portable)、固定型(Stationary)、交通運(yùn)輸型(Transport)；2010年，全球燃料電池總出貨量同比增長(zhǎng)40%，達(dá)到了創(chuàng)歷史記錄的23萬套，其中，移動(dòng)型燃料電池約占總出貨量的95%。值得注意的是，2010年全球銷售的燃料電池中有超過97%使用的是PEMFC，即質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，該類型燃料電池被認(rèn)為最適合應(yīng)用于新能源汽車。2007-2011全球燃料電池出貨量（根據(jù)應(yīng)用方式劃分）

單位：千套資料來源：FuelCellToday2007-2011全球燃料電池發(fā)電功率（根據(jù)應(yīng)用方式劃分）

單位：MW資料來源：FuelCellToday2007-2011全球燃料電池出貨量（根據(jù)地區(qū)劃分）

單位：千套資料來源：FuelCellToday2007-2011全球燃料電池發(fā)電功率（根據(jù)地區(qū)劃分）

單位：MW資料來源：FuelCellToday根據(jù)出貨量劃分資料來源：FuelCellTodayPEMFC：質(zhì)子交換膜燃料電池 DMFC：直接甲醇燃料電池SOFC：固體氧化物燃料電池 MCFC：熔融碳酸鹽型燃料電池AFC：堿性燃料電池 PAFC：磷酸鹽型燃料電池根據(jù)發(fā)電功率劃分2010年全球各技術(shù)類型燃料電池發(fā)展?fàn)顩r

參考數(shù)據(jù)資料來源：FuelCellToday參考數(shù)據(jù)資料來源：FuelCellToday燃料電池汽車

FCEV-FuelCellElectricVehicle燃料電池汽車的工作原理是，使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生出電能啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車。甲醇、天然氣和汽油也可以替代氫（從這些物質(zhì)里間接地提取氫），不過將會(huì)產(chǎn)生極度少的二氧化碳和氮氧化物。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2～3倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。在全球溫室效應(yīng)與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家的污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對(duì)低污染車輛之需求勢(shì)必增加。汽車業(yè)界近年來一直致力于開發(fā)氫燃料電池車。其中較為領(lǐng)先的有美國通用、德國戴姆勒、日本豐田和本田等。國內(nèi)有上海的上汽集團(tuán)、同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院。由同濟(jì)大學(xué)與國內(nèi)五大整車廠合作生產(chǎn)、在上海世博園區(qū)示范運(yùn)營的196輛燃料電池汽車（含90輛燃料電池轎車、6輛燃料電池客車和100輛燃料電池觀光車），自上海世博會(huì)開園以來連續(xù)運(yùn)行5個(gè)月。其中，僅在園區(qū)內(nèi)高架步道及北環(huán)路運(yùn)行的燃料電池觀光車一種車型，已累計(jì)載客137萬人次，總行駛里程達(dá)44萬余公里。通用Hy-wire

氫動(dòng)三號(hào)

由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力，通過68升的氫氣儲(chǔ)存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動(dòng)機(jī)后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達(dá)400公里?！皻鋭?dòng)三號(hào)”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。在所有獲準(zhǔn)在日本公路行駛的燃料電池車中，“氫動(dòng)三號(hào)”以長(zhǎng)達(dá)400公里的持續(xù)行駛距離拔得頭籌。起亞霸銳FCEV在2008年洛杉磯車展上亮相的起亞汽車的全新燃料電池電動(dòng)車型BorregoFCEV這款起亞BorregoFCEV車型配有全新的氫燃料電池和450伏100千瓦電機(jī)，最大功率為154馬力。根據(jù)起亞汽車官方的報(bào)道，這款全新SUV0到60英里每小時(shí)的加速時(shí)間為12.8秒，最高時(shí)速為100英里每小時(shí)。起亞BorregoFCEV車型裝有10,000psi的氫氣儲(chǔ)藏罐，可以確保該款車型連續(xù)行駛426英里。燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的主要問題整車的開發(fā)設(shè)計(jì)車用燃料氫，其制備、儲(chǔ)存和分配等環(huán)節(jié)都存在問題電池系統(tǒng)性能有待提高，有小型化和輕型化要求成本高，現(xiàn)有50KW質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本為300美元/KW，但是，燃料電池電動(dòng)汽車應(yīng)用成本的目標(biāo)是50美元／KW，距離還很大。如何提高燃料電池性能與降低其制造成本是燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化的關(guān)鍵問題之一。經(jīng)過近20多年的高速發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)PEMFC取得了巨大的進(jìn)步，成功地解決了很多問題。