燃料電池的研究進展

1、燃料電池的研究進展摘 要：燃料電池是一種高效、清潔的電化學(xué)發(fā)電裝置，近年來得到國內(nèi)外的普遍重視。本文將針對燃料電池的發(fā)展簡史、工作原理、研究進展及應(yīng)用等作了簡要介紹。關(guān)鍵詞：燃料電池 特點 分類 燃料電池(Fuel Cell)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。人們把它稱之為繼水電、火電和核電之后的第四種持續(xù)發(fā)電方式。隨著全世界對能源的需求日益增加以及人類對環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注,采用清潔高效的能源利用方式、積極開發(fā)新能源已經(jīng)是勢在必行。燃料電池具有發(fā)電效率高、無污染、燃料來源廣泛等特點, 是一種最接近于實用化的環(huán)保型新能源，最常見的是以氫氧為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池，目前已

2、在實際應(yīng)用方面取得一些進展。例如，燃料電池作為新型能源大量用于航天領(lǐng)域、潛水領(lǐng)域，還可以為公共汽車提供動力，現(xiàn)在，一些筆記本電腦和手機也開始使用燃料電池。1. 燃料電池簡介1.1燃料電池簡史料電池的發(fā)展歷程, 既古老又年輕, 既坎坷又迅捷。這種先進的發(fā)電技術(shù)，早在十九世紀就發(fā)明了。1839年，英國科學(xué)家William·Grove(威廉·格羅夫)發(fā)明了世界上第一座燃料電池裝置，是把封有鉑電極的玻璃管浸在稀硫酸中，先由電解產(chǎn)生氫和氧，然后連接外部負載，這樣氫和氧就發(fā)生了電池反應(yīng)，產(chǎn)生電流。格羅夫還用這種簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。1896年，提出了用煤作為燃料電

3、池的燃料，他的想法引起了公眾的極大關(guān)注。但由于無法解決炭對電解質(zhì)的污染，沒有取得滿意的效果,最終被放棄。1897年，W.Nernst(能斯特)用氧化釔和氧化鋯的混合物（85% ZrO2 15% Y2O3)作為電解質(zhì)，制作成了固體氧化物燃料電池（SOFC）。1900年，德國E.Baur研究小組發(fā)明了熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）。之后，Baur的學(xué)生又對MCFC進行了深入研究。1902年J.H.Reid等人采用堿性KOH溶液作為電解質(zhì)，創(chuàng)先開始了研究堿性燃料電池（AFC）。1906年，F(xiàn).Haber等人研究了H2O2燃料電池可逆電動勢的熱力學(xué)。他們用一個兩面覆蓋鉑或金的玻璃圓片作為電解質(zhì)，并與供

4、應(yīng)氣體的管子相連，被認為是固態(tài)聚合物燃料電池（SPFC）的雛形，或稱為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。第一個SPFC是于1955年由美國通用電氣公司（GE）研制而成的。1932年，英國學(xué)者F.T.Bacon（培根）在前人的研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上研制出了具有實用性的培根電池并獲得專利。1959年，他還研制出一只六千瓦的燃料電池，并用它開動叉式起重車、圓鋸和電焊機。培根的研究改進后在1969年為阿波羅登月計劃的宇宙飛船提供動力。培根電池使燃料電池由實驗走向?qū)嵱茫哂欣锍瘫饬x。1-220世紀60年代以來，燃料電池進入了廣泛的實用性開發(fā)階段，直至今日，燃料電池依然造福于人類。1.2燃料電池工作原理燃料電

5、池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它按電化學(xué)原理，即原電池的工作原理，等溫地把儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。3-4圖1 燃料電池工作原理示意圖1.3燃料電池的特點（1）效率高 燃料電池工作時直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)的限制，是一種高效的新型能源。其理論能量轉(zhuǎn)化效率可達8590。但由于各種極化的限制，實際的能量轉(zhuǎn)化效率約為4060。若實現(xiàn)熱電聯(lián)供或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，燃料的總利用率則可高達80以上，遠高于普通內(nèi)燃機和蒸汽機的效率，而且不因負荷的變化而影響效率。5（2）環(huán)境友好燃料電池可以直接使用天然氣和氫氣等可燃氣體作為“燃料”，也可以將甲醇、乙醇等液體燃料或煤炭等固體燃料通過特殊的裝置轉(zhuǎn)

6、化成一氧化碳和氫氣，作為燃料電池的原料氣。其中，以氫氣作為原料氣的燃料電池是最理想的燃料電池，在發(fā)電過程中的產(chǎn)物是水，這就意味著燃料電池是“零排放”。若使用其他原料氣，則采取嚴格的脫硫和分離二氧化碳措施，幾乎沒有硫氧化合物和氮氧化合物的排放，二氧化碳排放量也極低，可以說是對環(huán)境沒有任何污染。6（3）無噪聲污染燃料電池是靜止型直接發(fā)電，不存在汽輪機、發(fā)電機等機械系統(tǒng)，因此工作時沒有機械運動所產(chǎn)生的噪音。它可以“靜悄悄地”將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，這是任何使用熱機的發(fā)電方式所做不到的。若使用燃料電池，則可以大大減少城市噪聲污染。（4）靈活性大、可靠性高燃料電池的發(fā)電裝置由許多單元組成模塊而工作，其

7、發(fā)電效率同發(fā)電裝置的規(guī)模大小無關(guān)，只取決于每個獨立單元的發(fā)電效率。因而盡管是小規(guī)模的發(fā)電裝置也具有高的發(fā)電效率。并且它不存在汽輪機、發(fā)電機等機械系統(tǒng)，也就不存在零部件的疲勞、磨損等問題，大大增加了運行可靠性，且無噪聲、無振動，可以直接安裝在大樓內(nèi)工作，省去了遠距離輸送線路。72. 燃料電池的分類按燃料電池的運行機理分類，有酸性燃料電池和堿性燃料電池；按燃料來源分類，有直接型燃料電池和間接型燃料電池；按工作溫度分類，有低溫燃料電池（工作溫度一般低于100）、中溫燃料電池（工作溫度一般在100300）和高溫燃料電池（工作溫度一般在6001000）。8燃料電池按電解質(zhì)不同，可分為以下五種：12.1堿

8、性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，簡稱AFC）堿性燃料電池在一般在65100（或220）下工作。這種電池是以KOH或NaOH等堿性溶液為電解質(zhì)，電解液滲透于多孔而惰性的基質(zhì)隔膜材料中,導(dǎo)電離子為OH-，使用的電催化劑主要是貴金屬（如鉑、鈀、金、銀等）和過渡金屬（如鎳、鈷、錳等）或者由它們組成的合金。9它設(shè)計簡單，但不耐CO2，所以原則上它必須采用純氫和純氧做為燃料。AFC中的電池反應(yīng)如下：陽極(負極)：H2 + 2OH- 2H2O + 2e-陰極(正極)： 12 O2 + H2O + 2e - 2OH-電池反應(yīng)：H2 + 12 O2 H2O 在電解液中，在陽極OH-離子失去電子

9、產(chǎn)生水，水分子遷移到陰極稀釋了電解液降低了電池的電導(dǎo)率，因此使電池的性能退化。針對這個問題，有兩種解決方法：一是循環(huán)電解液，隨著水的蒸發(fā)熱量也散失；另一種是循環(huán)氫氣，可將水蒸氣帶走。2.2固體聚合物燃料電池（Solid Polymer Fuel Cell，簡稱SPFC）又稱質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC）固體聚合物燃料電池一般在在25120下工作，就設(shè)計和運行來說，SPFC是最精致的燃料電池。10SPFC中的電池反應(yīng)如下:陽極：H2 2H+ + 2e-陰極：12 O2 + 2H+ + 2e- H2O電池反應(yīng)：H2 + 1

10、2 O2 H2O 在電池里，質(zhì)子在電解質(zhì)中傳導(dǎo)電子。從目前的技術(shù)水平看，最好的電解質(zhì)材料是高氟磺酸型質(zhì)子交換膜。11用于SPFC的理想的聚合物具有如下的特性：高抗氧化性、高質(zhì)子電導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性、高機械強度和低的密度。這些聚合物是被完全氟化的，有與聚四氟乙烯相似的主干結(jié)構(gòu)。歷史上SPFC有許多稱謂，包括離子交換膜（IEM）、固體聚合物電解質(zhì)（SPE）和質(zhì)子交換膜（PEM）。其中，直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池通常稱為直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell簡稱DMFC）。DMFC的電池反應(yīng)如下：陽極：CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 2e-陰極

11、：32 O2 + 6H+ + 6e- 3H2O電池反應(yīng)：CH3OH + 32 O2 CO2 + 3H2O2.3磷酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，簡稱PAFC）磷酸型燃料電池一般在180210下工作，其電池反應(yīng)與SPFC的電池反應(yīng)相同。PAFC以磷酸作為電解液，盛在SiC制成的多孔基體中。磷酸作為電解質(zhì)相對于其他酸的優(yōu)點在于：耐CO2、耐低壓、高溫下可工作且有下良好的離子導(dǎo)電率、腐蝕率低、與電極的大的接觸角。12對SiC基體材料的要求是：對酸有較高的吸附力；絕緣體；隔絕反應(yīng)氣體；高的熱導(dǎo)率；高溫化學(xué)穩(wěn)定性；機械強度高。2.4熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Ca

12、rbonate Fuel Cell，簡稱MCFC）典型的MCFC是在1至10個大氣壓、大約650下工作,被稱為第二代燃料電池。MCFC采用多孔Ni（或Al）作陽極，多孔Li摻雜的NiO作陰極，熔融的碳酸鹽（62%Li2O3 38%K2CO3）作電解質(zhì)，并加入LiAlO2做穩(wěn)定劑。燃料是H2和CO的混合物，氧化劑是O2和CO2的混合物。由于H2和CO2的電化學(xué)特性，碳酸鹽是唯一能夠保持MCFC工作的電解質(zhì)。MCFC中的電池反應(yīng)如下：陽極：H2 + CO32- H2O + CO2 + 2e- （CO + CO32- 2CO2 + 2e-）陰極：12 O2 + CO2 + 2e- CO32-電池反應(yīng)

13、：H2 + 12 O2 H2O （CO + 12 O2 CO2）熔融的碳酸鹽有很強的腐蝕性。由于在氣壓減小的狀況下工作，陽極比陰極具有更負的電位，因此陽極材料多孔Ni的結(jié)構(gòu)是電化學(xué)穩(wěn)定的。而陰極材料NiO在碳酸鹽中有輕微的溶解，其溶解物在電解質(zhì)中擴散并移動到Ni陽極。由于相對負電位，從NiO中溶解的Ni將電解淀積到電解質(zhì)基板上，產(chǎn)生電子電導(dǎo)和因此發(fā)生電池的短路容易降低電池的壽命。13CO2的分壓和電解質(zhì)的堿性影響NiO的溶解，為了解決此問題，正在開發(fā)替代NiO的陰極材料。2.5固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC）固體氧化物燃料電池（SOFC）是全固體裝

14、置，又稱高溫燃料電池，一般在6001000下工作。電解質(zhì)采用ZrO2+Y2O3，陽極為Ni+ ZrO2（或Y2O3），陰極為La/SrMnO3。與其它類型的燃料電池的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在氣液固三相區(qū)不同，SOFC的電化學(xué)反應(yīng)是發(fā)生在氣固兩相區(qū)，不存在電解質(zhì)的腐蝕問題。兩個多孔陶瓷電極被致密的氧離子導(dǎo)體的陶瓷電解質(zhì)分開。在陽極，燃料氣體（H2和CO）進入陽極與氧離子反應(yīng)生成水并釋放出電子進入外電路。在陰極，空氣中的氧氣從外電路接受電子形成氧離子。電子從陽極經(jīng)外電路輸送到陰極，從而產(chǎn)生直流電。14SOFC 中的電池反應(yīng)如下：陽極：H2 + O2- H2O + 2e- （CO + O2- CO2 + 2e

15、-）（CH4 + 4O2- H2O + CO2 + 8e- ）陰極：12 O2 + 2e- O2- 電池反應(yīng): H2 + 12 O2 H2O （CO + 12 O2 CO2) （CH4 + 2O2 2H2O + CO2）引人注意的是SOFC可以使用多種燃料作為原料氣，如H2、CO和CH4。根據(jù)電解質(zhì)是氧離子導(dǎo)體還是質(zhì)子導(dǎo)體，將SOFC分為兩類。這兩類電池的主要區(qū)別在于燃料電化學(xué)反應(yīng)過程中生成水的區(qū)域相異，質(zhì)子導(dǎo)體燃料電池在陰極側(cè)生成水，而氧離子導(dǎo)體燃料電池在陽極側(cè)生成水。一般只考慮固體氧離子導(dǎo)體作為電解質(zhì)。15除上述5種外，燃料電池還有其他類型，例如生物燃料電池。其研究熱點之一是開發(fā)可植入人體

16、、作為心臟起搏器或人工心臟等人造器官電源的生物燃料電池。這種電池多是以葡萄糖為燃料，氧氣為氧化劑的酶燃料電池。正當研究取得進展的時候，另一種可植入人體的鋰碘電池的研究取得了突破，并很快應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床。163.燃料電池的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀燃料電池是電池的一種，它具有常規(guī)電池的特性?？梢杂啥鄠€電池按串聯(lián)、并聯(lián)的組合方式向外供電。因此，燃料電池即可以用于集中發(fā)電，也可以用作各種規(guī)格的分散電源和可移動電源。33.1堿性燃料電池（AFC）以氫氧化鉀為電解質(zhì)的堿性燃料電池是最早獲得實際應(yīng)用的，美國的阿波羅登月飛船和航天飛機等都采用這類燃料電池作為主要動力源，證明了燃料電池的高效、高比能量、高可靠性。目前，此類

17、燃料電池技術(shù)的發(fā)展已非常成熟并已經(jīng)在航天飛行及潛艇中成功應(yīng)用。國內(nèi)已研制出200W氨一空氣的堿性燃料電池系統(tǒng)，制成了1kW、10kW、20kW的堿性燃料電池。堿性燃料電池在地面應(yīng)用的最大缺點是對燃料純度要求太高而且不能使用含C、CO及CO2的燃料氣，使用空氣也必須脫除空氣中的CO2，從而限制了AFC在地面上的應(yīng)用。3.2固體聚合物燃料電池（SPFC）即質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）PEMFC能量轉(zhuǎn)換效率高，可以在室溫下快速啟動，并且無電解水流失、壽命長，可按負載要求快速改變輸出功率，可以用于建設(shè)分散電站，也特別是以用作可移動電源，是電動車和不依賴空氣推進的潛艇動力源，也是利用氯堿廠副產(chǎn)物氫氣

18、發(fā)電的最佳候選電源。美國于20世紀60年代就將PEMFC用于雙子星座航天飛機，1999年，美國福特汽車公司和日本豐田汽車公司分別研制出質(zhì)子交換膜燃料電池電動汽車。17我國在2008年北京奧運會和2010年上海世博會都使用了燃料電池汽車組成“綠色車隊”，為交通提供了便利，展示了中國燃料電池技術(shù)的進步。燃料電池車具有燃料電池的所有優(yōu)點，并且不使用石油作燃料，對環(huán)境無污染，具有很大的發(fā)展前景，但仍需克服造價偏高的難題才有可能廣泛應(yīng)用。183.3磷酸型燃料電池（PAFC）以磷酸為電解質(zhì)的磷酸型燃料電池，至今已有近百臺PC25（200kW）作為分散電站在世界各地運行。不但為燃料電池電站運行取得了豐富的經(jīng)

19、驗，而且也證明了燃料電池的高度可靠性，可以用作不間斷電源。PAFC目前在城市發(fā)電、供氣及其它工業(yè)項目上廣為試用，如在賓館、醫(yī)院、辦公樓、工廠等地方用PAFC來進行輔助供熱供電。還有一種采用生物氣體的PAFC體系已被開發(fā)出來，而在廢棄物質(zhì)的處理方面，含有甲烷的沼氣或其他有機氣體已經(jīng)被利用。大規(guī)模利用生物沼氣的PAFC可望在將來應(yīng)用于垃圾回收領(lǐng)域，解決一大社會難題。203.4熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）熔融碳酸鹽燃料電池可采用凈化煤氣或天然氣做燃料，適宜于建造區(qū)域性分散電站。美國是從事熔融碳酸鹽燃料電池最早和技術(shù)高度發(fā)展的國家之一，其研制開發(fā)的MCFC電站已在全球裝機60余臺，主要用于醫(yī)院、賓館

20、、大學(xué)及廢水處理廠等場所示范發(fā)電。MCFC操作溫度較高，可以實現(xiàn)熱電聯(lián)供與汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，進一步提高燃料的能量轉(zhuǎn)化效率。研究表明，成本和壽命是影響MCFC的主要障礙，陰極溶解、陽極蠕變、高溫腐蝕和電解質(zhì)損失是主要影響因素。因此，研制新的電極材料，改進密封技術(shù)將是今后一段時期的研究關(guān)鍵。203.5固體氧化物燃料電池（SOFC）固體氧化物燃料電池可以與煤的氣化構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)，適宜于建造大中型電站。國對SOFC的研究處于世界領(lǐng)先地位，自2000年以來，西屋公司已建成多臺大型100kW250kW 固體氧化物燃料電池電站進行試驗運行。SOFC電站，以陰極作支撐的管式SOFC機械強度高，熱循環(huán)性能好，易

21、于組裝與管理。但現(xiàn)有的技術(shù)如電化學(xué)氣相沉積和多次高溫?zé)Y(jié)等導(dǎo)致陰極支撐型SOFC電池成本過高、難以推廣。借助廉價的濕化學(xué)法、等離子噴涂等技術(shù)替代電化學(xué)氣相沉積制備電解質(zhì)薄膜，并運用改進燒結(jié)工藝、減少燒結(jié)次數(shù)等手段，有望達到大幅度降低陰極支撐管型SOFC成本的目的。204.燃料電池前景廣袤針對我國目前的發(fā)展現(xiàn)狀，燃料電池具有廣闊的發(fā)展前景。隨著人們生活水平的提高，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氫能的使用已經(jīng)使人們遠遠地告別了化石能源，而燃料電池技術(shù)是利用氫能最重要的技術(shù)，可以幫助人類解決能源短缺、環(huán)境污染這兩大世界難題。而且，燃料電池目前在空間領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、移動裝置、居民家庭和運輸?shù)确矫娑家杂袑嶋H應(yīng)用。 2

22、1世紀的今天，這門技術(shù)依然在研制開發(fā)當中，潛力很大，相信燃料電池技術(shù)會給人們的生活帶來無限的精彩。5.結(jié)束語21世紀的今天，全人類都面臨著能源、環(huán)保、交通等問題的困擾，對燃料電池的開發(fā)研究以及商業(yè)化是解決世界節(jié)能和環(huán)保的重要手段。因此，世界各國都投入巨大的人力物力到這項工作中來。我們國家也應(yīng)進一步加大資金投入，大力推進燃料電池在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，增強我國的國防軍事實力，同時，加快燃料電池民用商業(yè)化的步伐，提供高能效、環(huán)境友好的燃料電池發(fā)電技術(shù)，為建立低碳、減排、不依賴于石化能源的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)新體系做貢獻，為人類可持續(xù)發(fā)展、改善人類生存環(huán)境做貢獻。參 考 文 獻1 孟黎清燃料電池的歷史和現(xiàn)狀J電力

23、學(xué)報，2002，17（2）：99-104.2楊潤紅，陳允軒，陳庚，等燃料電池的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀J 平頂山學(xué)院學(xué)報，2006，21（2）：79-863 衣寶廉燃料電池原理技術(shù)應(yīng)用M1北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20034衣寶廉燃料電池的原理、技術(shù)狀態(tài)與展望J電池工業(yè)，2003，8（1）:16-225侯俠，任立鵬燃料電池的發(fā)展趨勢J 云南化工，2011，38（2）：34-366夏定國，趙煜娟，王振堯China MaterialsC 北京：出版者不詳20047秦小奎，馬勇中國汽車工程學(xué)會2003學(xué)術(shù)年會論文集C 北京：機械工業(yè)出版社20038王興娟，王坤勛，劉慶祥燃料電池的研究進展及應(yīng)用前景J煉油與化工，2

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