燃料电池发展现状与应用前景
燃料电池发展现状与应用前景
摘要: 介绍了各种类型燃料电池( 碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及质子交换膜燃料电池) 的技术进展、电池性能及其特点。其中着重介绍了当今国际上应用较广泛、技术较为成熟的磷酸燃料电池和质子交换膜燃料电池。对燃料电池的应用前景进行探讨, 并对我国的燃料电池研究提出了一些建议。
关键词: 燃料电池; 磷酸燃料电池; 质子交换膜燃料电池
燃料电池有多种类型, 按使用的电解质不同来分类, 主要有碱性燃料电池(AFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 、磷酸燃料电池( PAFC) 及质子交换膜燃料电池( PEMFC) 等。
1 各种燃料电池发展状况
1. 1 碱性燃料电池(AFC)
20 世纪50 年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究, 并在60 年代中期成功地用于Apollo 登月飞行。AFC 的优点在于除贵金属外, 银、镍以及一些金属氧化物都可以作电极催化剂, 它的阴极性能也比酸性体系要好, 而且电池的结构材料也较便宜。缺点在于对CO2 和N2 十分敏感, 故不适用于地面。在国外, 将AFC 用于潜艇及汽车的尝试已不再继续, 目前AFC 主要用作短期飞船和航天飞机的电源。
中科院长春应用化学研究所1958 年就开始研究培根型燃料电池。60 年代初开展碱性石棉膜型燃料电池的研究, 1968 年承担航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制。中科院大连化学物理研究所在60 年代初也开始研究碱性石棉膜型燃料电池。70年代初承担了航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制, 研制成两种类型的电池。80 年代初, 研制了潜艇用20kW的大功率碱性石棉模型燃料电池样机。
1. 2 熔融碳酸盐燃料电池( MCFC)
MCFC 的电解质由Li2CO3 和K2CO3 组成, 工作温度在650 e 左右, 阴极、阳极电化学反应快, 无需贵金属催化剂。由于在较高温度工作, 可以对天然气、煤炭气化燃料进行内部重整, 直接加以利用。不需要复杂昂贵的外重整设备。另外, 燃料转换效率高, 余热利用效率也较高。但MCFC 在高温下长期工作时电解质损失造成的电池失效、隔板腐蚀对电池寿命的影响, 以及镍电极缓慢溶解所造成的性能下降都是有待解决的课题。
由美国能源研究公司(ERC) 建造, 使用内部重整的2MWMCFC 装置已经安装在加利福尼亚并入电网运行了720h, 供电1710MWh, 1997 年3 月停运,为建造和运行这类电站提供了宝贵经验。日本熔融碳酸盐研究协会在日本月光计划和新日光计划的支持下, 一个1000kW系统正在组装以评价此技术。
长春应用化学研究所于90 年代初开始研究MCFC, 在LiAlO2 微粉的制备方法和利用金属间化合物作MCFC 的阳极材料等方面取得了很大的进展。大连化学物理所从1993 年起在中科院资助下开始研制, 自制LiAlO2 微粉制造的MCFC 单体电池性能已达国际80 年代初的水平。
1. 3 固体氧化物燃料电池( SOFC)
SOFC 工作温度高达1000 e , 反应速度快, 不需要贵重金属做催化剂, 不存在电解质腐蚀金属问题。碳氢化合物燃料可自动在燃料电池内部重整, 并迅速地在电极上被氧化, 燃料中杂质对电池的性能、寿命影响均很小。其燃料转换效率高, 高温余热可很好利用, 从而提高燃料的总利用效率。SOFC 可以与燃气轮机相结合, 即用燃料电池的动力代替燃气轮机的燃烧段, 总效率可望达到60%~ 70% 。SOFC 的主要问题是固体氧化物电解质所用的陶瓷材料脆性大, 目前仍很难制造出大面积的固体电解质膜, 这严重制约了建造大功率SOFC。另外, SOFC 还存在诸如电流密度小、电压降高、制造工艺复杂、成膜设备昂贵等问题。
美国、丹麦、荷兰、日本等国都很重视SOFC, 其中美国西屋(Westinghouse) 公司的研究工作较为突出, 研制的25kW的SOFC 电池组已经通过了长期示范试验, 建造在荷兰的100kW示范装置也已于1997年启用, 250kW至7MW发电装置的建设正规划中。中科院上海硅酸盐研究所1971 年就开始进行了SOFC 电极材料和电解质材料的研究。吉林大学于1995 年在吉林省计委和国家计委的资助下进行SOFC的研究, 研制成功的单体电池电压达到1.18V, 电流密度400mA/ cm2。
1. 4 磷酸燃料电池( PAFC)
磷酸燃料电池采用H3PO4 液体做电解质, 发电效率为35% ~ 43%, 工作温度180 e 。由于工作温度降低, 反应速度慢, 因此需要使用贵重金属Pt 做催化剂。PAFC 基本元件有阳极、阴极和电解质, 单电池之间由隔板连接。
磷酸燃料电池的特点如下:
( 1) 发电效率在35% ~ 43% 之间, 大容量电站效率较高些。热电联供时, 总效率为71%~ 85% 。
( 2) 洁净、对环境污染小, 没有( 或很小) 转动部件, 振动和噪声污染也很小。
( 3) 随着技术不断改进, PAFC 电站, 特别是50kW和200kW 电站, 其无故障连续运行时间不断加长。例如美国ONSI 公司的200kWPC225 发电装置投运时间已超过37000h, 可用率超过95% , 接近商业化目标要求的40000h。
( 4) 满负荷运行可达到40000h, 电池的输出电压的降低不大于10%。
( 5) 装置紧凑, 检修空间小, 维修困难。
( 6) PAFC 电站可以使用各种气态或液态燃料,主要是使用天然气或液化天然气, 也可以使用液化石油气、甲醇、煤油、沼气等。
(7) 降低造价与技术的改进、标准化和大规模生产分不开。ONSI 公司1995 年推出的PC25C 型PAFC 装置的制造成本为3000$ / kW, 而后推出的PC25D型的成本降至1500$ / kW, 体积减小1/ 4, 重量仅为14t。但PAFC 电站造价的进一步降低仍需长期努力。
美国最早在60 年代后期就开始对PAFC 进行评价研究, 是最早发展PAFC 电站技术的国家, 而日本是PAFC 电站技术发展最快的国家, 它仅用10~15a 时间就与美国并驾齐驱。1991 年东京电力公司在五井火力发电厂内建成了当时世界上功率最大的12MW PAFC 发电站。目前PAFC 技术已公认为可用于热电联供的、具有高度可靠性的发电装置, 特别在象医院、监狱、旅馆等对安全供电要求特别高的场合有着很好的应用前景。而在国内PAFC 的研究工作目前尚处于空白状态。
1. 5 质子交换膜燃料电池( PEMFC)
PEMFC是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC 之后迅猛发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的新一代燃料电池。但在历史上,PEMFC实际上是最先得到应用的燃料电池。早在60 年代初, 美国航空航天局曾7 次成功地将PEMFC用于双子座飞船。但由于稳定性及导电性均差, 使用寿命仅500h。虽以后采用全氟磺酸膜(Nafion) ,解决了电池寿命和水污染的问题, 但仍让位于碱性燃料电池(AFC) , 导致其研究长时间处于低谷。直至80 年代, 加拿大Ballard 公司注意到PEMFC 可在室温下快速启动, 作为移动动力电源的潜力, 又开始进行PEMFC 的研究。在美国、加拿大等国科学家们的努力下,PEMFC 取得了突破性进展。
质子交换膜燃料电池( PEMFC) 由若干单电池串联而成。单电池由表面涂有催化剂的多孔阳极、多孔阴极和置于其间的固体聚合物电解质构成, 其工作原理如图1 所示。
图1 质子交换膜燃料电池工作原理
PEMFC之所以成为当前国际上燃料电池研制、开发的热点, 是基于以下几个突出的优点: 工艺结构简单, 开发投入相对较少; 可室温下快速起动投入运行; 不使用腐蚀性电解液,
安全可靠; 按负载要求, 系统规模可大可小; 比功率高, 特别适用于军用或民用的可移动
电源及电动车辆; 发电时无噪声, 而且红外信号很弱, 在军事领域有着极其重要的用途。目前在PEMFC 研究中存在的主要技术关键为:1Pt/ C 催化剂的制备: 制备Pt 高度分散的电催化剂是减少Pt 用量和降低电池成本的重要途径; o电极、膜三合一制备工艺: 电极与膜采用热压合减小接触电阻, 电极内全氟磺酸树脂与膜熔合, 提供H+通道, 提高Pt 利用率; ? 电
极扩散层的制备工艺;?电池组内平衡与热平衡: 对于高电流密度PEMFC电池组, 是实现稳
定运行的关键; ?氢的安全储存、供给以及富氢燃料的转化。
国际上有多家公司和科研机构对PEMFC 进行研究, 如加拿大的Ballard 公司、德国的Siemens 公司、意大利的DeNor 公司以及美国的Los Alamos 国家实验室等。目前PEMFC 本体技术已趋于成熟, 其关键部分) ) ) 质子交换膜已达到商品化阶段。加拿大的Ballard 公司为加拿大国防部建造的45kW质子交换膜燃料电池潜水艇已于1996 年底完成, 并计划在2003 年建成一艘212 级300kW 质子交换膜燃料电池潜水艇, 能提供8 节的巡航速度。此外该公司成功开发了以天然气为燃料的35kWPEMFC 热电联供系统。
大连化学物理所从1994 年起, 开始PEMFC 的电极研究工作, 现已成功地将电极Pt 含量降至0.08mg/ cm2。采用自制电极与Nafion 112 膜组装的单电池性能远远优于美国E2TEK 公司的电极Pt 催化剂。该所利用多年AFC 研究的技术积累, 在研究了Pt/ C 电催化剂与电极制备工艺, 膜电极三合一组件制备和其间水分布与传递, 在电池组内增湿、密封与组装工艺基础上, 于1998 年组装了kW级PEMFC 电池组。该电池组输出功率为1kV 时, 电池放电电流密度为308mA/ cm2, 平均电压为0. 75V, 输出功率为1. 5kW时, 放电电流达到480mA/ cm2, 电池平均电压达0. 7V。1999 年9 月大连化学物理所研制成功了5kW的PEMFC 电池组, 该电池组由74 节单电池组装而成。
2 加速发展我国的燃料电池技术
目前燃料电池虽然由于成本昂贵、技术尚未完全成熟而无法得以广泛应用, 但以其具清洁、高效、无污染等优点必将拥有广泛的应用前景。尤其是质子交换膜燃料电池( PEMFC) 具有高功率、低温运行、快速启动、无噪声等特点, 使其在电动汽车、航天、军事等领域有着极其重要的应用。
与国外相比, 我国的燃料电池研究水平还比较低, 其原因有: 1 70 年代我国研制的航天用AFC 与国外的差距还很小, 但此后由于种种原因停止了对燃料电池的研究工作, 直到90 年代初才重新开展燃料电池的研究工作, 致使我国燃料电池的研究水平大大落后于国外;
o现在对燃料电池的研究的投入还不够, 大多仅依靠国家自然科学基金会的少量资助。为了加速我国燃料电池的发展, 作者建议:
(1) 加大国家对燃料电池研究的资金投入, 加快燃料电池的研究进程。并通过对燃料电池的研究和应用提供政策上的优惠, 调动各方的力量参与到燃料电池的研究和应用中来;
( 2) 鉴于燃料电池研究的复杂性、综合性、长期性, 我国应有统一规划, 组织有研究实力的单位协作攻关, 避免低水平重复, 集中资金加速开发进度;
( 3) 在研究方向上应有侧重点, 以降低研究费用。由于PAFC 和PEMFC 在民用、军事、航天等领域的应用中有其它类型燃料电池所不具备的优点,因此我国应重点开发PAFC 和PEMFC 技术;
( 4) 在对燃料电池本体的研究以外, 应加快燃料电池实用化的研究工作, 特别是燃料电池在电动汽车、军事、移动电源等领域中的应用, 这也可以吸引其它行业部门参与到燃料电池的研究工作中来,如汽车制造业、军事科研机构、环保行业等。
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燃料电池客车发展情况与技术发展趋势
燃料电池客车发展情况及技术发展趋势一、燃料电池汽车政策分析 《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策方的通知》（财建(2015)134号）中明确：“2017-2020年，除燃料电池汽车外，其他车型补助标准适当退坡”，明确了国家对燃料电池汽车产业发展的支持态度。而《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中提出，要系统推进燃料电池汽车研发与产业化，到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示应用。 在财政补贴层面，国家也给予了大力支持，包括整车补贴、加氢站补贴、免征购置税以及运营补贴等。其中，整车补贴额度从20万到50万每辆不等，一个加氢站则补贴400万元，运营补贴中，燃料电池客车补贴为6万元/辆/年。 二、氢燃料电池产业链概述 氢燃料电池汽车产业链包括制氢、储氢、运氢、加氢、应用（燃料电池汽车/有轨电车）等环节。 氢气制造一般是通过将化石原料、化工原料、工业尾气、可再生能源以及水等经过处理来获取，每种获取途径其成本和环保属性都不同。中国目前主要通过工业尾气处理以及电解水来制氢。长河认为，对于燃料电池来说，现在配套基础设施还有待进一步完善，需要政府以及行业机构以及专家尽快推进立法和相应的技术标准予以规。
长河表示，制氢的方法和方案比较多，而目前燃料电池汽车使用最大瓶颈和最大的障碍是缺乏加氢站。据其统计，截止到2013年底，全球加氢站只有228座，对于我国来说，我国真正投入商业化、用于燃料电池的加氢站只有两座，仅仅限于国比较大的城市，就是和，处于示运营阶段，与国外说的氢高速公路，也就是一条高速公路有多个加氢站相比，差距比较大。 在整个氢燃料电池产业链中，氢燃料电池发动机处于绝对的核心地位，氢燃料经过发动机转化为电能应用到终端。长河表示，目前制约中国燃料电池汽车发展的瓶颈，就是氢燃料电池发动机。虽然国有不少高校和相应科研机构以及企业，在就燃料电池发动机技术展开相应研究和示性运营应用，但是氢燃料电池发动机核心技术，这两年通过评估，能够达到产业化或者达到工业化应用的，核心技术仍然掌握在国外企业手中。
燃料电池的应用及发展状况
简述燃料电池的应用及发展状况 摘要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。目前燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力能源方面已得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范，但低成本、长寿命仍是商业化面临的瓶颈问题。而且我国在燃料电池方面的研究与外国还有一定差距，需要科研工作者更多的努力。 关键字：燃料电池分类应用发展状况 1. 燃料电池的概念 燃料电池（Fuel Cell）是一种电化学设备，它直接、高效地将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能。燃料电池的基本物理结构由一个 电解质层组成，它的一边与一个多孔渗透 的阳极相连，另一边与一个多孔渗透的阴 极相连，气态燃料电池连续不断地输入阳 极（负电极），同时氧化剂连续不断地输 入阴极（正电极），在两个电极上发生电 化学反应，产生电流[1]。其基本结构如图 所示： 2. 燃料电池的分类及其优点 随着现代文明发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式存在两大弊病：一是储存于燃料中的化学能要首先转变成热能后才能被转变成电能或机械能，受卡诺循环及现代材料的限制，转化效率低（33~35%），造成严重的能源浪费；二是传统的能源利用方式造成了大量的废水、废气、废渣、废热和噪声污染，严重威胁着人类的生存环境。现代社会所建立起来的庞大的能源系统已无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临着巨大的挑战：能源短缺与环境污染，因此探索新能源以及新的能源利用方式，是全球可持续发展迫切需要解决的重大课题。 燃料电池是一种电化学发电装置，等温地按电化学方式将化学能转化为电
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势
膜材料科学与技术 令狐采学 课程作业 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 任课教师：陈鹏鹏老师 姓名：鲜开诚 学号：C61114012 专业：新能源材料与器件 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 鲜开诚 （安徽大学化学化工学院合肥 230601） 摘要质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为新一代能源技术被广泛应用。离子交换膜作为燃料电池的核心元件，同时起到分隔燃料和氧化剂，传导质子的双重作用。本文简介了燃料电池质子交换膜及其工作原理；介绍了现有的几种质子交换膜的结构与性能及最新研究状况；展望了质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；聚合物 Advances and Development Trends in Proton Exchange Membranes for Fuel Cells Xian Kai-cheng
(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University,Hefei 230601,Anhui Province,China) Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), is being widely used as a new generation of energy technology.Ion exchange membrane,as a core component of PEMFC,is of the ability of separating fuels and oxidizing agent as well as conducting protons.In this paper, proton exchange membrane and its operating principle are introduced;the structure and performance of kinds of proton exchange membrane as well as their recent study are reviewed; outlook of the development trend ofproton exchange membranes are provided. Key words proton exchange membrane; fuel cell; polymer 1燃料电池质子交换膜及其工作原理 燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应方式直接转换成电能的高效电装置,其能量转换率高,是一种环境友好的新型能源。 燃料电池的种类很多,质子交换膜燃料电池是其中的一种,其最大的优点在于它能在室温附近工作,而且电池启动快,能量转换率高,它不仅可以替代普通的二次电池,而且可以作为汽车的动力源,从而大大减少环境污染。质子交换膜在燃料电池中所
国内燃料电池汽车发展现状分析
国内燃料电池汽车发展现状分析正文目录 在政策支持方面，我国政府也非常重视燃料电池汽车等清洁汽车技术的发展。《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出：“增强汽车工业自主创新能力，加快发展拥有自主知识产权的汽车发动机、汽车电子、关键总成及零部件。鼓励开发使用节能环保和新型燃料汽车”。2006年2月，国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》将“低能耗与新能源汽车”和“氢能及燃料电池技术”分别列入优先主题和前沿技术。在国家《节能中长期专项规划》及相应的十大重点节能工程中，强调要“发展混合动力汽车、燃气汽车、醇类燃料汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车等清洁汽车”。国家发展和改革委员会与科学技术部共同向社会公布的《中国节能技术政策大纲》中同样也强调要“研究电动汽车等新型动力”。“九五”和“十五”期间，国家都把燃料电池汽车及相关技术研究列入科技计划，国家863计划和973计划都设立了许多与此相关的科研课题。“十五”国家重大科技专项之一的“电动汽车专项”将燃料电池汽车列为重要内容，国家投人近9亿元。“十一五”国家继续支持“节能与新能源汽车”，包括燃料电池汽车的研究。 在技术现状方面，1998年，清华大学研制出中国第一辆燃料电池汽车，其燃料电池由北京富源燃料电池公司提供；1999年北京富源燃料电池公司与清华大学合作开发出燃料电池乘用车；2001年，北京绿能公司与清华大学和北京工业学院合作，研制出以燃料电池为动力的出租车、客车和12个座位的公共汽车；2004年，国家甲醇燃料汽车示范工程在长治正式启动并通过了国家验收；2005年，上海神力科技有限公司研制的绿色燃料电池游览车投入试运，总行驶里程达1.2万公里，无故障运行时间达2000小时；2006年，由同济大学等单位共同研发“超越三号”燃料电池轿车在第八届“比比登清洁能源汽车挑战赛”中表现抢眼，四项比赛评分均为“A”，并在两个单项比赛中获得第一。 我国燃料电池汽车研发采用了与国际同领域权威单位不同的技术路线，开发出了独具特色的能量混合型和功率混合型两种燃料电池混合动力系统，具有电——电混合、平台结构、模块集成的技术特征，燃料经济性高于国外同类样车特别是纯燃料电池驱动模式样车，轿车和客车两种车型节氢效果均十分显著，现已经成为国际上主流构型。新一代的燃料电池汽车动力平台也已经基本建立。 在产业化目标方面，我国燃料电池电动汽车产业化目标是，2006～2010年期间，通过示范运行，找出薄弱环节，攻克技术难关，实现燃料电池电动汽车的小批量试制；2010～2020年，争取燃料电池电动汽车的批量生产；2020～2030年，我国电动汽车整体技术水平要基本与国际电动汽车水平相当，并且实现燃料电池电动汽车的大批量生产。 在燃料电池汽车的实际应用方面，我国于2003年与2007年分别启动了两期燃料电池公共汽车商业化示范项目。该项目是中国政府、全球环境基金(GEF)和联合国开发计划署(UN—DP)共同支持的项目，由科技部、北京市、上海市共同组织实施，目的是为了降低燃料电池公共汽车的成本，借助在北京和上海两市进行的燃料电池公共汽车和供氢设施的示范，加快其技术转化。北京市、上海市各采购6辆燃料电池公共汽车，进行示范运行。2008年北京奥运会，基于上海大众领驭平台的燃料电池轿车作为我国首款燃料电池轿车进入国家汽车产品公告，20辆领驭燃料电轿车为奥运会提供交通服务，运行总里程超7.6万km。
新能源大作业 燃料电池的发电技术
题目名称： 姓名： 班级： 学号： 日期： 机电工程学院
燃料电池发电技术 摘要: 介绍了各种类型燃料电池( 碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及质子交换膜燃料电池) 的技术进展、电池性能及其特点。其中着重介绍了当今国际上应用较广泛、技术较为成熟的磷酸燃料电池。对燃料电池的应用前景进行探讨, 并对我国的燃料电池研究提出了一些建议。 关键词: 燃料电池; 磷酸燃料电池; 燃料电池有多种类型, 按使用的电解质不同来分类, 主要有碱性燃料电池(AFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 、磷酸燃料电池( PAFC)等。 燃料电池的发展过程： 1889：L.Mond和https://www.360docs.net/doc/314022689.html,nger以多孔非传导材料为隔膜，组装出采用氢气-氧气的燃料电池，接近现代的FC 1923：A.Schmid提出多孔气体扩散电极的概念，在此基础上： 1950：培根(Francis Bacon)研制成功碱性燃料电池，并被NASA确定为其太空计划的动力源. ——成功作为60年代Apollo登月飞船的主电源 1960：美国通用电气研制出采用聚苯乙烯磺酸膜的质子交换膜燃料电池PEMFC，且于1960年10月首次用于双子星座(Gemini)飞船的主电源 ——由于膜的降解，缩短了电池寿命，污染了宇航员的饮用水 1962：杜邦（Du Pond）公司开发成功全氟磺酸膜，并被通用组装成长寿命（57000h）的PEMFC，并在卫星上做了小电池的搭载实验。解决了以上问题 ——因价格原因，未能中标美国航天飞机电源，导致PEMFC研究停滞 ——让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池 1970年代：其它燃料电池陆续面世——磷酸(Phosphoric Acid) PAFC、溶融碳酸盐 (Molten Carbonate) MCFC、固体氧化物(Solid Oxide) SOFC 1983：Ballard在加国防部支持下，研制成功新型全氟磺酸膜，实现“电极-膜-电极”三合一组建（MEA） 各种燃料电池发展状况 1. 1 碱性燃料电池(AFC) 20 世纪50 年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究, 并在60 年代中期
燃料电池及其发展前景
燃料电池及其发展前景 燃料电池及其发展前景 作者: Raymond George Klaus Hassmann燃料电池具有非同寻常的性能：电效率可达60％以上，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的4种主要燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重点介绍高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的应用及其发展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market．燃料电池是通过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料(如天然气、甲醇或纯净氢气)的化学反应直接产生出电能。与汽轮发电机生产的电能相比，燃料电池具有非同寻常的特性：它的电效率可达60％以上，可以在带部分负荷运行的情况下进行维修，而且除了排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其他的有害排放物。1 燃料电池的分类目前研制的燃料电池技术在运行温度上有不同的类型，从比室温略高直到高达1000℃的范围。大多数工业集团公司的注意力集中在以下4种主要类型上：(1)运行温度在60-80℃之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池(PEMFC)；(2)运行温度在160-220℃之间的磷酸类燃料电池(PAFC)；(3)运行温度在620-660℃之间的熔融碳酸盐类燃料电池(MCFC)；(4)运行温度在880-1000℃之间的固体氧化物燃料电池(SOFC)。可以将这些类型的燃料电池划分为低温型(100℃及以下)、中温型(约200℃左右)及高温型(600-l000℃)燃料电池。表1简要地列出了各种类型燃料电池的性能。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池对于静止装置和移动式装置都适用。实用装置的功率容量差别也很大，可以给笔记本电脑及移动电话供电(数以W计)，也可以给居民住宅(数kW)或是分散的电热设备和动力设备(数百KW到数MW)供电。最适于用来驱动汽车的是低温型燃料电池。根据使用期限成本进行的经济性比较结果表明，就发电成本而言，SOFC型燃料电池要PEM型低30％。这个结果是根据SOFC型燃料电池的电效率比PEM型的高，
燃料电池研究现状与未来发展
燃料电池研究现状与未来发展香山科学会议第59次学术讨论会于1996年8月24～27日举行。会议主题是“燃料电池研究现状与未来发展”。会议执行主席路甬祥与王佛松院士主持了会议。42位来自中国科学院、全国高校及公司等25个单位的燃料电池及相关学科的专家学者共同研讨燃料电池的发展现状和未来走向，以及发展我国燃料电池技术大计。 会议综述报告及中心议题讨论内容主要包括3部分：(1)燃料电池的总体评价；(2)目前处于研究开发阶段的3种类型燃料电池的评价；(3)我国发展此技术应采取的战略与策略。 一、燃料电池的技术评价 燃料电池(Fuel cell缩写FC)是将气体燃料的化学能直接转化为电能的电化学连续发电装置。电池电化学基本反应：H2十l／202＝H20和CO十1／202＝C02。自150余年前被发明以来，现已发展了6种形式。它们分别为碱性(AFC)、磷酸(PAFC)、熔融酸盐(MCFC)、固体氧化物(SOFC)、聚合物离子膜(PEMFC或SPFC)及生物燃料电池(BEFC)。 概括而言，燃料电池具有以下优点：(1)能量转换效率高达45—60％。而火电和核电为30一40％；(2)有害气体SO x、NO x及噪音排放很低；CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低；元机械振动；(3)燃料适用范围广，凡能
转化为H2和CO燃料均可使用；(4)积木性强；规模及安装地点灵活；规模小(数十千瓦级)影响能量转换效率不明显。 现PAFC在发达国家已商业化；AFC在60年代末即用于航天器。其它方面的应用不如PEMFC更具优势；BEFC尚处于实验室的探索性基础研究阶段。目前各国的燃料电池的研究开发重点主要集中在MCFC、SOFC和PEMFC上。 1．MCFC运行温度650℃，燃料适用范围广，电催化剂为非贵金属，余热可为燃气轮机所利用，适用于固定式发电电站。在各国对燃料电池的经费投入中，MCFC所占比例最大。现国外(美、日、西欧)已有100kW级发电系统的运行，预计美国2000年实现商业化，日本计划2005年实现商业化。目前MCFC研究需要解决的关键技术问题有：(1)阴极(NiO)溶解，这是影响电池寿命的主要因素；(2)阳极蠕变；(3)熔盐电质对电池双极板的腐蚀；(4)电解液流失。 2．SOFC作为运行温度最高的燃料电池(800—l000℃)，功率密度高，采用全固体结构，无腐蚀性液体，燃料适用范围广，天然气可不经重整直接使用。其尾气温度高达900℃，可为燃气轮机和蒸汽轮机所用，发电效率可达70％，如加上余热利用其燃料利用率可达90％，可用于大中小型电站，作为运载工具的驱动电源也有应用前景。目前SOFC研究十分活跃，电池模块的制备规模在美、日、德三国已达20一30kW。2000一2010年间可实现商业化。目
燃料电池电动汽车发展现状与前景
燃料电池电动汽车发展现状与前景 随着社会的进步和人员移动性增强，全球汽车需求 量快速增长，迄今世界上的汽车保有量达到创纪录的10 亿 辆以上且还在不断大幅增长，使得基于传统的内燃机 Internal Combustion Engine ，ICE )汽车的轻量化与节能减排等技术进步难以降低汽车燃料的消耗和减少污染物的排放。2020 年之前温室气体(Greenhouse Gas ，GHG) 排放在1990 年水平基础上下降20% 的任务日益艰巨。如果再不采取有效措施，公路交通运输车辆的GHG 温室气体排放将会持续不断增长。通过研讨纯电动汽车( Battery Electric Vehicle ，BEV ）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle HEV )、或燃料电池电动汽车( Fuel Cell Vehicles ，FCVs ； Fuel Cell Electric Vehicles ，FCEVs ）等多种类型的电动汽车( Electric Vehicle ，EV )技术[3-5]有望明确实现节能减排 的理想途径。自1966 年通用汽车推出了世界上第1 款燃料电池电动汽车GMC Electrovan ，尤其是本田在1999 年推出了世界上第1 台商用的燃料电池电动汽车FCX-V4 以来，世界上EV 电动汽车型号不断丰富和租赁销售量明显增长，太、北美和欧洲成长为全球EV 电动汽车重要的新车研发制造和租赁销售市场，2014 年全世界的EV 电动汽车销售量达到34.6 万辆以上，年增长率达到86% 。
燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来 得到国内外高度重视，成为最被看好的可用于替代汽油和柴 油等传统的 ICE 内燃机发动机技术的先进新能源汽车技术。 日本政府希望其到 2020 年的 FCVs 燃料电池汽车销量达到 500 万辆，再通过 10 年的研发推广实现全面普及 FCVs 燃 料电池汽车。 美国政府在 2003 年投入 12 亿美元大力推进氢 技术和燃料电池技术，其中重要项目之一就是美国能源部 Department of Energy ， DOE ）在北加州、南加州、密歇 展的氢技术和基础实施验证与示范综合工程，吸引了 Hyundai-Kia/Chevron 、 DaimlerChrysler/BP 、 Ford/BP 和 GM/Shell 等多家汽车制造 /能源供应商参与。 美国能源部大力推进氢经济和燃料电池技术，尤其是商 业化推广应用方面取得显著进展，比如目前高容量和低容量 燃料电池制造成本分别为 55 美元 /kW 和 280 美元 /kW[6] ， 汽车燃料电池 2014 年的制造成本自 2006 年下降 50% 并自 2008 年以来进一步下降 30% 以上（基于高容量电池制造） 这必将带动创造工作岗位、投资机会和可持续、安全的能源 供应。为了在 2020 年前争取把欧盟建立成一个具有全球领 先水平的燃料电池 （Fuel Cell ，FC ）系统和氢能源 （Hydrogen Energy ，HE ） 经济的巨大市场，欧盟高度重视燃料电池技术 和氢能源技术并把之视作能源领域的战略高新技术大力推 根州东南部、大西洋区中部和佛罗里达州中部等 5 个区域开 f It 步
燃料电池发展现状研究报告进展资料
应用电化学论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展
1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。
中国燃料电池发展前景分析
中国燃料电池发展前景分析 燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。根据电解质种类不同，燃料电池基本分为五种：碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及质子交换膜燃料电池（PEMFC）。燃料电池具有以下优点：能量转换效率高；无污染零排放；模块化结构，维护保养成本低；燃料来源广泛，通过多种方式制备。 质子交换膜燃料电池凭借其特性主要应用于新能源汽车。对比其他几种燃料电池，质子交换膜电池输出功率密度高，质量功率高，可在室温条件下工作，同时起动迅速，主要应用于新能源汽车。 燃料电池种类
质子交换膜电池主要由质子交换膜、催化剂，双极板等构成。当它工作时，氢气进入阳极扩散层，并在催化剂的作用下转化为质子和电子；氧气进入阴极扩散层，并在催化剂的作用下得到电子转变为 O2- 离子；质子通过质子交换膜到达阴极与 O2-作用形成水，电子则通过外电路回到阴极，在这个过程中产生并提供电能。 一、电池系统 电池系统是燃料电池汽车产业链的核心环节，而电池堆是其重要组成部分。燃料电池汽车产业链包括上游矿产等相关资源，中游的电池系统、电机电
控以及下游的整车厂、加氢站及服务等。燃料电池电池系统分为两大部分：一是电池堆，包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板；二是其他部件，包括空压机、储氢瓶。 电池堆包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板。其中质子交换膜直接影响燃料电池的使用寿命；催化剂决定电极反应的效率；扩散层起到支撑催化层，收集电流，传导气体和排出水作用；双极板则负责把燃料和空气分配到两个电极表面以及电池堆散热。 电池堆组成部分情况
燃料电池的发展现状及研究进展
应用电化学 论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展
1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了100 多年的历程。于能源与环境已成为人
《燃料电池汽车现状与发展趋势》毕业论文解读
宜宾职业技术学院 毕业论文 题目：燃料电池汽车现状与发展趋势 系部现代制造工程系 专业名称新能源汽车技术专业 班级新能源汽车 11201 班 姓名* * 学号201210388 指导教师王诗平 2014 年09 月25 日
浅析燃料电池汽车现状与发展趋势 摘要 随着汽车的发展，传统汽车工业的可持续发展面临着环境污染和能源短缺的双重压力。改变汽车动力系统已成为必然之势，而燃料电池汽车的发展则成为重中之重。本文从燃料电池汽车的研究背景入题，综合介绍了燃料电池系统和燃料电池汽车系统的组成与工作原理、国内外的技术现状、全面发展的优势和发展中所面临的问题以及对发展趋势的分析。 关键词：燃料电池；燃料电池汽车；汽车结构；节能环保
目录 1前言 (1) 2燃料电池汽车的结构原理 (3) 2.1 燃料电池系统的组成和工作原理 (4) 2.2 燃料电池汽车的系统组成和工作原理 (6) 2.2.1 燃料电池单独驱动汽车动力系统 (7) 2.2.2燃料电池混合动力汽车动力系统 (8) 2.3 典型的燃料电池汽车结构 (10) 3燃料电池汽车的现状分析 (15) 3.1 国外燃料电池汽车的现状 (15) 3.1.1 美洲燃料电池汽车的现状 (16) 3.1.2 欧洲燃料电池汽车的现状 (16) 3.1.3 亚洲燃料电池汽车的现状 (17) 3.2 我国燃料电池汽车的现状 (17) 3.3 国内外技术现状的对比分析 (19) 3.3.1 燃料电池汽车整车集成技术 (19) 3.3.2 燃料电池汽车发动机技术 (20) 3.3.3 高压储氢系统技术 (22) 3.4 燃料电池汽车与纯电动汽车的对比分析 (22) 4 燃料电池汽车发展趋势的分析 (23) 4.1 燃料电池汽车的发展优势 (23) 4.2 燃料电池汽车发展所面临的问题 (23) 4.3 燃料电池汽车的发展趋势 (24) 5 总结 (27) 致谢 (28) 参考文献 (29)
燃料电池行业发展前景展望
概述 燃料电池技术可以为任何需要电力的装置提供清洁、高效并且可靠的电能。燃料电池已经在某些应用领域取代其它能源供应设施，应用于便携式、固定式及汽车领域，从电池充电器到家庭供热系统以及汽车动力来源，到目前为止，燃料电池是应用范围最广的能源解决方案。 在这篇行业回顾总结的开篇，首先对燃料电池技术进行系统的介绍，并且对现行使用的6种主要燃料电池进行讨论分析。同时还对燃料电池技术的发展史加以简介，从1839年William Grove发明燃料电池技术开始直到20世纪的一系列研发活动，例如燃料电池在太空项目中的应用，直到2007年开始在某些应用领域出现燃料电池技术的商业化使用。 在产业发展现状一章，我们对2007年到2010年之间燃料电池装置和兆瓦级燃料电池装置的出货量进行了统计，并对2011年的出货量进行了预测，并按照应用、区域、电解质、燃料研发进展和基础设施分类进行分析。本文最后一部分对燃料电池的未来应用前景进行了展望，并对一些验证项目以及商业推广方案进行了分析。 在近5年时间内，燃料电池的出货量增长了将近20倍，并且与往年同期数字相比装置及兆瓦级装置的出货总量逐年增加。2010年，燃料电池总出货量比2009年高出40%，并创下了历史新高（共230,000台装置）。其中便携式燃料电池装置占据总量的95%，并且其他应用领域的燃料电池数量也在稳固增加。2010年世界范围内所销售的燃料电池有超过97%的装置使用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC），而且大多使用氢作为燃料。自2009年起，欧洲已经成为世界燃料电池应用领军地区，紧随其后的是北美州和亚洲（包括日本），所有这4个地区（全球除上述3个地区之外的区域）的燃料电池出货量均有逐年增加之势。 鉴于燃料电池应用领域多样性的增加及其应用速度的不同，Fuel Cell Today这篇回顾分析报告认为已经不适合再将燃料电池产业作为一个统一的整体看待，并且从整体上也不能给出准确的描述，因为许多截然不同的商业应用领域共享同样的技术但是开发速度却截然不同。 便携式应用领域 依照燃料电池的出货量，便携式燃料电池应用领域范围是最大的，并且利润丰厚。自2007年始，其每年出货量至少占燃料电池总出货量的75%。燃料电池玩具和教育装置的出货量增长势头强劲，在5年多的时间内一直在便携式燃料电池应用领域占统治地位。
燃料电池的发展现状及研究进展
应用电化学 论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展 1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次 电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题。近20 年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量 转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商
国外燃料电池汽车发展现状
国外燃料电池汽车发展现状（转贴） －－2010年世界上氢燃料电池汽车时代序幕早已拉开 2010-04-15 11:59 关键字：燃料电池汽车燃料电池车燃料电池技术 当前在可用于替代汽油和柴油发动机的技术中，最被看好的是燃料电池技术。燃料电池汽车具有安静、高效和零污染（或低污染）排放的特点，同时续驶里程完全可以和内燃机汽车相媲美，具有结束内燃机汽车百年统治地位的潜力。但各国政府在对研发燃料电池技术上也存在分歧，在支持力度上也各不相同。 （下图：通用为宜家制造的“氢动3号”燃料电池示范车）
在日本，日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略目标是：到2020年,日本使用的燃料电池汽车达到500万辆；到 2030年，要全面普及燃料电池汽车。近期，日本又计划在 5 年内斥资 2090 亿日元开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池，以及氢燃料电池科技。 在美国，燃料电池电动车曾被美国前总统布什作为“氢经济”论的“法宝”大肆宣传，但2006年2月他已改变了腔调，承认燃料电池电动车“不是近期的解决方法，也不是中期的解决方法，而确实是远期的方法”。在布什第二任总统任期的后3年里，“氢经济”论在美国已气息奄奄，燃料电池的研发重点已转向了基础性研究。2009年5月，美国政府正式宣布停止支持燃料电池电动车的研发。 美国燃料电池汽车FreedomCAR协作计划 美国燃料电池汽车FreedomCAR协作计划是美国政府 于2002年初提出的一项由美国能源部与美国汽车研究理 事会（USCAR）合作开发经济上可承受的氢气燃料电池汽车技术及相关氢气供应基础设施技术的合作研发项目。美国
燃料电池的应用和发展现状
收稿日期:2005-11-03 作者简介:杨润红(1974-),女,北京交通大学机械与电子控制工程学院工程热物理专业硕士研究生,研究方向为能量转换与工质热物性. 燃料电池的应用和发展现状 杨润红,陈允轩,陈 庚,陈梅倩,李国岫 (北京交通大学,北京100044) 摘 要:能源和环境是全人类面临的重要课题,考虑可持续发展的要求,燃料电池技术正引起能源工作者的极大关注.主要在介绍燃料电池的工作原理、发展简史、分类及特性的基础上,详细分析和论述了燃料电池的应用和研发现状,并对其发展前景作了展望. 关 键 词:燃料电池;工作原理;特性;研发现状 中图分类号:TM911.4 文献标识码:A 文章编号:1673-1670(2006)02-0079-05 1839年,英国的William Grove 首次发现了水解过程逆反应的发电现象[1],燃料电池的概念从此开始.100多年后,英国人Francis T.Bacon 使燃料电池走出实验室,应用于人们的生产活动[2].20世纪60年代,燃料电池成功应用于航天飞行器并逐步发展到地面应用[3].今天,随着社会经济的飞速发展,随之而来的不仅是人类文明的进步,更有能源危机,生态恶化.寻求高效、清洁的替代能源成为摆在全人类面前的重要课题.继火力发电、原子能发电之后,燃料电池发电技术以其效率高、排放少、质量轻、无污染,燃料多样化等优点,正进一步引起世界各国的关注. 1 燃料电池的工作原理 人们常用的普通电池有碱性干电池、铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池等.燃料电池和普通电池相比,既有相似,又有很大的差异.它们有着相似的发电原理,在结构上都具有电解质,电极和正负极连接端子.二者的不同之处在于,燃料电池不是一个储存电能的装置,实际上是一种发电装置,它所需的化学燃料也不储存于电池内部,而是从外部供应.在燃料电池中,反应物燃料及氧化剂可以源源不断地供给电极,只要使电极在电解质中处于分隔状态,那么反应产物可同时连续不断地从电池排出,同时相应连续不断地输出电能和热能,这便利了燃料的补充,从而电池可以长时间甚至不间断地工作.人们之所以称它为燃料电池,只是由于在结构形式上与电池有某种类似:外特性像电池,随负荷的增加,它的输出电压下降[4]. 燃料电池实际上是一个化学反应器[5],它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能.它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置,也没有直接的燃烧过程.燃料和氧化剂从外部不断输入,它就能不断地输出电能.它的反应物通常是氢和氧等燃料,它的副产品一般是无害的水和二氧化碳.燃料电池的工作不只靠电池本身,还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整 的燃料电池系统.燃料电池可以使用多种燃料,包括氢气、碳、一氧化碳以及比较轻的碳氢化合物,氧化剂通常使用纯氧或空气.它的基本原理相当于电解反应的逆向反应,即水的合成反应.燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用,电离成离子,由于离子能够通过二电极中间的电解质在电极间迁移,在阴电极、阳电极间形成电压.当电极同外部负载构成回路时,就可向外供电(发电).图1是燃料电池的工作原理图[6]. 2 燃料电池的发展简史、分类及各自特性 1839年,William Grove 提出了氢和氧反应可以发电的 原理,并发明了第一个燃料电池.他把封有铂电极的玻璃管浸入稀硫酸中,电解产生氢和氧,连接外部装置,氢和氧就发生电池反应,产生电流. 1896年,W.W.Jacques 提出了用煤作为燃料电池的燃 料,但由于无法解决环境污染的问题,没有取得满意的效果. 1897年,W.Nernst 用氧化钇和氧化锆的混合物作为电 解质,制作成了固体氧化物燃料电池. 1900年,E.Baur 研究小组发明了熔融碳酸盐型燃料 电池(MCFC ).此后,I.Taitelbaum 等人就此进行了一些拓展性的研究. 1902年,J.H.Reid 等人先后开始研究碱质型燃料电 池(AFC ). 1906年,F.Haber 等人用一个两面覆盖铂或金的玻璃 圆片作为电解质,与供气的管子相连,做出了固体聚合物燃料电池(SPFC )的雏形. 1952年,英国学者F.T.Bacon 在借鉴前人研究经验 的基础上研制出具有实用性的培根电池并获得专利.它的研制思路是避免采用贵金属并设法获得尽可能高的输出功率.采用双层孔径烧结镍做电极,氢氧化钾水溶液做电解质,以纯氢和纯氧为燃料及氧化剂.副产物是纯水.培根电 第21卷第2期2006年4月 平顶山学院学报Journal of Pingdingshan University Vol.21No.2 Apr.2006
燃料电池发展现状与应用前景
燃料电池发展现状与应用前景 摘要: 介绍了各种类型燃料电池( 碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及质子交换膜燃料电池) 的技术进展、电池性能及其特点。其中着重介绍了当今国际上应用较广泛、技术较为成熟的磷酸燃料电池和质子交换膜燃料电池。对燃料电池的应用前景进行探讨, 并对我国的燃料电池研究提出了一些建议。 关键词: 燃料电池; 磷酸燃料电池; 质子交换膜燃料电池 燃料电池有多种类型, 按使用的电解质不同来分类, 主要有碱性燃料电池(AFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 、磷酸燃料电池( PAFC) 及质子交换膜燃料电池( PEMFC) 等。 1 各种燃料电池发展状况 1. 1 碱性燃料电池(AFC) 20 世纪50 年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究, 并在60 年代中期成功地用于Apollo 登月飞行。AFC 的优点在于除贵金属外, 银、镍以及一些金属氧化物都可以作电极催化剂, 它的阴极性能也比酸性体系要好, 而且电池的结构材料也较便宜。缺点在于对CO2 和N2 十分敏感, 故不适用于地面。在国外, 将AFC 用于潜艇及汽车的尝试已不再继续, 目前AFC 主要用作短期飞船和航天飞机的电源。 中科院长春应用化学研究所1958 年就开始研究培根型燃料电池。60 年代初开展碱性石棉膜型燃料电池的研究, 1968 年承担航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制。中科院大连化学物理研究所在60 年代初也开始研究碱性石棉膜型燃料电池。70年代初承担了航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制, 研制成两种类型的电池。80 年代初, 研制了潜艇用20kW的大功率碱性石棉模型燃料电池样机。 1. 2 熔融碳酸盐燃料电池( MCFC) MCFC 的电解质由Li2CO3 和K2CO3 组成, 工作温度在650 e 左右, 阴极、阳极电化学反应快, 无需贵金属催化剂。由于在较高温度工作, 可以对天然气、煤炭气化燃料进行内部重整, 直接加以利用。不需要复杂昂贵的外重整设备。另外, 燃料转换效率高, 余热利用效率也较高。但MCFC 在高温下长期工作时电解质损失造成的电池失效、隔板腐蚀对电池寿命的影响, 以及镍电极缓慢溶解所造成的性能下降都是有待解决的课题。 由美国能源研究公司(ERC) 建造, 使用内部重整的2MWMCFC 装置已经安装在加利福尼亚并入电网运行了720h, 供电1710MWh, 1997 年3 月停运,为建造和运行这类电站提供了宝贵经验。日本熔融碳酸盐研究协会在日本月光计划和新日光计划的支持下, 一个1000kW系统正在组装以评价此技术。 长春应用化学研究所于90 年代初开始研究MCFC, 在LiAlO2 微粉的制备方法和利用金属间化合物作MCFC 的阳极材料等方面取得了很大的进展。大连化学物理所从1993 年起在中科院资助下开始研制, 自制LiAlO2 微粉制造的MCFC 单体电池性能已达国际80 年代初的水平。 1. 3 固体氧化物燃料电池( SOFC) SOFC 工作温度高达1000 e , 反应速度快, 不需要贵重金属做催化剂, 不存在电解质腐蚀金属问题。碳氢化合物燃料可自动在燃料电池内部重整, 并迅速地在电极上被氧化, 燃料中杂质对电池的性能、寿命影响均很小。其燃料转换效率高, 高温余热可很好利用, 从而提高燃料的总利用效率。SOFC 可以与燃气轮机相结合, 即用燃料电池的动力代替燃气轮机的燃烧段, 总效率可望达到60%~ 70% 。SOFC 的主要问题是固体氧化物电解质所用的陶瓷材料脆性大, 目前仍很难制造出大面积的固体电解质膜, 这严重制约了建造大功率SOFC。另外, SOFC 还存在诸如电流密度小、电压降高、制造工艺复杂、成膜设备昂贵等问题。