化学电源

化学电源论文

0808030317

刘玉涛

燃料电池发展及应用

刘玉涛0808030317

摘要:介绍了燃料电池的性能特点，简述了日本、美国和中国燃料电池研究发展状况，展望了燃料电池在电站、微型电源及车辆、航天航空和海洋潜艇动力源等领域的应用前景。

关健词: 燃料电池、性能、应用前景

燃料电池是继火力发电、水力发电和核电之后的第四种发电方式，是电力能源领域的革命性成果，其显著特点是发电效率高，可长时间连续工作，无污染，无噪声，特别是质子交换膜燃料电池发电系统还具有工作温度低、无烟雾排放、伪装性能优良等特点，在军事方面有很好的应用前景。随着工业的发展和人类物质生活及精神文明的提高，能源的消耗也与日俱增。开发新能源须考虑到能源的高效使用和尽可能降低对环境的污染。燃料电池发电效率高，不产生C02等温室气体，是一种比较理想的清洁能源。目前，许多国家都在积极开发这一技术。

1燃料电池的特点

燃料电池(Fuel Cell )是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、连续地转变为电能的发电装置。由于大多数电池包括各种原电池、蓄电池和储备电池等，都只能用于短时间、小范围、低电压、小电流的局部供电，不可能发展成发电设备;而燃料电池却展现特殊的发展前景，其燃料和氧化剂分别储存在电极之外，使用时只要连续不断地将燃料和氧化剂分别供给燃料电极和氧化剂电极，它就可以不断工作，将化学能转变为电能。用作，将化学能转变为电能。用作燃料电池的燃料主要有氢、甲醇、联氨、甲醛、煤气、丙烷和碳氢化合物等，用作氧化剂的有氧、空气以及氯溴等卤族元素。

燃料电池由阳极、阴极、电解质和外部电路等组成。它的主要优点是:1)不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率高达60%一80%; 2)洁净，无污染，噪音低，隐蔽性强; 3)模块结构，适应不同功率要求，灵活机动; 4)比功率大，比能量高，对负载的适应性能好;5)可实现热、电、纯水联产。

燃料电池的分类，按工作温度可分低温型(低于120摄氏度)、中温型(120一260摄氏度)、高温型( 260-750摄氏度)及超高温型(750一1200摄氏度);按燃料来源分为直接型和间接型;按使用电解质的不同，可分为碱燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC) ,磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸型燃料电池。

2燃料电池的种类

2. 1质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells-PEMFC)

该电池的电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂(如白金)，其两侧分别供应氢气及氧气。由于PEM燃料电池的唯一液体是水，因此腐蚀问题很小，且操作温度介于80℃一100℃之间，安全上的顾虑较低;其缺点是，作为催化剂的白金价格昂贵。PEMFC是轻型汽车和家庭应用的理想电力能源，它可以替代充电电池。

2. 2碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cells-AFC)

碱性燃料电池的设i卜y质子交换膜燃料电池的设公基本相似，但其电解质为稳定的氢氧化钾基质、操作时所需温度并不高，转换效率好，可使用的催化剂种类多且价格便宜，例如银、镍等。但是，在最近各国燃料电池开发中，却无法成为主要开发对象，其原因在于电解质必须是液态，燃料也必须是高纯度的氢才可以了目前，这种电池对于商业化应用来说过于昂贵，其主要为空间研究服务，包括为航天飞机提供动力和饮用水。

2. 3磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cel ls-PAFC )

因其使用的电解质为100%浓度的磷酸而得名操作温度大约在150 - 220℃之间，因温度高所以废热可回收再利用。其催化剂为白金，因此，同样面临自金价格昂贵的问题〔到目前为止，该燃料电池大都使用在大型发电机组上，而且已商业化生产，但是，成本偏高是其未能迅速普及的主要原因

2. 4熔融碳酸盐燃料电池(( Molten Carbonate Fuel Cells-MCF'C)

其电解质为碳酸铿或碳酸钾等碱性碳酸盐几在电极方面，无论是燃料电极还是空气电极，都使用具有透气性的多孔质镍操作温度约为600-700℃，因温度相当高，致使在常温下呈现白色固体状的碳酸盐熔解为透明液体，此燃料电池，不需要贵金属当催化剂,因为操作温度高，废热可回收再利用，适用于中央集中型发电厂，目前在日本和意大利已有应用。

2. 5固态氧化物燃料电池(Solid Oxide FuPI Cell-SOF)

其电解质为氧化锆，因含有少量的氧化钙与氧化忆，稳定度较高，不需要催

化剂。一般而言，此种燃料电池操作温度约为1000℃，废热可回收再利用。液态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性，由于使用固态的电解质，这种电池比熔融碳酸盐燃料电池更稳定.其效率约为60%左右，可供用来发电和取暖，同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。缺点是构建该型电池的耐高温材料价格昂贵。

2. 6直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cells-DMFC)

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，然后如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢再与氧反应。这种电池的工作温度为120℃,比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约在40%左右其使用的技术仍处于研发阶段，但已成功地显示出可以用作移动电话和笔记本电脑的电源，其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。

2. 7再生型燃料电池(Regenerative Fuel Cells- RFC)

再生型燃料电池的概念相对较新，但全球已有许多研究小组正在从事这方面的工作。这种电池构建了一个封闭的系统，不需要外部生成氢，而是将燃料电池中生成的水送回到以太阳能为动力的电解池中分解成氢和氧，然后将其送回到燃料电池目前，这种电池的商业化开发仍有许多问题尚待解决，例如成本，太阳能利用的稳定性等。美国航空航天局(NASA)正在致力于这种电池的研究。

2. 8锌空燃料电池(Zin air Fuel Cells-ZAFC)

利用锌和空气在电解质中的化学反应产生电，锌空燃料电池的最大好处是能量高。与其他燃料电池相比，同样的重量，锌空电池可以运行更长的时间。另外，地球上丰富的锌资源使锌空电池的原材料很便宜它可用于电动汽车、消费电子和军事领域，前景广阔目前Metallic Power和PowerZinc公司正在致力于锌空燃料电池的研究和商业化。

2. 9质子陶瓷燃料电池(f'rotonic Ceramic Fuel Cells-PCFC)

这种新型燃料电池的机理是:在高温下陶瓷电解材料具有很高的质子导电率。ProtonetiesInternational Inc.正在致力于这种电池的研究。

3燃料电池的发展状况

20世纪90年代初，国外燃料电池发展迅速。日本燃料电池的发展基本上由政府计划导向，他们计划2005年之前，开发燃料电池的关键技术，并进行可行性试验,2010年普及燃料电池。日本1981年开始进行PAFC基础研究。目前研究

对象已经涵盖PAFC,MCFC,SOFC和PEMFC等4种燃料电池。日本的PAFC始终处于领先地位，并已实现商业化。日本政府计划中最新的一种燃料电池PEMFC 开始于1992年，它主要用于车辆、移动式和固定式发电设备。

美国和欧洲的一些国家也正在加紧研制燃料电池。美国计划到2010年燃料电池发电设备装机容量达到60一80GW，北美、欧洲都在筹划发展燃料电池汽车，以实现21世纪交通工具的“零污染”目标。美国研制的微型燃料电池，尺寸和价格与传统的镍福电池相当，但供电时间却是镍锡电池的50倍，而重量只有镍锡电池的一半。

我国燃料电池的研究始于1958年。70年代，形成了燃料电池产品的研制高潮，主要研制航天用碱性氢氧燃料电池。80年代我国燃料电池的研究及开发工作处于低潮。进人90年代以来，在国外先进国家燃料电池技术取得巨大进展，一些产品已进人准商品化阶段的形势影响下，我国又一次掀起了燃料电池研制开发高潮，并取得了一些成果。可设计2一3MW的PAFC，已成功组装出百瓦、千瓦、5千瓦质子交换膜燃料电池组。PEMFC的研制成为热点。燃料电池电动汽车已被提到议事日程。与西方发达国家相比，我国在燃料电池研究上还是落后很多，MCFC和SOFC的研发工作比美、日等发达国家晚了20多年;PAFC在中国还是空白，而在国外已商品化。

4燃料电池的应用

燃料电池被认为是21世纪高效、洁净的新型发电方式之一。由于它解决了资源合理利用和环境污染两大难题，所以它的开发研究受到各国政府和科学家的重视，随着研究开发技术的不断突破，燃料电池在发电站、移动电站、微型电源、动力源等方面展露出广泛的应用前景。

4.1发电站

燃料电池主要以氢为燃料。氢可以用地球上存在的无穷尽的水作原料，因此不必担心资源枯竭问题。氢燃烧后的产物是水，因此它又是非常洁净的燃料。电是很难贮存的，但利用电解水的方法来贮存氢燃料可实现大量蓄能。

燃料电池发电站，具有以下特点:

a.效率高。燃料电池是以化学能直接转换为电能的直接发电方式，不受朗肯蒸汽循环那样热力设备的制约，也没有大型旋转机械的损失。对负荷响应快，只需较短时间即可启动，几秒钟即可从最低功率达到额定功率。

b.厂址占地面积小，建设工期短。

c.环保问题少。噪音小，无污染，由于采用干式冷却塔，不存在温排水问题。

d..运行质量高。由于电厂接近负荷，从而改善了地区频率偏移和电压波动，

降低了现有变电设备的电流遮断容量。

因而，燃料电池发电站具有巨大的发展潜力，是未来电源的发展方向。日本已于1995年建造11 MW级磷酸型水冷式燃料电池电站。美国政府计划2010年用于城市供电的燃料电池装机容量达30一40 GW。

燃料电池具有模块结构、积木性强、噪音小、维修方便等特点，是军事、野外作业、偏远无电地区等理想的移动电源。80年代末期，西方发达国家就致力于PEMFC的军事应用研制开发。美国电力研究所(EPRI)曾为美军制造了两台手提氢氧PEMFC发电机，一台电压为12V，功率800W;另一台电压为24V，功率1KWo 1995年，巴拉德公司为加拿大国防部设计并制造了一台28V , 4kW的甲醇一空气PEM-FC发电机。PEMFC作为便携式电源，主要替代目前常用的普通一次电池和蓄电池，用于未来单兵系统电源，常温下使用的各类仪表和军事通信设备电源等，PEMFC的比能量远远大于普通电池。即便是采用金属氢化物储氢的PEMFC，其系统的重量比能量也是Ni/Cd电池的7倍，Ni/MH电池的4一5倍，Li离子电池的2倍多。中国富原公司目前也开发出一系列PEMFC野外移动电源，功率范围为500~1000W。正在加紧这方面的研究工作。

4.2微型电源

微型燃料电池在人们日常生活中的应用已为期不远了。微型燃料电池可用作手机电池、照相机、摄影机电池。美国研制的微型燃料电池，以25厚塑料薄膜为其基本容器，已具备批量生产能力。

4.3动力源

燃料电池体积小，比功率大，可以冷启动，设计制造容易，安全耐用，在地面车辆、海洋舰艇及航空航天动力源等领域具有独特的发展潜力。

4.3.1地面车辆动力源

PEMFC的最大优点在于它能在室温附近工作，而且启动速度快，能量转化效率高，因此它适宜于车辆动力源。PEMFC用作车辆动力源时，动力性能可与汽油、柴油发动机相比，而且是环境友好的动力源。当以甲醇重整制氢为燃料时，每公里的能耗仅是柴油机的一半。由于燃料电池电动车辆在工作中几乎不向外界散发热量，噪音极小，所以PEM-FC电动车辆不仅机动性好，而且隐身性能强。

PEMFC还可用作坦克动力源。坦克的动力装置采用燃料电池，传动装置采

用电气传动装置。电力动力源将使坦克在整个速度范围实现理想的牵引力，起动加速度快;无转向功率损失;效率高，通过电缆可进行最佳的能量分配。同时可取消变速箱、操纵转向机构等一系列传统的耗能部件。因此，PEMFC将是未来坦克动力的理想选择。

4.3.2海洋舰艇动力源

PEMFC还适宜于用作舰艇动力源。PEMFC用作潜艇AIP推进动力源时，与斯特林发动机、闭式循环柴油机相比，具有效率高、噪音低和红外辐射小时，PEMFC的续航力最大，比斯特林发动机大1倍。德国和加拿大在1996年就制造了PEMFC为动力源的潜艇。

4.3.3航天航空动力源

AFC技术高度发展，已在航天飞行中获得成功应用，并显示出巨大优越性。美国已成功地将培根型AFC用于“阿波罗”宇宙飞船登月飞行;石棉模型AFC 航天飞机，作为机上主电源。美国一直在进行航天用AFC改进。同时还在开发再生氢氧燃料电池(RFC)，拟作为高效储能电池用于空间站和太空开发，代替化学电源。

燃料电池将是未来的理想能源，所以加强宣传是必要的。要让人们充分认识燃料电池的重要性，从而加大投资力度，加快燃料电池立项步伐，集中力量进行技术攻关创新，使燃料电池成为我国21世纪主要能源之一。

参考文献

1.朱松然.错蓄电池技术[M].北京:机械工业出版社，200

2.俞红敏，衣宝廉，毕可

万，等.重性气为燃料的质子交换

2.张化民，明平文，刑丹敏，等.质子交换膜燃料电池的发展现状[L].当代化工，

2001, 30

3.钟加轮.质子交换膜燃黄淖.质子交换膜燃料电池的研究开发与应用LMJ.北京:

冶金工业出版社，2004.料电池的发展及展望[L].电池工业，1999, 4(1):23-25.

4.PJ. Gellings and H.J.M. Bouwmeester, The CRC Hatui-book of Solid State

Electrochemistry, CRC Press Inc., NewY ork, 1997, p.402.

5.T. Setoguchi, M. Sawano, K. Eguchi, et al., Application ofthe stabilized zirconia

thin-film prepared by spray pyroly-sis method to SOFC, Solid State /onics, 40-41(1990),p.502.

6.S.G. Kim, S.P. Y oon, S.W. Nam, et al., Fabrication andcharacterization of a

YSZ/YDC composite electrolyte by asol-gel coating method, J. Power Sources, 110(2002),No.l, p.222.

7.Z. Ogumi, Y. Uchimoto, Y. Tsuji, et al., Preparation of thinyttria stabilized zirconia

films by vapor-phase electrolyticdeposition, Solid Slate tonics, 58(1992), No.3-4, p.345.

8.K. Hideto, Y. Someya, T. Y oshida, et al., Properties ofNi/1'SZ cermet as anode for

SOFC, Solid State tonics,132(2000), No.3-4, p.253.

9.N.Q. Minh, Solid oxide fuel cell technology-features and applications, Solid

State tonics, 174(2004), No.l-4, p.271.

10.郝德利，韩立明，薛金生，等.质子交换膜燃料电池技术进展[l].电源技术，2001,

25 (6 ) : 436-440.

11.李瑛，王林山.燃料电池[M].北京:冶金工业出版社2002.林维明.燃料电池系统

LMJ.北京:化学工业出版社1996.

12.衣宝廉.燃料电池—高效、环场友好的发电力一式LMJ北京:化学工业出版社，

2000.

13.膜燃料电池性能研究[L]J.电源技术，2001, 2

14..葛善海，衣宝廉，供洪峰，等.质子交换膜燃料电池研究L}J.电化学，1998, 4

(3 ) : 299-306.

15.姚如杰，刘治中，刘晓.燃料电池技术进展[J].能源技术，2001, (6).王宇新.直

接甲醇燃料电池及相关研究介绍[J].柴油机，2001，(5).

16.庄耀民.新能源开发方案[M].北京:水利电力出版社，1989:153

17.胡劲松.坦克装甲车辆的未来[J].现代军事，2000,(3).

18.黄淖.质子交换膜燃料电池的研究开发与应用[M].北京:冶金工业出版社，2000.