燃料電池介紹

燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學反應(yīng)把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高;另外，燃料電池用燃料和氧氣作為同時沒有機械傳動部件，故沒有噪原料，排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見，從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

燃料電池的優(yōu)點

燃料電池作為第四種發(fā)電方式的裝置，與其他幾種發(fā)電方式比較起來有以下幾個主要優(yōu)點：

（1）燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學反應(yīng)直接將化學能轉(zhuǎn)變成電能，沒有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，因而這種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)化效率可高達50％。還可回收發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱。若把產(chǎn)生的余熱再用于發(fā)電或供暖、供水等，綜合考慮效率能達到80％。

（2）燃料電池發(fā)電過程，機械部件很少，噪聲低；化學反應(yīng)的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會污染環(huán)境。在環(huán)境污染日趨嚴重的今天，燃料電池的這個優(yōu)點尤其可貴。

（3）燃料電池中所使用的燃料，既可是天然氣、煤氣和液化燃料，也可以是甲醇、沼氣乃至木柴。可根據(jù)不同地區(qū)的具體情況，選用不同的燃料用于燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，這可廣開燃料來源途徑，緩解能源緊張。

（4）燃料電池從中斷運轉(zhuǎn)到再啟動，輸電能力回升速度快，并可在短時間內(nèi)增加和減少電力輸出。因此將這種發(fā)電系統(tǒng)與其他輸電網(wǎng)連接使用最為有利，可隨時補充電網(wǎng)在用電高峰時所需的部分電能。

（5）燃料電池本身為一個“組合體”，所用部件可事先在工廠生產(chǎn)，然后組裝；它的體積小，拆裝都很方便，這可節(jié)省建電站的時間。

燃料電池的工作原理

人們常用的普通電池有堿性干電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。燃料電池和普通電池相比，既有相似，又有很大的差異。它們有著相似的發(fā)電原理，在結(jié)構(gòu)上都具有電解質(zhì)，電極和正負極連接端子。二者的不同之處在于，燃料電池不是一個儲存電能的裝置，實際上是一種發(fā)電裝置，它所需的化學燃料也不儲存于電池內(nèi)部，而是從外部供應(yīng)。在燃料電池中，反應(yīng)物燃料及氧化劑可以源源不斷地供給電極，只要使電極在電解質(zhì)中處于分隔狀態(tài)，那么反應(yīng)產(chǎn)物可同時連續(xù)不斷地從電池排出，同時相應(yīng)連續(xù)不斷地輸出電能和熱能，這便利了燃料的補充，從而電池可以長時間甚至不間斷地工作。人們之所以稱它為燃料電池，只是由于在結(jié)構(gòu)形式上與電池有某種類似：外特性像電池，隨負荷的增加，它的輸出電壓下降。

燃料電池實際上是一個化學反應(yīng)器，它把燃料同氧化劑反應(yīng)的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能。它沒有傳統(tǒng)發(fā)電裝置上的原動機驅(qū)動發(fā)電裝置，也沒有直接的燃燒過程。燃料和氧化劑從外部不斷輸入，它就能不斷地輸出電能。它的反應(yīng)物通常是氫和氧等燃料，它的副產(chǎn)品一般是無害的水和二氧化碳。燃料電池的工作不只靠電池本身，還需要燃料和氧化劑供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物排放等子系統(tǒng)與電池堆一起構(gòu)成完整的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池可以使用多種燃料，包括氫氣、碳、一氧化碳以及比較輕的碳氫化合物，氧化劑通常使用純氧或空氣。它的基本原理相當于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)，即水的合成反應(yīng)。燃料及氧化劑在電池的陰極和陽極上借助催化劑的作用，電離成離子，由于離子能夠通過二電極中間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓。當電極同外部負載構(gòu)成回路時，就可向外供電（發(fā)電）。圖1是燃料電池的工作原理圖。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

燃料電池發(fā)展歷程

1、139年，英國科學家Grove首先介紹了燃料電池的原理性實。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

2、1889年，L.Mond和C.Langer以鉑黑為電催化劑，以鉆孔的鉑為電流收集器組裝出燃料電池，當工作電流密度為3.5mA/cm-2時電池的輸出電壓為0.73V.O這個研究已經(jīng)很接近現(xiàn)代的燃料電池了。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

3、20世紀60年代，燃料電池首次應(yīng)用在美國特種航天管理局（NASA）的阿波羅登月飛船上作為輔助電源，為人類登月球做出了積極貢獻。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

4、1959培根制造出能夠工作的燃料電池，也就是一部燃料電池的5kW的焊接機。同年，\Allis-Chalmers公司也推出了第部以燃料電池為動力的農(nóng)用拖拉機。

5、1973研究重點從航天轉(zhuǎn)向地面發(fā)電裝置，磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）以及直接采用天然氣、煤氣和碳氫化合物作燃料的固體氧化物燃料電池（SOFC）作為電站或分散式電站相繼問世。

1973年發(fā)生石油危機后，世界各國普遍認識到能源的重要性人們研究了以凈化重整氣為燃料的磷酸型燃料電池（PAFC，稱為第一代燃料電池）以凈化煤氣、天然氣為燃料的熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，稱為第二代燃料電池）還有固體氧化物電解質(zhì)燃料電池（SOFC，稱為第三代燃料電池）。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

1993年，加拿大Ballard電力公司展示了一輛零排放、最高時速為72km/h、以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為動力的公交車［2］，引發(fā)了全球性燃料電池電動車的研究開發(fā)熱潮。

6、目前在PEMFC向商業(yè)化邁進的過程中，氫源問題異常突出，氫供應(yīng)設(shè)施建設(shè)投資巨大，氫的貯存與運輸技術(shù)以及氫的制備技術(shù)等還遠落后于PEMFC自身的發(fā)展，20世紀末，以醇類直接為燃料的燃料電池成為了研究與開發(fā)的熱點，受到了世界各國的廣泛重視，并取得了長足的進展。

燃料電池的研究現(xiàn)狀

1、AFC

在已開發(fā)的燃料電池中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軌道飛行器都采用這類燃料電池作為搭載電源，實際飛行結(jié)果表明電池系統(tǒng)具有很高的可靠性。20世紀80年代中期以后，隨著一些新材料的應(yīng)用及工藝的不斷改進，堿性氫氧燃料電池的性能得到完善，比如工作溫度、工作壓力、電流密度提高，比質(zhì)量（單位功率的質(zhì)量）顯著減小等。

堿性氫氧燃料電池除成功應(yīng)用于空間技術(shù)外，也進行了其他用途的開發(fā)。美國UTC公司曾試制過60kW、80kW的深水探查船用電源及30kW深海潛水救助艇用的電源，德國西門子公司曾試制過100kW的潛水艇動力電源，但都在樣機試用以后終止開發(fā)，未投入正式使用。比利時Elenco公司及美國UCC公司也都進行過將堿性氫空氣燃料電池用于電動車動力電源的開發(fā)，日本的富士電機公司曾在月光計劃資助下開發(fā)過kW級的應(yīng)急用堿性燃料電池。目前，此類燃料電池技術(shù)的發(fā)展已非常成熟并已經(jīng)在航天飛行及特種中成功應(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、CO2及CO的燃料氣，使用空氣也必須脫除空氣中的CO2，從而限制了這類電池在地面上的應(yīng)用。

1=燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

2、PAFC

該型電池技術(shù)成熟，目前這類電池在城市發(fā)電，供氣及其他工業(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來進行輔助供電、供熱。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。

美國是最早發(fā)展PAFC電站技術(shù)的國家，而日本是PAFC電站技術(shù)發(fā)展最快的國家，PAFC在日本已進入產(chǎn)業(yè)化階段。日本是開發(fā)燃料電池積極而熱情的國家，近年來成果尤為顯著，特別是在PAFC商業(yè)化方面已與美國并駕齊驅(qū)。目前，日本的制造商在電力公司，煤氣公司的通力合作之下，已經(jīng)可以生產(chǎn)50kW，100kW，200kW，1000kW，5000kW，11MW等各種規(guī)格的PAFC電站。英國、德國、荷蘭、比利時、意大利、丹麥、瑞典、芬蘭等9個國家22家公司于1989年9月11日成立的歐洲燃料電源集團（EFCG）也與美國和日本的公司在這一領(lǐng)域展開競爭。事實上，到目前為止，美日兩國的公司已經(jīng)銷售了數(shù)以百計的磷酸型燃料電池，正在試驗的則為數(shù)更多，可以說，PAFC的基礎(chǔ)研究工作已經(jīng)結(jié)束。商品化階段已經(jīng)開始，正在向工業(yè)化邁進。

3、PEMFC

質(zhì)子交換膜燃料電池以氟磺酸型或非氟磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì)，能量轉(zhuǎn)換效率高，無污染，可在室溫下快速啟動，特別適合用做動力電源。美國通用電器公司在20世紀60年代就將PEMFC電池用于雙子星座航天飛機。

它又是電動車的最佳驅(qū)動電源，受到美國、德國、加拿大和日本等發(fā)達國家政府及國際汽車業(yè)巨頭如德國奔馳公司和美國通用汽車公司等企業(yè)的支持，發(fā)展勢頭非常強勁。1993年，加拿大Ballard公司研制出世界上第一輛燃料電池公共汽車。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。汽車工業(yè)的介入是推動PEMFC快速發(fā)展的最主要的動力。

總部位于加拿大溫哥華的BalardPowerSystem公司被公認為是世界開發(fā)、生產(chǎn)和營銷零排放質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池的領(lǐng)先者。國內(nèi)從事PEMFC研究的單位主要有中科院大連物理化學研究所，北京世紀富源公司，北京綠能公司，上海神力公司等。目前，我國已具備研制50kW以上，可用于電動汽車的燃料電池動力模塊的能力。

PEMFC的研究涉及到電化學、機械設(shè)計、物理學、計算機模擬等各個方面。目前制約PEMFC發(fā)展的問題有很多，主要是解決催化劑的中毒問題和提高其活性，保證電解質(zhì)膜的成型能力及機械強度以及密封的問題。目前國內(nèi)有很多單位都在對催化劑做大量的研究工作并取得了顯著成果。如華南理工大學的廖世軍采用Si-Mo酸共沉積制備催化劑，所得催化劑比E-TEK公司的催化活性要高，用他們自己制備的催化劑組裝的DMFC的電壓為0.38V，電流大約在幾十個mA.北京有色金屬研究總院的張向軍等采用浸演還原法，進行浸演—還原—干燥的步驟，改變了C的表面官能團從而得到了高擔載量高分散性的PVC催化劑，有效減少了催化劑用量，優(yōu)化了催化劑層的結(jié)構(gòu)，降低了催化劑的制備成本。北京交通大學的朱紅等采用原位還原法制得了PVC催化劑。

4、MCFC

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，美國對熔融碳酸鹽電池的開發(fā)重點在大容量的MW級機組的開發(fā)，從事熔融碳酸鹽燃料電池研究和開發(fā)的主要單位為煤氣技術(shù)研究所（IGT），該所已于1987年組建了M—C動力公司和能量研究所（ERC），這兩個單位現(xiàn)在均具有熔融碳酸鹽燃料電池電站的生產(chǎn)能力。日本從1981年開始研究發(fā)展熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)，在完成1kW，10kW，30kW和100kW熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)的試驗后，于1988年由23家公司成立了熔融碳酸鹽燃料電池研究協(xié)會，目的是發(fā)展1000kW的熔融碳酸鹽燃料電池分散電站。1993年，大連化物所由所長基金資助10萬元開展了MCFC研究，1994年中科院將MCFC列為院重點項目，投資50萬元加以支持，目前大連化物所已完成LiAlO2隔膜材料的制備，小電池設(shè)計及評價裝置的建立。單電池性能已達到日本20世紀80年代中期水平、正準備開展百W級MCFC裝置的研制。

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。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

5、SOFC

美國對SOFC的研究處于世界領(lǐng)先地位，2001年8月更又投資5億美元進行SOFC的研制開發(fā)。目前美國國內(nèi)進行該項目的單位主要有西屋動力公司，霍尼韋爾公司，Delphi自動系統(tǒng)公司等幾家。作為日本“月光計劃”的一部分，日本國內(nèi)的三菱重工業(yè)公司在這一方面發(fā)展迅速，計劃2010年將SOFC推入實用化水平。國內(nèi)SOFC的主要研制單位有大連化物所，中科院上海硅酸鹽研究所，吉林大學，中國科技大學，中科院北京化冶所等單位。目前我國已具備了研制數(shù)kW級SOFC發(fā)電系統(tǒng)的能力。

SOFC在高溫下工作也給其帶來一系列材料、密封和結(jié)構(gòu)上的問題，如電極的燒結(jié)，電解質(zhì)與電極之間的界面化學擴散以及熱膨脹系數(shù)不同的材料之間的匹配和雙極板材料的穩(wěn)定性等，這些也在一定程度上制約著SOFC的發(fā)展，成為其技術(shù)突破的關(guān)鍵方面。

總的來說，美國、日本、加拿大以及一些歐洲國家介入燃料電池的研發(fā)較多，特別是美國和日本是研究投入較多的國家，開發(fā)應(yīng)用也處于世界前列。對燃料電池的研究，我國也投入了相當大的人力物力。在燃料電池的基本理論研究方面，我們與世界先進國家的差距不太大，但在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料應(yīng)用，關(guān)鍵部件的設(shè)計與生產(chǎn)方面有一定差距。

1997年，國家科委批準將“燃料電池技術(shù)”列為國家“九五”計劃中重大科技攻關(guān)項目之一。1999年國家電力總公司成立了燃料電池課題組，并于1999年3月召開了中國燃料電池電站技術(shù)路線研討會。在國家自然科學基金會、“863”計劃和國家科委等的支持下，國內(nèi)參與燃料電池研究的單位主要集中在中科院系統(tǒng)和大學。中科院上海硅酸鹽研究所、上海冶金研究所、長春應(yīng)用化學研究所和大連化學物理研究所，清華大學、上海交通大學、北京科技大學和華南理工大學等從事了MCFC、SOFC和PEMFC燃料電池的基礎(chǔ)性研究。中科院大連化學物理研究所對質(zhì)子交換膜燃料電池進行了詳盡的研究，并開發(fā)出多種功率等級的PEMFC。近年來，隨著研究機構(gòu)和經(jīng)費投入的不斷增加，我國對燃料電池催化劑的研究取得了可喜的成果，從事質(zhì)子交換膜燃料電池原材料及半成品制造的公司開始出現(xiàn)，相信我國的燃料電池研究將出現(xiàn)一個嶄新的局面。