燃料电池的反应原理,发展及应用前景.doc

燃料电池的反应原理，发展及应用前景 燃料电池是直接将燃料的化学能转化为电能的装置，它不同于一次电池和二次电池，一次电池的活性物质反应完毕，就不能再使用。二次电池在充电时不能使用，而燃料电池只要不断地供给活性物质，就可以一直放出电能。它不受时间和空间的限制，应用非常便利。1 燃料电池概述1.1 燃料电池的发展历史1802年，霍姆富利戴维（Humphrey Davy）报道过一个简单电池的结构，这种电池组能够使人有轻微触电的感觉。1839年Grove成功地使一个传统的电解水的实验进行逆反应。1889年蒙德（Mond）首次采用了燃料电池这一名称，并获得200A/m2电流密度。最早达到实用水平的燃料电池是本世纪50年代英国剑桥Bacon制成的。他用高压氢、氧气制成功率为50kW的燃料电池，工作温度为423K。60年代，该种电池成功地应用于航天领域。目前，从节约能源和环保等角度看，作为工业用发电装置及汽车驱动力，已经从多方面对燃料电池进行实验装置的研究和试验，而且在很多方面已取得了长足的进展。1.2 燃料电池的优点做为一种新型发电装置，燃料电池具有的优点在于：（1）电池直接发电，不受卡诺循环的限制，效率高；理论上，燃料电池的能量转化效率可超过80%。即使发电规模很小，也具有与大规模火力发电同等的发电效率。（2）部分负载效率高，对负载变化响应效率高。（3）不排出有害物质，噪音低。对环境无污染，安全可靠性高。（4）操作简单，灵活，建设周期短。因而它可以安装在施工现场的附近作固定型或分散型电站，以减轻变电设备和变电损耗，充分利用排出的热量。燃料电池是一种不经过热量转化的发电方法，因此不必考虑大型的设备和设计很大的规模，可以把比较小型的固定型或分散型电池设备安装在需要的地方。这种电池的利用价值特别大，预计燃料总的热效率可达80%。1.3 燃料电池的分类燃料电池可分为很多种类型。按燃料的处理方式的不同，可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中有光、电、热、放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同，可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。2 燃料电池的基础理论2.1 燃料电池中的基本反应酸性电解液燃料电池反应过程如下：氢在催化电极上离解为氢离子和电子，氢离子通过电解液和气体阻挡层传输到氧电极催化剂的表面，与此同时，电子通过外电路进入到氧催化电极，氢离子、电子和氧在氧电极的催化层上生成水。对于碱性电解液的燃料电池，氢在氢催化电极上反应生成水和电子，电子通过外电路进入氧催化电极，此处的氧分子接受电子与水反应生成OH-，OH-再传输到氢催化电极。电极的总反应均可写为：2H2+O22H2O使用其它燃料的燃料电池的反应原理相似，反应式可分别写为：CO：2CO+O22CO2CH4：CH4+ O2CO2+2H2O液肼：N2H4+O2N2+2H2O固体碳：C+O2C022.2 燃料电池的能量转化效率分析 通常，化学能转换为电能的途径为：a燃料产生蒸汽汽轮机发电机电能b燃料内燃机发电机电能在以上两种转化途径中，由于化学反应通过热能做功必然受到卡诺循环的限制，转化效率不可能大于50%，能量又有较大损失，所以能量转化效率不高，大致为20%45%。而燃料电池产生电能的途径为：燃料燃料电池电能，由少了若干中间过程，能量的转化效率高达80%以上。以氢、氧燃料电池为例电池总反应为：2H2+O22H2O可逆电池的理论转化效率：=G/h=1-TS/h在T=298K，当生成气态水时，G=-228.5kJmol-1, h=-241.7 kJmol-1，带入上式，得=94.5%。当生成液态水时，计算得=83%。G-反应的吉布斯自由能h-反应焓变T-绝对温度-能量转化效率而燃料电池的实际转化效率与电池工作时的电流密度有关，用电流密度下的实际电压来代替平衡电压。由于随电流密度的增大，阴极和阳极的过电位增加，欧姆降增大，端电压减小，电池的实际效率比理论值低。3.燃料电池的反应原理燃料电池（FC）是一种等温进行、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效（50%-70%）、无污染地转化为电能的发电装置。它的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧等的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。但是FC的工作方式又与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。FC本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。图!为石棉膜型氢氧燃料电池单池的结构和工作原理图。在阳极氢气与碱中的OH-在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子：H2+2OH-H2O+2e 0=-0.828V电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：生成的OH-通过多孔石棉膜迁移到氢电极。为保持电池连续工作，除需与电池消耗氢气、氧气等速地供应氢气和氧气外，还需连续、等速地从阳极氢电极?排出电池反应生成的水，以维持电解液浓度的恒定；排除电池反应的废热以维持电池工作温度的恒定。图2为燃料电池单电池伏安特性曲线。图中0称为开路极化，即当电池无电流输出时的电池电压与可逆电势的差值，其产生原因是氧的电化学还原交换电流密度太低，从而产生混合电位。r为活化极化，它为电极上电化学反应的推动力，D为浓差极化，它为电极内传质过程的推动力。为电池内阻引起的欧姆极化，它包括隔膜电阻、电极电阻与各种接触电阻，伏安曲线的直线部分的斜率由它决定，电池电流密度的工作区间就选在此段，通称这一段斜率为电池的动态内阻。燃料电池的效率按下式计算：式中fT为热力学效率，即，等于为电压效率，为电池工作电压与可逆电势（1.299）之比；为电流效率，对于石棉膜型电池，由前所述，接近100%；为反应气利用效率，一般而言，对采用纯氢、纯氧为燃料的电池，。由图可知，当时，电池工作电压代入上式计算得一个单池，工作电压仅伏，为满足用户的需要，需将多节单池组合起来，构成一个电池组。首先依据用户对电池工作电压的需求，确定电池组单电池的节数，再依据用户对电池组功率的要求，和对电池组效率及电池组重量与体积比功率的综合考虑，确定电池的工作面积。以燃料电池组为核心，构建燃料（如氢）供给的分系统，氧化剂（如氧） 供应的分系统，水热管理分系统和输出直流电升压、稳压分系统。如果用户需要交流电，还需加入直流交流逆变部分构成总的燃料电池系统。因此一台燃料电池系统相当于一个小型自动运行的发电厂，它高效、无污染地将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。图3阐明了各分系统间的关系。4. 燃料电池的应用燃料电池在国民生产中得到广泛的应用。具体说来可分为以下几个方面：动力方面，化工方面，电站及小型电源，共生工程等。在动力方面的应用有：作为宇宙空间电源，铁道牵引车，汽车动力，潜艇动力及娱乐设施等方面。汽车动力目前，各国的汽车使用量不断增加，而汽车排除尾气对城市环境的污染已成为不可忽视的问题。同时，人们预测石油、天然气等矿物能源储量有限，难以作为永久性能源，于是人们要求开发新型的清洁、高效的能源。质子交换膜燃料电池的出现，解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问题，使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。这种电池具有工作条件温和，启动快等特点，适合于用做汽车动力，是目前世界各国积极开发的运输用燃料电池。由于其用氢气作为原料气，因此，用于城市公交运输车辆，不会对环境造成污染。从80年代起，北美，西欧和日本就开始研制以氢气做原料的质子交换膜燃料电池电动汽车零污染电动汽车。1993年，加拿大巴拉德公司研制出世界上第一辆燃料电池公共汽车。1997年，德国奔驰汽车公司和英国汽车公司分别推出用质子交换膜燃料电池驱动的无废气公共汽车。1999年3月，美国福特公司和日本丰田汽车公司分别研制出质子交换膜燃料电池电动汽车。其他方面的应用碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本上没有红外辐射，而且噪音小，用做潜艇动力，可大大提高其军事隐蔽性。加拿大海军在90年代初研制了一台质子交换膜氢燃料电池做动力的海洋探测器。德国建造了二梭质子交换膜氢燃料电池作动力的潜艇。碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池可以在常温下启动工作，且能量密度高，是理想的航天器工作电源。尤其是采用氢气为燃料，工作时排放出的水可供宇航员饮用，这样就不用另外携带饮用水。这对于降低航天发射的成本很重要。美国从60年代开始，就采用碱性燃料电池作为航天器工作电源。70年代以来，采用质子交换膜燃料电池。在电站发电方面，燃料电池可以作为固定型或分散型的电站，既可以用于边远地区的小型发电，也可配置给医院、旅馆、住宅区等作为电源。由于燃料电池具有能量转换效率高，对环境污染小的特点，用做电站发电具有重要的经济效益和社会环境效益。此外，质子交换膜燃料电池还可用做野外便携式电源。美国和加拿大开发了从几十瓦到千瓦级的质子交换膜氢燃料电池类型的便携式移动电源系列产品，供野外作业和旅游野营等情况下使用。燃料电池在化工方面和共生工程上的也有广泛的应用。美国物理科学公司开发了离子碱性燃料电池的离子电解膜新工艺，用空气和氢来驱动燃料电池，产生电能，并能浓缩烧碱溶液。不同类型的燃料电池还可以被用于从硫化氢气体中回收硫，过氧化氢生产，盐酸生产，乙醛生产，酮的合成，酚的合成等。在共生工程上，发电厂利用燃料电池与污水处理装置相结合，进行能量与水处理共生。利用天然气和丙烷产生电能和热，以维持污水处理所需的温度，而污水处理装置放出的甲烷又可做为燃料电池的燃料。这样既回收了大量有效能，又减小了环境污染，实现了能质共生。5. 我国燃料电池的研究情况及发展前景我国在20世纪50年代就开始了燃料电池的探索研究工作，在60年代初和70年代中期曾两次出现研究燃料电池的热潮。武汉大学、天津电源研究所、中国长春应用化学研究所、大连化学物理研究所等先后开展了以氢气和氨气为燃料的碱性燃料电池的研究工作，并研制出小型原理装置。90年代开始，国内一些大学和科研院所加强了对燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池的研究。与此同时，中国科学院开始组织有关研究所联合攻关，准备用几年的时间，研制出车用大功率质子交换膜氢燃料电池堆。除了质子交换膜燃料电池的研究，很多单位开展了其他类型的燃料电池的研究，如北京理工大学的磷酸型燃料电池的研究，上海硅酸盐研究所和上海交通大学的熔融碳酸盐燃料电池的研究，化工冶金所、吉林大学和华南理工大学的固体氧化物燃料电池的研究。此外，一些能源部门也开始了燃料电池发电站的预研工作。燃料电池做为21世纪的高科技产品，早已受到西方各国的重视。燃料电池的研制和开发涉及到21世纪国际市场的竞争，并将推动电动汽车，潜艇及发电工业的飞速发展。1995年，英国权威杂志时代周刊将燃料电池技术列为十大高科技之首，这充分显示了燃料电池所具有的广阔的发展前景。目前，碱性燃料电池，磷酸型燃料电池，均已取得了重大进展，技术走向成熟，并在一定程度上