燃料电池的历史和发展

燃料电池 GO 燃料电池 fuelcell 发电是继水力 火力和核能发电之后的第四类发电技术 它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置 1839年英国的Grove发明了燃料电池 并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯 由于氢气在自然界不能自由地得到 在随后的几年中 人们一直试图用煤气作为燃料 但均未获得成功 1866年 人们发现了机 电效应 这一发现启动了发电机的发展 并使燃料电池技术黯然失色 1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称 但燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展 试验电厂中的燃料电池组 燃料电池的历史和发展 NEXT 20世纪60年代初由于航天和国防的需要 才开发了液氢和液氧的小型燃料电池 应用于空间飞行和潜水艇 从此 氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域 同时 兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功 空间站电力系统工作原理图 从80年代开始 各种小功率燃料电池在宇航 军事 交通等各个领域中得到应用 近二三十年来 由于一次能源的匮乏和环境保护的突出 要求开发利用新的清洁再生能源 燃料电池由于具有能量转换效率高 对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视 燃料电池发生电化学反应的实质是燃烧反应 它与一般电池不同之处在于燃料电池的正 负极本身不包含活性物质 只是起催化转换作用或传导电流的作用 所需燃料 氢或通过甲烷 天然气 煤气 甲醇 乙醇 汽油等石化燃料或生物能源重整制取 和氧 或空气 不断由外界输入 因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置 中间未经燃烧 燃料电池的特点 燃料电池与一般电池的本质区别在于其能量供应的连续性 燃料和氧化剂是从外部不断提供的 它具有以下优点 能量转换效率高 污染小 噪声低 高度可靠性 适应能力强 操作简单 灵活性大 建设周期短 比能量或比功率高 3 基本组成 1 电极 可以由具有催化活性的材料组成 也可以只作为电化学反应的载体和反应电流的传导体 2 电解质 可以是固体 也可以是水溶液或熔融盐 3 燃料 气体 如H2 CO和碳氢化合物 液体 CH3OH 高价碳氢化合物 也可以是固体 金属氢化物 4 氧化剂 相对于燃料的选择 氧化剂的选择比较方便 纯氧气O2 空气或卤素X2都可以胜任 而空气是最便宜的氧化剂 燃料电池的分类 按工作温度 按燃料来源 直接式燃料电池 如直接甲醇燃料电池 间接式燃料电池 如甲醇通过重整器产生氢气 然后以氢气为燃料电池的燃料 再生类型 NEXT BACK 按电解质类型 磷酸盐型燃料电池 PAFC 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 固体氧化物燃料电池 SOFC 碱性燃料电池 AFC 质子交换膜燃料电池 PEMFC 磷酸型燃料电池 PAFC 电极材料 正极 高分散Pt负极 高分散Pt 电解质 浓H3PO4 工作温度 180 210 燃料 H2 电池反应 2H2 O2 2H2O 优点 抗CO2 可应用于独立电站 缺点 贵金属催化剂对CO敏感 1 电解质电导率低 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 电极材料 正极 高分散Ni负极 高分散Ni 电解质 LiCO3 K2CO3 Na2CO3 工作温度 600 700 燃料 CO或H2 电池反应 2CO O2 2CO2 优点 无需贵金属催化剂 电池内部重整容易 Ni催化剂不怕CO中毒 缺点 电极材料寿命短 机械稳定性差 阴极需补充CO2 腐蚀 碱性燃料电池 AFC 电极材料 正极 高分散Ni负极 高分散Ni 电解质 KOH或NaOH 工作温度 室温 100 燃料 H2 电池反应 2H2 O2 2H2O 优点 无需贵金属催化剂 无需CO2再循环 效率高 缺点 制备工艺复杂 工作温度高 价格昂贵 固体氧化物燃料电池 SOFC 电极材料 正极 多孔Ni负极 多孔Ni 电解质 ZrO2 工作温度 900 1000 燃料 H2或CO 电池反应 2H2 O2 2H2O 优点 无需贵金属催化剂 无需CO2再循环 效率高 缺点 制备工艺复杂 工作温度高 价格昂贵 质子交换膜燃料电池 PEMFC 电极材料 正极 高分散Pt负极 高分散Pt Ru 电解质 质子交换膜 工作温度 25 125 燃料 H2或甲醇 电池反应 CH3OH 1 5O2 CO2 2H2O 优点 无需贵金属催化剂 无需CO2再循环 效率高 缺点 制备工艺复杂 工作温度高 价格昂贵 典型的PEMFC结构 PEMFC箱体 5KW电池组 第一代 200W电池组 第一代 PEMFC试验电厂 HOME 表1 1燃料电池的分类 1 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质 无电解质腐蚀问题 能量转换效率高 无污染 可室温快速启动 质子交换膜燃料电池在固定电站 电动车 军用特种电源 可移动电源等方面都有广阔的应用前景 尤其是电动车的最佳驱动电源 它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上 H2 O2质子交换膜燃料电池以H2为燃料 理论电动势为1 229V 工作电压为0 80V 此电池制作较简单 寿命长 但使用的贵金属较多 价格高 加上氢的储存和运输的问题 人们开始用甲醇 天然气等作为PEMFC的燃料 BACK NEXT 中国矿业大学化工学院应化系 下一页 最后页 上一页 第一页 图3 6DMPEMFC原理图 有机小分子作为PEMFC燃料有以下优点 常温常压下为液体 携带和储存都很方便 燃料最终产物是CO2和水 污染极小 来源丰富 价格低廉 无C C键束缚 电化学活性高 甲醇燃料电池分为外生整式和内重整式两种 前者通过重整器把甲醇重整为氢 然后在催化剂作用下与氧气反应产生电能 内重整无需重整器 甲醇在阳极上直接氧化 与外重整型相比 它具有体积小 重量轻 结构简单 操作容易 可靠性高 维修方便和价格低等优点 故而最有希望成为小型电站和交通运输工具等动力电源 NEXT BACK 尽管DMPEMFC具有无可比拟的优点 但要达到实际应用还有大量问题有待进一步解决 目前它的技术还很不成熟 仅处于研制阶段 性能最好的也只有0 10W cm2 而要达到实际应用 必须达到0 25W cm2以上 同时