燃料电池前沿技术

1、燃料电池前沿技术Fuel Cell Front Technology 目录引言引言燃料电池的发展历史燃料电池的发展历史燃料电池的特点优势燃料电池的特点优势燃料电池的分类燃料电池的分类燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理氢氢-氧燃料电池氧燃料电池磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池可逆式质子交换膜型再生氢氧燃料电池研究可逆式质子交换膜型再生氢氧燃料电池研究生物燃料电池技术研究有新突破生物燃料电池技术研究有新突破国外燃料电池技术发展迅猛国外燃料电池技术发展迅猛我国燃料电池的发展状况我国燃料电池的发展

2、状况大力发展燃料电池技术势在必行大力发展燃料电池技术势在必行引言 能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。 随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有3335%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量

3、的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。燃料电池的发展历史燃料电池的发展历史 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。1889年Mood和Langer首先采用了燃

4、料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，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。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、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。美国矿物能源

5、部长助理克.西格尔说：“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯.默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国Arthur D.Little公司最新估计，2000年燃料电池在能源系统市场将提供1 5002 000MW动力，价值超过30亿美元，车辆市场将超过20亿美元；2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。 燃料电池的特点优势1.能量转换效率高

6、能量转换效率高燃料电池能量转换效率比热机和发电机能量转换效率高得多。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为4050%，当用热机带动发电机时，其效率仅为3540%，而燃料电池的有效能效可达6070%，其理论能量转换效率可达90%。其他物理电池，如温差电池效率为10%，太阳能电池效率为20%，均无法与燃料电池相比。2.污染小、噪声低污染小、噪声低燃料电池作为大、中型发电装置使用时其突出的优点是减少污染排放(表3)。对于氢燃料电池而言，发电后的产物只有水，可实现零污染。另外，由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部分，故操作环境无噪声污染。 3.高度可靠性高度可靠性燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的

7、电池组构成。由于这种电池组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变动时，它会很快响应，故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为调节的储能电池使用。4.比能量或比功率高比能量或比功率高5.适用能力强适用能力强燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油；也可使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾，但需经专门装置对它们重整制取。虽然燃料电池有上述种种优点，然而由于技术问题，至今一切已有的燃料电池均还没有达到大规模民用商业化程度。为此，美、日等国相继拨出巨资来发

8、展燃料电池。燃料电池的分类燃料电池的分类按燃料类型按燃料类型 直接型直接型间接型间接型 再生型再生型按开发早晚顺序按开发早晚顺序第一代第一代FC：磷酸盐型燃料电池：磷酸盐型燃料电池(PAFC)第二代第二代FC：熔融碳酸盐型燃料电池：熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)第三代第三代FC：固体氧化物型燃料电池：固体氧化物型燃料电池(SOFC)按工作温度的不同按工作温度的不同低温燃料电池低温燃料电池高温燃料电池高温燃料电池（面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池（面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池）碱性燃料电池碱性燃料电池（AFC）（100）质子膜燃料电池质子膜燃料电池（PEMFC）（100以内）以

9、内）熔融碳酸盐型燃料电池熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）（650）固体氧化型燃料电池固体氧化型燃料电池（SOFC）（1000）中温燃料电池磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池（PAFC）（200）目前，有5种已知的燃料电池类型。其名称与采用的相应的电解质有关。（1）碱性燃料电池（AFC）采用氢氧化钾溶液作为电解液。 这种电解液效率很高（可达60一90），但对影响纯度的杂质，如二氧化碳很敏感。因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。 （2）质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。这种电解质具有高功率一重量比和低工作温度。是适用于固定和移动装

10、置的理想材料。（3）磷酸燃料电池（PAFC）采用200高温下的磷酸作为其电解质。很适合用于分散式的热电联产系统（4）熔融碳酸燃料电池（MCFC）的工作温度可达650。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。 （5）固态氧化物燃料电池（SOFC）采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。他们需要采用相应的材料和过程处理技术，因为电池的工作温度约为1000。 燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料

11、电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。 先以氢-氧燃料电池为例:氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电解水的逆过程。电极为： 负极： H2 + 2OH- 2H2O + 2e- 正极： 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH- 电池反应：H2 + 1/2O2=H2O 在燃料极中，供给的燃料气体中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e- 经由外部的负荷回路，再返回到空气

12、极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e- 不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外没有其他的反应，H2 所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。 氢氧燃料电池组成和反应循环图燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反

13、应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：燃料极：H2 =2H+ + 2e- （1） 空气极：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2） 全体：H2+1/2O2 = H2O （3）引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。 单电极组装示意图 PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。

14、电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO 量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。 磷酸型燃料电池基本组成和反应原理磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。 磷酸型燃料电池磷酸型燃料电池质子交换膜燃

15、料电池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。 熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池 MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600700 的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极

16、为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2 (氧化锆)，它构成了O2- 的导电体Y 2O3 （氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3 (氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3 (氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。 可逆式质子交换膜型再生氢氧燃料电池研究可逆式质子交换膜型再生

17、氢氧燃料电池研究ResearchofReversibleProtonExchangeMembraneRegenerativeFuelCells平流层定点气球、卫星、空间站等太空飞行器在轨道上运行时存在向日和背日工作状态;仅依靠太阳能电池不能满足连续供电的需要,必须装备储能电池;即向日时利用太阳能对储能电池充电,背日时依靠储能电池供电。再生氢氧燃料电池(RFC)工作原理是将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合,使2H2+O22H20+电能与电能+2H2O2H2+O2过程得以循环进行,使氢氧燃料电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”,起到蓄能作用。 RFC与太阳能电池配套,即构成可靠

18、的空间站供电系统。RFC作为蓄能元件与目前已应用的Ni-Cd电池、Ni-H2电池相比,具有更高的比能量及比功率,使用中无自放电,而且不受放电深度及电池容量的限制,所产生的高压H2、O2可用于空间站及卫星的姿态和环境控制;储能物质又是极为安全廉价的纯水,运送补给方便。是一种具有广阔发展前途的新型储能电池。其中最先进的形式为可逆式，可逆式RFC的电池可以以燃料电池模式或电解模式工作，将原先的燃料电池与水电解池以一个双效电池替代,减轻了系统重量,提高了系统的可靠性和系统比能量。质子交换膜型再生氢氧燃料电池（PEMRFC）除具有一般RFC的优点外，还可以低温启动，无电解质腐蚀问题，对环境没有污染以及高

19、的能量密度和功率密度 。生物燃料电池技术研究有新突破生物燃料电池技术研究有新突破 牛津大学Kylie Vincent博士和其同事以酶为基础研制成一种燃料电池，比传统结构燃料电池便宜很多倍。铂催化剂和交换膜片是燃料电池最昂贵的组分，这也是燃料电池难以推广的原因之一。但是，在Vincent博士研制的燃料电池中既没有铂催化剂，也没有交换膜片，而是利用两种廉价的酶：一种是取自细菌的氢化酶，另一种是取自真菌的虫漆酶，它们能参加与催化剂相同的反应。每个电极上覆盖有这两种酶中的一种。由于每一种酶能加速自身的反应，因此这种生物燃料电池不需要膜片，因为“燃烧”的两种成分空气和氢气在燃料电池中能自由混合。试验样品

20、是一个带有两个电极的简单玻璃瓶，电极上覆盖有酶，研究人员在试验样品上加上空气和少量（百分之几）氢气混合物时，即成功地获得了电流。 国外燃料电池技术发展迅猛 发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。 东芝ONSI PC25C型电站 安装在美国Cinergy的Ballard燃料电池装置