燃料电池的研究进展

1、燃料电池的研究进展摘 要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外的普遍重视。本文将针对燃料电池的发展简史、工作原理、研究进展及应用等作了简要介绍。关键词：燃料电池 特点 分类 燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。人们把它称之为继水电、火电和核电之后的第四种持续发电方式。随着全世界对能源的需求日益增加以及人类对环境质量的关注,采用清洁高效的能源利用方式、积极开发新能源已经是势在必行。燃料电池具有发电效率高、无污染、燃料来源广泛等特点, 是一种最接近于实用化的环保型新能源，最常见的是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，目前已

2、在实际应用方面取得一些进展。例如，燃料电池作为新型能源大量用于航天领域、潜水领域，还可以为公共汽车提供动力，现在，一些笔记本电脑和手机也开始使用燃料电池。1. 燃料电池简介1.1燃料电池简史料电池的发展历程, 既古老又年轻, 既坎坷又迅捷。这种先进的发电技术，早在十九世纪就发明了。1839年，英国科学家William·Grove(威廉·格罗夫)发明了世界上第一座燃料电池装置，是把封有铂电极的玻璃管浸在稀硫酸中，先由电解产生氢和氧，然后连接外部负载，这样氢和氧就发生了电池反应，产生电流。格罗夫还用这种简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1896年，提出了用煤作为燃料电

3、池的燃料，他的想法引起了公众的极大关注。但由于无法解决炭对电解质的污染，没有取得满意的效果,最终被放弃。1897年，W.Nernst(能斯特)用氧化钇和氧化锆的混合物（85% ZrO2 15% Y2O3)作为电解质，制作成了固体氧化物燃料电池（SOFC）。1900年，德国E.Baur研究小组发明了熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）。之后，Baur的学生又对MCFC进行了深入研究。1902年J.H.Reid等人采用碱性KOH溶液作为电解质，创先开始了研究碱性燃料电池（AFC）。1906年，F.Haber等人研究了H2O2燃料电池可逆电动势的热力学。他们用一个两面覆盖铂或金的玻璃圆片作为电解质，并与供

4、应气体的管子相连，被认为是固态聚合物燃料电池（SPFC）的雏形，或称为质子交换膜燃料电池（PEMFC）。第一个SPFC是于1955年由美国通用电气公司（GE）研制而成的。1932年，英国学者F.T.Bacon（培根）在前人的研究经验的基础上研制出了具有实用性的培根电池并获得专利。1959年，他还研制出一只六千瓦的燃料电池，并用它开动叉式起重车、圆锯和电焊机。培根的研究改进后在1969年为阿波罗登月计划的宇宙飞船提供动力。培根电池使燃料电池由实验走向实用，具有里程碑意义。1-220世纪60年代以来，燃料电池进入了广泛的实用性开发阶段，直至今日，燃料电池依然造福于人类。1.2燃料电池工作原理燃料电

5、池是一种能量转换装置，它按电化学原理，即原电池的工作原理，等温地把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。3-4图1 燃料电池工作原理示意图1.3燃料电池的特点（1）效率高 燃料电池工作时直接将化学能转化为电能，不受卡诺循环的限制，是一种高效的新型能源。其理论能量转化效率可达8590。但由于各种极化的限制，实际的能量转化效率约为4060。若实现热电联供或联合循环发电，燃料的总利用率则可高达80以上，远高于普通内燃机和蒸汽机的效率，而且不因负荷的变化而影响效率。5（2）环境友好燃料电池可以直接使用天然气和氢气等可燃气体作为“燃料”，也可以将甲醇、乙醇等液体燃料或煤炭等固体燃料通过特殊的装置转

6、化成一氧化碳和氢气，作为燃料电池的原料气。其中，以氢气作为原料气的燃料电池是最理想的燃料电池，在发电过程中的产物是水，这就意味着燃料电池是“零排放”。若使用其他原料气，则采取严格的脱硫和分离二氧化碳措施，几乎没有硫氧化合物和氮氧化合物的排放，二氧化碳排放量也极低，可以说是对环境没有任何污染。6（3）无噪声污染燃料电池是静止型直接发电，不存在汽轮机、发电机等机械系统，因此工作时没有机械运动所产生的噪音。它可以“静悄悄地”将燃料的化学能转化成电能，这是任何使用热机的发电方式所做不到的。若使用燃料电池，则可以大大减少城市噪声污染。（4）灵活性大、可靠性高燃料电池的发电装置由许多单元组成模块而工作，其

7、发电效率同发电装置的规模大小无关，只取决于每个独立单元的发电效率。因而尽管是小规模的发电装置也具有高的发电效率。并且它不存在汽轮机、发电机等机械系统，也就不存在零部件的疲劳、磨损等问题，大大增加了运行可靠性，且无噪声、无振动，可以直接安装在大楼内工作，省去了远距离输送线路。72. 燃料电池的分类按燃料电池的运行机理分类，有酸性燃料电池和碱性燃料电池；按燃料来源分类，有直接型燃料电池和间接型燃料电池；按工作温度分类，有低温燃料电池（工作温度一般低于100）、中温燃料电池（工作温度一般在100300）和高温燃料电池（工作温度一般在6001000）。8燃料电池按电解质不同，可分为以下五种：12.1碱

8、性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，简称AFC）碱性燃料电池在一般在65100（或220）下工作。这种电池是以KOH或NaOH等碱性溶液为电解质，电解液渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中,导电离子为OH-，使用的电催化剂主要是贵金属（如铂、钯、金、银等）和过渡金属（如镍、钴、锰等）或者由它们组成的合金。9它设计简单，但不耐CO2，所以原则上它必须采用纯氢和纯氧做为燃料。AFC中的电池反应如下：阳极(负极)：H2 + 2OH- 2H2O + 2e-阴极(正极)： 12 O2 + H2O + 2e - 2OH-电池反应：H2 + 12 O2 H2O 在电解液中，在阳极OH-离子失去电子

9、产生水，水分子迁移到阴极稀释了电解液降低了电池的电导率，因此使电池的性能退化。针对这个问题，有两种解决方法：一是循环电解液，随着水的蒸发热量也散失；另一种是循环氢气，可将水蒸气带走。2.2固体聚合物燃料电池（Solid Polymer Fuel Cell，简称SPFC）又称质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）固体聚合物燃料电池一般在在25120下工作，就设计和运行来说，SPFC是最精致的燃料电池。10SPFC中的电池反应如下:阳极：H2 2H+ + 2e-阴极：12 O2 + 2H+ + 2e- H2O电池反应：H2 + 1

10、2 O2 H2O 在电池里，质子在电解质中传导电子。从目前的技术水平看，最好的电解质材料是高氟磺酸型质子交换膜。11用于SPFC的理想的聚合物具有如下的特性：高抗氧化性、高质子电导率、高化学稳定性、高机械强度和低的密度。这些聚合物是被完全氟化的，有与聚四氟乙烯相似的主干结构。历史上SPFC有许多称谓，包括离子交换膜（IEM）、固体聚合物电解质（SPE）和质子交换膜（PEM）。其中，直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通常称为直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell简称DMFC）。DMFC的电池反应如下：阳极：CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 2e-阴极

11、：32 O2 + 6H+ + 6e- 3H2O电池反应：CH3OH + 32 O2 CO2 + 3H2O2.3磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，简称PAFC）磷酸型燃料电池一般在180210下工作，其电池反应与SPFC的电池反应相同。PAFC以磷酸作为电解液，盛在SiC制成的多孔基体中。磷酸作为电解质相对于其他酸的优点在于：耐CO2、耐低压、高温下可工作且有下良好的离子导电率、腐蚀率低、与电极的大的接触角。12对SiC基体材料的要求是：对酸有较高的吸附力；绝缘体；隔绝反应气体；高的热导率；高温化学稳定性；机械强度高。2.4熔融碳酸盐燃料电池（Molten Ca

12、rbonate Fuel Cell，简称MCFC）典型的MCFC是在1至10个大气压、大约650下工作,被称为第二代燃料电池。MCFC采用多孔Ni（或Al）作阳极，多孔Li掺杂的NiO作阴极，熔融的碳酸盐（62%Li2O3 38%K2CO3）作电解质，并加入LiAlO2做稳定剂。燃料是H2和CO的混合物，氧化剂是O2和CO2的混合物。由于H2和CO2的电化学特性，碳酸盐是唯一能够保持MCFC工作的电解质。MCFC中的电池反应如下：阳极：H2 + CO32- H2O + CO2 + 2e- （CO + CO32- 2CO2 + 2e-）阴极：12 O2 + CO2 + 2e- CO32-电池反应

13、：H2 + 12 O2 H2O （CO + 12 O2 CO2）熔融的碳酸盐有很强的腐蚀性。由于在气压减小的状况下工作，阳极比阴极具有更负的电位，因此阳极材料多孔Ni的结构是电化学稳定的。而阴极材料NiO在碳酸盐中有轻微的溶解，其溶解物在电解质中扩散并移动到Ni阳极。由于相对负电位，从NiO中溶解的Ni将电解淀积到电解质基板上，产生电子电导和因此发生电池的短路容易降低电池的寿命。13CO2的分压和电解质的碱性影响NiO的溶解，为了解决此问题，正在开发替代NiO的阴极材料。2.5固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）是全固体装

14、置，又称高温燃料电池，一般在6001000下工作。电解质采用ZrO2+Y2O3，阳极为Ni+ ZrO2（或Y2O3），阴极为La/SrMnO3。与其它类型的燃料电池的化学反应发生在气液固三相区不同，SOFC的电化学反应是发生在气固两相区，不存在电解质的腐蚀问题。两个多孔陶瓷电极被致密的氧离子导体的陶瓷电解质分开。在阳极，燃料气体（H2和CO）进入阳极与氧离子反应生成水并释放出电子进入外电路。在阴极，空气中的氧气从外电路接受电子形成氧离子。电子从阳极经外电路输送到阴极，从而产生直流电。14SOFC 中的电池反应如下：阳极：H2 + O2- H2O + 2e- （CO + O2- CO2 + 2e

15、-）（CH4 + 4O2- H2O + CO2 + 8e- ）阴极：12 O2 + 2e- O2- 电池反应: H2 + 12 O2 H2O （CO + 12 O2 CO2) （CH4 + 2O2 2H2O + CO2）引人注意的是SOFC可以使用多种燃料作为原料气，如H2、CO和CH4。根据电解质是氧离子导体还是质子导体，将SOFC分为两类。这两类电池的主要区别在于燃料电化学反应过程中生成水的区域相异，质子导体燃料电池在阴极侧生成水，而氧离子导体燃料电池在阳极侧生成水。一般只考虑固体氧离子导体作为电解质。15除上述5种外，燃料电池还有其他类型，例如生物燃料电池。其研究热点之一是开发可植入人体

16、、作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的生物燃料电池。这种电池多是以葡萄糖为燃料，氧气为氧化剂的酶燃料电池。正当研究取得进展的时候，另一种可植入人体的锂碘电池的研究取得了突破，并很快应用于医学临床。163.燃料电池的应用及发展现状燃料电池是电池的一种，它具有常规电池的特性。可以由多个电池按串联、并联的组合方式向外供电。因此，燃料电池即可以用于集中发电，也可以用作各种规格的分散电源和可移动电源。33.1碱性燃料电池（AFC）以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池是最早获得实际应用的，美国的阿波罗登月飞船和航天飞机等都采用这类燃料电池作为主要动力源，证明了燃料电池的高效、高比能量、高可靠性。目前，此类

17、燃料电池技术的发展已非常成熟并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。国内已研制出200W氨一空气的碱性燃料电池系统，制成了1kW、10kW、20kW的碱性燃料电池。碱性燃料电池在地面应用的最大缺点是对燃料纯度要求太高而且不能使用含C、CO及CO2的燃料气，使用空气也必须脱除空气中的CO2，从而限制了AFC在地面上的应用。3.2固体聚合物燃料电池（SPFC）即质子交换膜燃料电池（PEMFC）PEMFC能量转换效率高，可以在室温下快速启动，并且无电解水流失、寿命长，可按负载要求快速改变输出功率，可以用于建设分散电站，也特别是以用作可移动电源，是电动车和不依赖空气推进的潜艇动力源，也是利用氯碱厂副产物氢气

18、发电的最佳候选电源。美国于20世纪60年代就将PEMFC用于双子星座航天飞机，1999年，美国福特汽车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。17我国在2008年北京奥运会和2010年上海世博会都使用了燃料电池汽车组成“绿色车队”，为交通提供了便利，展示了中国燃料电池技术的进步。燃料电池车具有燃料电池的所有优点，并且不使用石油作燃料，对环境无污染，具有很大的发展前景，但仍需克服造价偏高的难题才有可能广泛应用。183.3磷酸型燃料电池（PAFC）以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有近百台PC25（200kW）作为分散电站在世界各地运行。不但为燃料电池电站运行取得了丰富的经

19、验，而且也证明了燃料电池的高度可靠性，可以用作不间断电源。PAFC目前在城市发电、供气及其它工业项目上广为试用，如在宾馆、医院、办公楼、工厂等地方用PAFC来进行辅助供热供电。还有一种采用生物气体的PAFC体系已被开发出来，而在废弃物质的处理方面，含有甲烷的沼气或其他有机气体已经被利用。大规模利用生物沼气的PAFC可望在将来应用于垃圾回收领域，解决一大社会难题。203.4熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤气或天然气做燃料，适宜于建造区域性分散电站。美国是从事熔融碳酸盐燃料电池最早和技术高度发展的国家之一，其研制开发的MCFC电站已在全球装机60余台，主要用于医院、宾馆

20、、大学及废水处理厂等场所示范发电。MCFC操作温度较高，可以实现热电联供与汽轮机联合循环发电，进一步提高燃料的能量转化效率。研究表明，成本和寿命是影响MCFC的主要障碍，阴极溶解、阳极蠕变、高温腐蚀和电解质损失是主要影响因素。因此，研制新的电极材料，改进密封技术将是今后一段时期的研究关键。203.5固体氧化物燃料电池（SOFC）固体氧化物燃料电池可以与煤的气化构成联合循环，适宜于建造大中型电站。国对SOFC的研究处于世界领先地位，自2000年以来，西屋公司已建成多台大型100kW250kW 固体氧化物燃料电池电站进行试验运行。SOFC电站，以阴极作支撑的管式SOFC机械强度高，热循环性能好，易

21、于组装与管理。但现有的技术如电化学气相沉积和多次高温烧结等导致阴极支撑型SOFC电池成本过高、难以推广。借助廉价的湿化学法、等离子喷涂等技术替代电化学气相沉积制备电解质薄膜，并运用改进烧结工艺、减少烧结次数等手段，有望达到大幅度降低阴极支撑管型SOFC成本的目的。204.燃料电池前景广袤针对我国目前的发展现状，燃料电池具有广阔的发展前景。随着人们生活水平的提高，科学技术的发展，氢能的使用已经使人们远远地告别了化石能源，而燃料电池技术是利用氢能最重要的技术，可以帮助人类解决能源短缺、环境污染这两大世界难题。而且，燃料电池目前在空间领域、军事领域、移动装置、居民家庭和运输等方面都以有实际应用。 2

22、1世纪的今天，这门技术依然在研制开发当中，潜力很大，相信燃料电池技术会给人们的生活带来无限的精彩。5.结束语21世纪的今天，全人类都面临着能源、环保、交通等问题的困扰，对燃料电池的开发研究以及商业化是解决世界节能和环保的重要手段。因此，世界各国都投入巨大的人力物力到这项工作中来。我们国家也应进一步加大资金投入，大力推进燃料电池在特殊领域的应用，增强我国的国防军事实力，同时，加快燃料电池民用商业化的步伐，提供高能效、环境友好的燃料电池发电技术，为建立低碳、减排、不依赖于石化能源的能量转化技术新体系做贡献，为人类可持续发展、改善人类生存环境做贡献。参 考 文 献1 孟黎清燃料电池的历史和现状J电力

23、学报，2002，17（2）：99-104.2杨润红，陈允轩，陈庚，等燃料电池的应用和发展现状J 平顶山学院学报，2006，21（2）：79-863 衣宝廉燃料电池原理技术应用M1北京：化学工业出版社，20034衣宝廉燃料电池的原理、技术状态与展望J电池工业，2003，8（1）:16-225侯侠，任立鹏燃料电池的发展趋势J 云南化工，2011，38（2）：34-366夏定国，赵煜娟，王振尧China MaterialsC 北京：出版者不详20047秦小奎，马勇中国汽车工程学会2003学术年会论文集C 北京：机械工业出版社20038王兴娟，王坤勋，刘庆祥燃料电池的研究进展及应用前景J炼油与化工，2

24、011，22（1）：6-109Pan J，Lu S F，Li Y，et alHighperformance alkaline polymer electrolyte for fuel cell applicationsJAdvanced Functional Materials，2010，20（2）：312-31910Liang D，Shen Q，Hou M，et alStudy of the cell reversal process of large area proton exchange membrane fuel cells under fuel starvationJJournal of Power Sources，2009，194（2）：847-85311Tang H，Qi Z G，Ramani M，et alPEM fuel cell cathode carbon corrosion due to the formation of air/fuel boundary at the anodeJJournal of Power Sources，2006，158（2）：1306-131212Perry M L，Patterson T，Reiser CSystem str