燃料電池概論

1、燃料電池概論王曉燕參考書目燃料電池基礎(chǔ) 王曉紅 電子工業(yè)出版社燃料電池及其應(yīng)用 隋志通 冶金工業(yè)出版社燃料電池 李玉英 冶金工業(yè)出版社燃料電池 衣寶廉 化學(xué)工業(yè)出版社問題 當(dāng)今工業(yè)能以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)電力的發(fā)電方式有幾種? 被譽為”第四種電力”的是哪種發(fā)電方式?為什么? 燃料電池為什么稱為”電池”?第一章 緒論什么是燃料電池燃料電池的發(fā)展史燃料電池的特點燃料電池的分類燃料電池的應(yīng)用1.1什么是燃料電池？ 能源問題近些年一直受到廣泛的關(guān)注，世界能源組織的調(diào)查顯示，包括煤、石油和天然氣在內(nèi)的礦物質(zhì)能源在未來的100-200年內(nèi)將被耗盡。新的能源利用技術(shù)將被不斷地開發(fā)并利用起來，燃料電池是一種潛力巨大的

2、新能源利用形式。 燃料電池與太陽能及核能相比較，沒有二氧化碳的排放，解決了火力發(fā)電污染環(huán)境的問題，是純正的綠色清潔能源。燃料電池定義 燃料電池(又稱為氫燃料電池)是一種將存在于燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣被送進燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。 燃料電池從外表上看有正負極和電解質(zhì)等，像是一個蓄電池，但實質(zhì)上它不是“儲電”裝置，而是一個小小的“發(fā)電廠”。 燃料電池單體的輸出電壓很小，約為0.7V，多以串并聯(lián)的形式制造，以增加電壓電流。 燃料電池由正負兩個電極(負極為燃料電池,正極為氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成. 燃料電池是一種高效、清潔的電化學(xué)發(fā)電裝置，目前在宇宙飛船、

3、航天飛機及潛艇動力能源方面已得到應(yīng)用，在汽車、電站及便攜式電源等領(lǐng)域成功示范，但是低成本、長壽命仍然是燃料電池商業(yè)化面臨的問題。 燃料電池是一個自動運行的發(fā)電廠，它的誕生與發(fā)展是以電化學(xué)、電催化、電極過程動力學(xué)、材料科學(xué)、化工過程和自動化等學(xué)科為基礎(chǔ)的，燃料電池是21世紀全新、高效、節(jié)能和環(huán)保的發(fā)電方式之一，有待于進一步的產(chǎn)業(yè)化。 燃料電池的燃料包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣以及汽油等等。 燃料電池的產(chǎn)物是熱量和水，這是其他動力源無法相媲美的。1.2燃料電池的發(fā)展歷史 燃料電池發(fā)展的背景：全球能源緊張，油價高漲，尋找新能源替代傳統(tǒng)能源稱為當(dāng)務(wù)之急；傳統(tǒng)能源造成的環(huán)境污染迫切要求新能源方式的開發(fā)

4、與利用；燃料電池是繼火力、水力和原子能發(fā)電后的第四代發(fā)電技術(shù)，被認為是未來最有前途的高效清潔發(fā)電技術(shù)之一。問題：傳統(tǒng)能源造成的環(huán)境污染都有哪些？ 我國是一個能源生產(chǎn)的大國，也是消費大國，人均能源資源擁有量較低，石油、天然氣的人均擁有量為世界平均水平的十五分之一；煤炭和水力的人均擁有量為世界平均水平的二分之一。 燃料電池則只要保障燃料的供給，將會源源不斷地發(fā)電。 所以，燃料電池車被稱為終極環(huán)保汽車。a.許多國家和地區(qū)將燃料電池上升為國家戰(zhàn)略，城市戰(zhàn)略，對產(chǎn)業(yè)技術(shù)進行重點扶持；b.燃料電池是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，步驟少，效率高，發(fā)電過程中沒有燃燒，沒有組件的轉(zhuǎn)動；c.燃料電池和氫能發(fā)電市場將由2

5、007年的15億美元增加到2017年的160億美元，將近翻10倍，以驚人的速度增長。 政府對燃料電池汽車的發(fā)展有非常積極的態(tài)度，同時也是和燃料電池汽車的國際化形式接軌：加州能源委員會執(zhí)行一項措施，投資5000萬美元建28座加氫站和一座流動加燃料車。日本對以氫為燃料的第二代環(huán)保汽車提供每輛車12-18萬元的補助。我國對符合國家標準且加氫能力不少于200公斤的新建燃料電池加氫站每站獎勵400萬元。 燃料電池發(fā)展歷史： 燃料電池在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化之前，已經(jīng)經(jīng)歷了非常長的歷史：1839年格羅夫發(fā)明了第一個燃料電池，把封有鉑電極的玻璃管浸在稀硫酸中，電解產(chǎn)生氫和氧，連接外載荷后，產(chǎn)生電池反應(yīng)。 格羅夫預(yù)見到

6、，如果氫可以被煤、木材或其他易燃材料替代，燃料電池 就可以作為 一種商業(yè)化的電源。1935年固體氧化物燃料電池的理論發(fā)表，37年制造出第一個實用型的固體氧化物燃料電池。1950年培根制作了堿性燃料電池，從此燃料電池有了屬于自己的名字，在60年代早期第一個應(yīng)用于太空計劃，改造的培根燃料電池被作為阿波羅登月計劃宇宙飛船的電池，由實驗走向應(yīng)用，具有里程碑意義。60年代美國通用電氣公司為NASA開發(fā)出世界上第一個固體聚合物的燃料電池。70年代后期，人們開始考慮用燃料電池作為固定發(fā)電機能源，氫能經(jīng)濟的概念出現(xiàn)。多種燃料電池汽車公開示范。90年代后期，小型燃料電池取代蓄電池的可能性被得到證實，如冰島政府建

7、議利用地?zé)崮馨l(fā)展本國經(jīng)濟。1.3燃料電池的特點能量轉(zhuǎn)化效率高； 燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率高達70%左右，一般的能源利用方式的轉(zhuǎn)換效率在30%左右 它是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過燃燒過程，不受卡諾循環(huán)的限制，無機械振動。有害氣體硫化物及氮化物、噪音的排放都很低； 二氧化碳的排放量隨能量轉(zhuǎn)換效率高而大幅度降低。燃料的適用范圍廣。積木化強。 可以規(guī)?；惭b地點靈活，占地面積小，建設(shè)周期短，功率可調(diào)，燃料電池適合于小區(qū)、工廠和獨立電站、集中式電站和分布式發(fā)電等。負荷響應(yīng)快，運行質(zhì)量高。 數(shù)秒內(nèi)便可以從最低功率變換到額定功率。1.4燃料電池的分類運行機理（工作原理）不同：酸性燃料電池和堿性燃料電池電

8、解質(zhì)的種類：質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池燃料的不同：氫燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池和乙醇燃料電池工作溫度：低溫燃料電池、中溫燃料電池、高溫燃料電池a.低溫燃料電池 工作溫度低于200 ，必須采用鉑催化劑，如質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池。b.中溫燃料電池 工作溫度為200 -750 ，如磷酸型燃料電池c.高溫燃料電池： 工作溫度高于750 ，可以不采用催化劑，如固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池。開發(fā)的順序第一代：堿性燃料電池AFC第二代：熔融碳酸鹽燃料電池MCFC第三代：固體氧化物燃料電池SOFC第四代：磷酸型燃料電池PAFC第五代

9、：質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC1.5燃料電池的應(yīng)用 燃料氫 作為燃料的氫與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能驅(qū)動汽車或筆記本及電腦等。 氫被認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗祟愒?00年前就對氫產(chǎn)生了興趣，20世紀70年代，世界上許多國家和地區(qū)開展了氫能的研究。 氫的燃燒值高，每千克氫產(chǎn)生的熱量為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氫燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最為干凈的能源。 氫是自然界存在最普遍的元素，資源豐富（占宇宙質(zhì)量的75%），可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源(如把海水中的氫全部提取出來,產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍)，水氫水演繹了自然

10、界的物質(zhì)循環(huán)利用和持續(xù)發(fā)展的經(jīng)典過程。 氫在自然界里主要存在于空氣中和水中. 氫的主要來源有:電解水制氫、礦物燃料制氫、生物質(zhì)制氫、其他含氫物質(zhì)制氫、化工過程的副產(chǎn)品 目前95%的氫來源于石油化工業(yè)。 我國氫氣產(chǎn)量世界第一：全世界最大的制氫工業(yè)在鄂爾多斯，用煤制氫，年產(chǎn)量在18萬噸左右。 儲氫材料的產(chǎn)銷量世界第一：中國和日本兩大國幾乎包攬了全世界金屬儲氫材料的生產(chǎn) 甲醇、天然氣和汽油也可以替代氫，不過將會產(chǎn)生極少量的二氧化碳和氮氧化物，但總體來說這類化學(xué)反應(yīng)除了電能就只產(chǎn)生水。 應(yīng)用 日本東芝(toshiba)公司開發(fā)出小型直燃式甲醇燃料電池，可替代手機、筆記本電腦和pda等便攜設(shè)備的鋰離子電

11、池.該電池平均輸出功率12w，最大20w，工作時間約5小時。尺寸275x75x40mm，重量900g，額定電壓11v。這種電池也可以替代鋰離子電池。 三星方面稱這是目前最好的軍用燃料電池，性能提升了54%以上，續(xù)航時間則可提升7到8倍。三星的這款軍用燃料電池重量只有3.5千克，夠一個士兵正常使用3天（72個小時）以上。同類產(chǎn)品續(xù)航時間如果達到72小時，重量則要達到8千克到10千克。 英國公司推出了一款名為UPP的氫燃料電池充電器。這款UPP電池可為智能手機提供平均一周電力，相當(dāng)于約900小時額外待機，32個小時額外通話時間，26個小時額外視頻，或40小時額外網(wǎng)頁瀏覽時間。這款設(shè)備還擁有保護裝置

12、，當(dāng)給移動設(shè)備充滿電時，UPP將自動關(guān)閉。這款設(shè)備還附帶一個應(yīng)用程序，可以控制移動設(shè)備的充電程度。 氫動三號”是首款在日本獲得綠色商用牌照的燃料電池車，也是首輛得到公路行駛許可的液氫燃料電池汽車。 公司:通用亞太日本有限公司車重:1750千克乘員:5最大速度:160km/h 行使里程:400km燃料類型:氫氣 燃料電池型號:質(zhì)子交換膜燃料電池燃料貯存容量:68L 據(jù)估算”氫動三號”所需成本是傳統(tǒng)動力車成本的三至四倍,其原因之一是關(guān)鍵部件上采用了昂貴的原材:鉑金(燃料電池)、碳纖維（高壓儲氫罐） 2005年通用汽車氫燃料電池車sequel在北美國際汽車展上首次亮相，同年4月駛?cè)肷虾H車展，堪稱

13、當(dāng)時上海車展“科技含金量最高的展車”。 Sequel一次加氫可連續(xù)行使480km，0-100km/h加速只需10秒，與普通的內(nèi)燃發(fā)動機汽車非常接近，是全球第一輛能連續(xù)長距離行使且性能出色的燃料電池車。 奔馳新型燃料電池車B級F-Cell，馬達輸出功率達100kW以上，比“A級車”的燃料電池車“F-Cell”高35kW以上。 2011年1月完成了B-Cell燃料電池車的環(huán)球之旅，125天穿越了4個大洲14個國家，途徑上海。 動力可與2.0排量發(fā)動機媲美，續(xù)航里程400km，每次充滿燃料僅需3分鐘，非常適合日常使用。 超越二號于2004年在上海市工業(yè)博覽會上現(xiàn)身，是同濟大學(xué)在2003年研制出中國首

14、量燃料電池轎車“超越一號”后的又一杰作。 超越二號喝的是氫氣，經(jīng)過低溫燃燒，產(chǎn)生電能從而驅(qū)動汽車，吐出來的是純水，沒有任何污染。 最高時速達118km，從0加速到最高時速耗時24.8s,續(xù)航里程為168km。 本田氫動力車FCX在2006年公布，2008年正式推出。作為氫能源汽車，它可以用高壓方式儲存氫燃料。其單位重量能儲存的能量肯定是要大于現(xiàn)有的化學(xué)電池的，只需要5分鐘就可以加滿氫氣，理想續(xù)航里程達到620公里，而實測續(xù)航里程也能達到380公里以上，具備有很高的實用性。 豐田Mirai是一款氫燃料電池車，于2014年12月15日在日本正式上市。豐田Mirai的動力系統(tǒng)由氫氧化學(xué)反應(yīng)的燃料電池

15、組、交流電機和儲氫罐組成，該系統(tǒng)最大功率可以達到114千瓦。官方數(shù)據(jù)顯示，該車的續(xù)航里程可以達到482公里左右。 2015上海車展上大眾首次在中國發(fā)布全新高爾夫SportVariant HyMotion氫燃料電池車，最大功率99kW，0-100km/h加速時間為10秒，擁有500km的續(xù)航里程。當(dāng)氫氣用盡時，僅需要3分鐘便可充滿。 2014洛杉磯車展上，奧迪正式發(fā)布了A7 Sportback h-tron quattro概念車，該車最大的特點就是搭載了氫燃料電池的動力系統(tǒng)。車尾處XX TFSI的標識被h-tron取代，以表明其氫燃料電池車身份。配有四個氫氣罐，其百公里氣耗約為1千克。若氫氣全部

16、用盡，充滿僅需3分鐘，這也是燃料電池車相對于純電動車的最大優(yōu)勢。 世界上第一輛量產(chǎn)版氫燃料電池車2013年2月在現(xiàn)代汽車韓國蔚山工廠正式下線?，F(xiàn)代Tucson FCEV氫燃料電池單元可提供最大功率134馬力。該車最大行駛里程可達300英里，且氫燃料電池的填充僅需不到10分鐘即可完成，方便快捷。 2012年同濟主持研制首架純?nèi)剂贤瑵鞒盅兄剖准芗內(nèi)剂想姵責(zé)o人機電池?zé)o人機“飛躍一號飛躍一號”試飛成功。試飛成功。，“飛躍一號飛躍一號”翼展翼展5 5米，起飛重量米，起飛重量2020公斤，有效載荷公斤，有效載荷1 1公斤，巡航速度為公斤，巡航速度為3030公里每小時，飛行高度小于公里每小時，飛行高度小于2 2千米，千米，續(xù)航時間續(xù)航時間2 2小時。它使用一個小時。它使用一個1 1千瓦的千瓦的質(zhì)子交換膜燃料電池作為動力。質(zhì)子交換膜燃料電池作為動力。 美軍開發(fā)使無人機“全球鷹”連續(xù)飛行數(shù)周的燃料電池。位于科羅拉多州的美國空軍學(xué)院早在90年代就已涉足無人機氫燃料電池及儲氫材料的研制。 2012 2012年美國空軍年美國空軍“掃描鷹掃描鷹”無人無人機使用氫動力燃料電池成功完成了飛機使用氫動力燃料電池成功完成了