燃料電池前沿技術(shù)

1、燃料電池前沿技術(shù)Fuel Cell Front Technology 目錄引言引言燃料電池的發(fā)展歷史燃料電池的發(fā)展歷史燃料電池的特點優(yōu)勢燃料電池的特點優(yōu)勢燃料電池的分類燃料電池的分類燃料電池的工作原理燃料電池的工作原理氫氫-氧燃料電池氧燃料電池磷酸型燃料電池磷酸型燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池可逆式質(zhì)子交換膜型再生氫氧燃料電池研究可逆式質(zhì)子交換膜型再生氫氧燃料電池研究生物燃料電池技術(shù)研究有新突破生物燃料電池技術(shù)研究有新突破國外燃料電池技術(shù)發(fā)展迅猛國外燃料電池技術(shù)發(fā)展迅猛我國燃料電池的發(fā)展狀況我國燃料電池的發(fā)展

2、狀況大力發(fā)展燃料電池技術(shù)勢在必行大力發(fā)展燃料電池技術(shù)勢在必行引言 能源是經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，沒有能源工業(yè)的發(fā)展就沒有現(xiàn)代文明。人類為了更有效地利用能源一直在進行著不懈的努力。歷史上利用能源的方式有過多次革命性的變革，從原始的蒸汽機到汽輪機、高壓汽輪機、內(nèi)燃機、燃氣輪機，每一次能源利用方式的變革都極大地推進了現(xiàn)代文明的發(fā)展。 隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展，人們逐漸認識到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。一是儲存于燃料中的化學(xué)能必需首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機端所獲得的效率只有3335%，一半以上的能量白白地損失掉了；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了巨量

3、的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。對于發(fā)電行業(yè)來說，雖然采用的技術(shù)在不斷地升級，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機組，開發(fā)出了流化床燃燒和整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，但這種努力的結(jié)果是：機組規(guī)模巨大、超高壓遠距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率仍然只有35%左右，大規(guī)模的污染仍然沒有得到根本解決。多年來人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環(huán)境的能源利用方式。這就是燃料電池發(fā)電技術(shù)。燃料電池的發(fā)展歷史燃料電池的發(fā)展歷史 1839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃

4、料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機和電極過程動力學(xué)的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀50年代才有了實質(zhì)性的進展，英國劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應(yīng)用于阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時，兆瓦級的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領(lǐng)域中得到應(yīng)用。近二三十年來，由于一次能源的匱乏和環(huán)境保護的突出，要求開發(fā)利用新的清潔再生能源。燃料電池由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點而受到世界各國的普遍重視。美國礦物能源

5、部長助理克.西格爾說：“燃料電池技術(shù)在21世紀上半葉在技術(shù)上的沖擊影響，會類似于20世紀上半葉內(nèi)燃機所起的作用?！备Ｌ仄嚬局鞴躊NGV經(jīng)理鮑伯.默爾稱，燃料電池必會給汽車動力帶來一場革命，燃料電池是唯一同時兼?zhèn)錈o污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續(xù)工作和積木化的動力裝置。預(yù)期燃料電池會在國防和民用的電力、汽車、通信等多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。美國Arthur D.Little公司最新估計，2000年燃料電池在能源系統(tǒng)市場將提供1 5002 000MW動力，價值超過30億美元，車輛市場將超過20億美元；2007年燃料電池在運輸方面的商業(yè)價值將達到90億美元。 燃料電池的特點優(yōu)勢1.能量轉(zhuǎn)換效率高

6、能量轉(zhuǎn)換效率高燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率比熱機和發(fā)電機能量轉(zhuǎn)換效率高得多。目前汽輪機或柴油機的效率最大值為4050%，當用熱機帶動發(fā)電機時，其效率僅為3540%，而燃料電池的有效能效可達6070%，其理論能量轉(zhuǎn)換效率可達90%。其他物理電池，如溫差電池效率為10%，太陽能電池效率為20%，均無法與燃料電池相比。2.污染小、噪聲低污染小、噪聲低燃料電池作為大、中型發(fā)電裝置使用時其突出的優(yōu)點是減少污染排放(表3)。對于氫燃料電池而言，發(fā)電后的產(chǎn)物只有水，可實現(xiàn)零污染。另外，由于燃料電池無熱機活塞引擎等機械傳動部分，故操作環(huán)境無噪聲污染。 3.高度可靠性高度可靠性燃料電池發(fā)電裝置由單個電池堆疊至所需規(guī)模的

7、電池組構(gòu)成。由于這種電池組是模塊結(jié)構(gòu)，因而維修十分方便。另外，當燃料電池的負載有變動時，它會很快響應(yīng)，故無論處于額定功率以上過載運行或低于額定功率運行，它都能承受且效率變化不大。這種優(yōu)良性能使燃料電池在用電高峰時可作為調(diào)節(jié)的儲能電池使用。4.比能量或比功率高比能量或比功率高5.適用能力強適用能力強燃料電池可以使用多種多樣的初級燃料，如天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油；也可使用發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料，如褐煤、廢木、廢紙，甚至城市垃圾，但需經(jīng)專門裝置對它們重整制取。雖然燃料電池有上述種種優(yōu)點，然而由于技術(shù)問題，至今一切已有的燃料電池均還沒有達到大規(guī)模民用商業(yè)化程度。為此，美、日等國相繼撥出巨資來發(fā)

8、展燃料電池。燃料電池的分類燃料電池的分類按燃料類型按燃料類型 直接型直接型間接型間接型 再生型再生型按開發(fā)早晚順序按開發(fā)早晚順序第一代第一代FC：磷酸鹽型燃料電池：磷酸鹽型燃料電池(PAFC)第二代第二代FC：熔融碳酸鹽型燃料電池：熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)第三代第三代FC：固體氧化物型燃料電池：固體氧化物型燃料電池(SOFC)按工作溫度的不同按工作溫度的不同低溫燃料電池低溫燃料電池高溫燃料電池高溫燃料電池（面向高質(zhì)量排氣而進行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池（面向高質(zhì)量排氣而進行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池）堿性燃料電池堿性燃料電池（AFC）（100）質(zhì)子膜燃料電池質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC）（100以內(nèi)）以

9、內(nèi)）熔融碳酸鹽型燃料電池熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）（650）固體氧化型燃料電池固體氧化型燃料電池（SOFC）（1000）中溫燃料電池磷酸型燃料電池磷酸型燃料電池（PAFC）（200）目前，有5種已知的燃料電池類型。其名稱與采用的相應(yīng)的電解質(zhì)有關(guān)。（1）堿性燃料電池（AFC）采用氫氧化鉀溶液作為電解液。 這種電解液效率很高（可達60一90），但對影響純度的雜質(zhì)，如二氧化碳很敏感。因而運行中需采用純態(tài)氫氣和氧氣。這一點限制了將其應(yīng)用于宇宙飛行及國際工程等領(lǐng)域。 （2）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)。這種電解質(zhì)具有高功率一重量比和低工作溫度。是適用于固定和移動裝

10、置的理想材料。（3）磷酸燃料電池（PAFC）采用200高溫下的磷酸作為其電解質(zhì)。很適合用于分散式的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（4）熔融碳酸燃料電池（MCFC）的工作溫度可達650。這種電池的效率很高，但材料需求的要求也高。 （5）固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）采用的是固態(tài)電解質(zhì)（鉆石氧化物），性能很好。他們需要采用相應(yīng)的材料和過程處理技術(shù)，因為電池的工作溫度約為1000。 燃料電池的工作原理燃料電池的工作原理燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料

11、電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。 先以氫-氧燃料電池為例:氫-氧燃料電池反應(yīng)原理這個反映是電解水的逆過程。電極為： 負極： H2 + 2OH- 2H2O + 2e- 正極： 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH- 電池反應(yīng)：H2 + 1/2O2=H2O 在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移動到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e- 經(jīng)由外部的負荷回路，再返回到空氣

12、極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e- 不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外沒有其他的反應(yīng)，H2 所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。 氫氧燃料電池組成和反應(yīng)循環(huán)圖燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。在實用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反

13、應(yīng)中與氫離子（H+）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：燃料極：H2 =2H+ + 2e- （1） 空氣極：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2） 全體：H2+1/2O2 = H2O （3）引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應(yīng)面積成比。 單電極組裝示意圖 PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。

14、電極均采用碳的多孔體，為了促進反應(yīng)，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應(yīng)用中必須限制燃料氣體中含有的CO 量，特別是對于低溫工作的PEMFC更應(yīng)嚴格地加以限制。 磷酸型燃料電池基本組成和反應(yīng)原理磷酸燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。 磷酸型燃料電池磷酸型燃料電池質(zhì)子交換膜燃

15、料電池質(zhì)子交換膜燃料電池 質(zhì)子交換膜燃料電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì),無電解質(zhì)腐蝕問題，能量轉(zhuǎn)換效率高，無污染，可室溫快速啟動。質(zhì)子交換膜燃料電池在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是電動車的最佳驅(qū)動電源。它已成功地用于載人的公共汽車和奔馳轎車上。 熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池 MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)（通常是為Li與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)在MCFC約600700 的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導(dǎo)電體。電極

16、為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。 固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池 SOFC是以陶瓷材料為主構(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2 (氧化鋯)，它構(gòu)成了O2- 的導(dǎo)電體Y 2O3 （氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3 (氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3 (氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同，電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開發(fā)出了為避免應(yīng)力集中的圓筒型。 可逆式質(zhì)子交換膜型再生氫氧燃料電池研究可逆式質(zhì)子交換膜型再生

17、氫氧燃料電池研究ResearchofReversibleProtonExchangeMembraneRegenerativeFuelCells平流層定點氣球、衛(wèi)星、空間站等太空飛行器在軌道上運行時存在向日和背日工作狀態(tài);僅依靠太陽能電池不能滿足連續(xù)供電的需要,必須裝備儲能電池;即向日時利用太陽能對儲能電池充電,背日時依靠儲能電池供電。再生氫氧燃料電池(RFC)工作原理是將水電解技術(shù)與氫氧燃料電池技術(shù)相結(jié)合,使2H2+O22H20+電能與電能+2H2O2H2+O2過程得以循環(huán)進行,使氫氧燃料電池的燃料H2、氧化劑O2可通過水電解過程得以“再生”,起到蓄能作用。 RFC與太陽能電池配套,即構(gòu)成可靠

18、的空間站供電系統(tǒng)。RFC作為蓄能元件與目前已應(yīng)用的Ni-Cd電池、Ni-H2電池相比,具有更高的比能量及比功率,使用中無自放電,而且不受放電深度及電池容量的限制,所產(chǎn)生的高壓H2、O2可用于空間站及衛(wèi)星的姿態(tài)和環(huán)境控制;儲能物質(zhì)又是極為安全廉價的純水,運送補給方便。是一種具有廣闊發(fā)展前途的新型儲能電池。其中最先進的形式為可逆式，可逆式RFC的電池可以以燃料電池模式或電解模式工作，將原先的燃料電池與水電解池以一個雙效電池替代,減輕了系統(tǒng)重量,提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)比能量。質(zhì)子交換膜型再生氫氧燃料電池（PEMRFC）除具有一般RFC的優(yōu)點外，還可以低溫啟動，無電解質(zhì)腐蝕問題，對環(huán)境沒有污染以及高

19、的能量密度和功率密度 。生物燃料電池技術(shù)研究有新突破生物燃料電池技術(shù)研究有新突破 牛津大學(xué)Kylie Vincent博士和其同事以酶為基礎(chǔ)研制成一種燃料電池，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)燃料電池便宜很多倍。鉑催化劑和交換膜片是燃料電池最昂貴的組分，這也是燃料電池難以推廣的原因之一。但是，在Vincent博士研制的燃料電池中既沒有鉑催化劑，也沒有交換膜片，而是利用兩種廉價的酶：一種是取自細菌的氫化酶，另一種是取自真菌的蟲漆酶，它們能參加與催化劑相同的反應(yīng)。每個電極上覆蓋有這兩種酶中的一種。由于每一種酶能加速自身的反應(yīng)，因此這種生物燃料電池不需要膜片，因為“燃燒”的兩種成分空氣和氫氣在燃料電池中能自由混合。試驗樣品

20、是一個帶有兩個電極的簡單玻璃瓶，電極上覆蓋有酶，研究人員在試驗樣品上加上空氣和少量（百分之幾）氫氣混合物時，即成功地獲得了電流。 國外燃料電池技術(shù)發(fā)展迅猛 發(fā)達國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)，現(xiàn)在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題，2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達國家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運算繪圖及文書處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習慣的信息革命。燃料電池的高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢頭快步進入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。 東芝ONSI PC25C型電站 安裝在美國Cinergy的Ballard燃料電池裝置