燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀和研究進(jìn)展

1、.wd.wd.wd.應(yīng)用電化學(xué)論文作業(yè)題目 燃料電池的開(kāi)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí) 制藥134班姓名 郭瑩瑩摘要燃料電池是一種清潔高效的能源利用方式，它是一種能夠持續(xù)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。開(kāi)展燃料電池對(duì)于改善環(huán)境和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)開(kāi)展有重要意義。本文介紹了燃料電池的工作原理、分類(lèi)及燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)闡述了燃料電池現(xiàn)在的開(kāi)展現(xiàn)狀和未來(lái)研究前景的展望。關(guān)鍵詞：燃料電池 轉(zhuǎn)換裝置 應(yīng)用 開(kāi)展1 燃料電池的工作原理及分類(lèi)燃料電池( Fuel Cell，F(xiàn)C) 是把燃料中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反響直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。按電解質(zhì)分類(lèi)，燃料電池一般包括質(zhì)子交換膜燃料電池(

2、Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料電池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、堿性燃料電池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固體氧化物燃料電池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸鹽燃料電池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，主要部件包括: 膜電極組件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、雙極板及密封元件等。膜電極組件是電化學(xué)反響的核心部件，由陰陽(yáng)極多

3、孔氣體擴(kuò)散電極和電解質(zhì)隔膜組成。電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反響與氧復(fù)原反響，電子通過(guò)外電路作功，反響產(chǎn)物為水。額定工作條件下，一節(jié)單電池工作電壓僅為07 V 左右。為了滿(mǎn)足一定應(yīng)用背景的功率需求，燃料電池通常由數(shù)百個(gè)單電池串聯(lián)形成燃料電池堆或模塊。因此，與其它化學(xué)電源一樣，燃料電池的均一性非常重要。燃料電池發(fā)電原理與原電池類(lèi)似( 見(jiàn)圖1) ，但與原電池和二次電池對(duì)比，需要具備一相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，通常包括燃料供給、氧化劑供給、水熱管理及電控等子系統(tǒng)，其工作方式與內(nèi)燃機(jī)類(lèi)似。理論上只要外部不斷供給燃料與氧化劑，燃料電池就可以續(xù)發(fā)電。圖1 PEMFC 根本原理燃料電池從創(chuàng)造至今已經(jīng)經(jīng)歷了 100 多

4、年的歷程。于能源與環(huán)境已成為人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以存在的重點(diǎn)問(wèn)題。近20 年以來(lái)，燃料電池這種高效、干凈的能量轉(zhuǎn)化裝置得到了各國(guó)政府、開(kāi)發(fā)商及研究機(jī)構(gòu)的普遍重視。燃料電池在交通運(yùn)輸、 便攜式電源、分散電站、航空及水下潛器等民用與軍用領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，燃料電池汽車(chē)、電站及便攜式電源等均處于示范階段，在商業(yè)化道路上還需要解決成本、壽命等一些瓶頸問(wèn)題。成本和壽命是相互聯(lián)系的，同時(shí)滿(mǎn)足兩者需求是實(shí)現(xiàn)民用燃料電池應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)。航天飛機(jī)、潛艇動(dòng)力用燃料電池目前國(guó)際上均已應(yīng)用，在只側(cè)重壽命、可靠性的特殊領(lǐng)域，現(xiàn)有燃料電池技術(shù)是可以滿(mǎn)足應(yīng)用需求的。因此，據(jù)不同的應(yīng)用背景采用不同的技術(shù)路線(xiàn)，是制定燃

5、料電池技術(shù)開(kāi)展戰(zhàn)略的重要根基。2 燃料電池的優(yōu)點(diǎn)燃料電池作為第四種發(fā)電方式的裝置，與其他幾種發(fā)電方式對(duì)比起來(lái)有以下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：1燃料電池是通過(guò)燃料與氧化劑的化學(xué)反響直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，沒(méi)有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，因而這種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)50。還可回收發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的余熱。假設(shè)把產(chǎn)生的余熱再用于發(fā)電或供暖、供水等，綜合考慮效率能到達(dá)80。2燃料電池發(fā)電過(guò)程，機(jī)械部件很少，噪聲低；化學(xué)反響的排出物主要是水蒸氣等干凈的氣體，不會(huì)污染環(huán)境。在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，燃料電池的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)尤其可貴。3燃料電池中所使用的燃料，既可是天然氣、煤氣和液化燃料，也可以是甲醇、沼氣乃至木柴。可根據(jù)不同地區(qū)

6、的具體情況，選用不同的燃料用于燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，這可廣開(kāi)燃料來(lái)源途徑，緩解能源緊張。4燃料電池從中斷運(yùn)轉(zhuǎn)到再啟動(dòng)，輸電能力上升速度快，并可在短時(shí)間內(nèi)增加和減少電力輸出。因此將這種發(fā)電系統(tǒng)與其他輸電網(wǎng)連接使用最為有利，可隨時(shí)補(bǔ)充電網(wǎng)在用電頂峰時(shí)所需的局部電能。5燃料電池本身為一個(gè)“組合體，所用部件可事先在工廠生產(chǎn)，然后組裝；它的體積小，拆裝都很方便，這可節(jié)省建電站的時(shí)間。3 燃料電池的應(yīng)用和研究進(jìn)展堿性燃料電池( A F C ) 是最早開(kāi)發(fā)的燃料電池技術(shù),在20世紀(jì)60年代就成功的應(yīng)用于航天飛行領(lǐng)域。磷酸型燃料電池( P A F C ) 也是第一代燃料電池技術(shù)，目前最為成熟的應(yīng)用技術(shù)，經(jīng)進(jìn)入了

7、商業(yè)化應(yīng)用和批量生產(chǎn)。由于其成本太高,目前只能作為區(qū)域性電站來(lái)現(xiàn)場(chǎng)供電、供熱。熔融碳酸型燃料電池( MC F C ) 是第二代燃料電池技術(shù),主要應(yīng)用于設(shè)備發(fā)電。固體氧化物燃料電池( S O F C ) 以其全固態(tài)構(gòu)造、更高的能量效率和對(duì)煤氣、天然氣、混合氣體等多種燃料氣體廣泛適應(yīng)性等突出特點(diǎn),開(kāi)展最快,應(yīng)用廣泛, 成為第三代燃料電池。前正在開(kāi)發(fā)的商用燃料電池還有質(zhì)子交換膜燃料電池( P E MF C ) 。它具有較高的能量效率和能量密度,體積重量小,冷啟動(dòng)時(shí)間短,運(yùn)行安全可靠。另外,由于使用的電解質(zhì)膜為固態(tài),可防止電解質(zhì)腐蝕。燃料電池技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)已取得了重大進(jìn)展,技術(shù)逐漸成熟,并在一定程度

8、上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。作為 21世紀(jì)的高科技產(chǎn)品,燃料電池已應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、能源發(fā)電、船舶工業(yè)、航空航天、家用電源等行業(yè)，受各國(guó)政府的重視。下面主要介紹幾種目前研究較熱的燃料電池。3.1 固體氧化物燃料電池SOFC固體氧化物燃料電池( S O F C ) 是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置,具有一般燃料電池的構(gòu)造。固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質(zhì),在高溫 800 1 000下操作,反響氣體不直接接觸,因此可以使用較高的壓力以縮小反響器的體積而沒(méi)有燃燒或爆炸的不安全。目前正在研制開(kāi)發(fā)的新一代固體氧化物燃料電池,其特征是基于薄膜化制造技術(shù),是典型的高溫陶瓷膜電

9、化學(xué)反響器,我們可稱(chēng)其為陶瓷膜燃料電池。這種提法不同于燃料電池的一般命名法,更著眼于電解質(zhì)材料和構(gòu)型的設(shè)計(jì)。我國(guó)已成功研制了中溫( 500 750) 陶瓷膜燃料電池的關(guān)鍵材料,開(kāi)展了多種薄膜化技術(shù)(流延法、絲網(wǎng)印刷法、懸浮粒子法、靜電噴霧法、化學(xué)氣相淀積法等) ,獲得了厚度5 20 m的薄層固體電解質(zhì),比傳統(tǒng)工藝制造的150 200 m電解質(zhì)薄板減薄了一個(gè)數(shù)量級(jí),單電池的輸出功率到達(dá)了 500 600 mW/c m 2。燃料氣除氫氣以外,還可以直接以天然氣、生物質(zhì)氣為原料。最近,西門(mén)子-西屋公司已經(jīng)完成了以天然氣為燃料,內(nèi)重整的 100 k W級(jí)管狀電池的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)電系統(tǒng), 試運(yùn)行了 4 00

10、0 h , 電池輸出功率達(dá)127 k W,電效率為 53%。3.2 氫燃料電池RFC氫燃料電池是使用 HYPERLINK :/baike.baidu /view/34554.htm t _blank 氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其 根本原理是電解水的逆反響，把氫和氧分別供給陰極和陽(yáng)極，氫通過(guò)陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反響后，放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陽(yáng)極。20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。進(jìn)入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，很快，氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車(chē)。大型電站，無(wú)論是

11、水電、火電或核電，都是把發(fā)出的電送往電網(wǎng)，由電網(wǎng)輸送給用戶(hù)。但由于各用電戶(hù)的負(fù)荷不同，電網(wǎng)有時(shí)呈現(xiàn)為頂峰，有時(shí)那么呈現(xiàn)為低谷，這就會(huì)導(dǎo)致停電或電壓不穩(wěn)。另外，傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)消耗大量的能源和排放大量的有害物質(zhì)。而使用氫燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)展燃燒， HYPERLINK :/baike.baidu /view/1866350.htm t _blank 能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%80%，而且污染少、噪音小，裝置可大可小，非常靈活。氫的化學(xué)特性活潑，它可同許多金屬或合金化合。某些金屬或合金吸收氫之后，

12、形成一種金屬氫化物，其中有些金屬氫化物的氫含量很高，甚至高于液氫的密度，而且該金屬氫化物在一定溫度條件下會(huì)分解，并把所吸收的氫釋放出來(lái)，這就構(gòu)成了一種良好的貯氫材料。3.3 直接甲醇燃料電池DMFC直接甲醇燃料電池Direct Methanol Fuel Cell，DMFC屬于 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1081541.htm t _blank 質(zhì)子交換膜燃料電池Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC中的類(lèi)，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來(lái)源，而不需通過(guò)甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。相較于質(zhì)子交換膜燃料

13、電池(PEMFC) ，直接甲醇燃料電池 (DMFC) 具備低溫快速啟動(dòng)、燃料干凈環(huán)保以及電池構(gòu)造簡(jiǎn)單等特性。這使得直接甲醇燃料電池 (DMFC)可能成為未來(lái)便攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。這種電池的期望工作溫度為120，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。不過(guò)，這種增加的成本可以因方便地使用液體燃料和勿需進(jìn)展重整便能工作而相形見(jiàn)絀。直接甲醇燃料電池使用的技術(shù)仍處于其開(kāi)展的早期，但已成功地顯示出可以用作移動(dòng) 和膝上型電腦的電源，將來(lái)還具有為指定的終端用戶(hù)使用的潛力。4 燃料電池商業(yè)化前景由于燃料

14、電池需要甲醇、烴類(lèi)等燃料、催化劑以及聚合物電池膜等,燃料電池的市場(chǎng)化給化學(xué)品生產(chǎn)商、能源公司以及汽車(chē)制造商的合作創(chuàng)造了機(jī)遇,帶來(lái)了豐厚利潤(rùn)。隨著燃料電池技術(shù)的迅速開(kāi)展,新型電池材料的需求增長(zhǎng)。使用熱固性材料、熱塑性塑料、彈性體、納米纖維和其它材料( 如炭黑、鎳和鉑) 可提高燃料電池導(dǎo)電率、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性,同時(shí)使其塑性變形小、尺寸穩(wěn)定且能阻燃。燃料電池生產(chǎn)商對(duì)這些材料特別感興趣,現(xiàn)在許多制造商正加緊開(kāi)發(fā)高性能電池材料。泰科納工程塑料公司擬把工程塑料用于燃料電池上,除了耐化學(xué)品和有極好的物理性能外,該聚合物還可降低生產(chǎn)成本,大大減輕重量。另外,適用的聚合物還有聚甲醛、聚苯硫醚和液晶聚合物等。綜

15、上所述,燃料電池在電池材料及燃料制備技術(shù)上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但規(guī)?；瘧?yīng)用還需要在高技術(shù)化和低成本化方面做更多的工作,才能進(jìn)一步推向市場(chǎng)。5 結(jié)論燃料電池經(jīng)過(guò)近半個(gè)多世紀(jì)的開(kāi)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在航天飛機(jī)宇宙飛船及潛艇等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，而民用方面由于受壽命與成本的制約，至今在電動(dòng)汽車(chē)電站便攜式電源或充電器等各行業(yè)還處于示范階段。未來(lái)我國(guó)應(yīng)大力推進(jìn)燃料電池在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防軍事實(shí)力；同時(shí)，要集中解決壽命與成本兼參謀題，從材料部件系統(tǒng)等三個(gè)層次進(jìn)展技術(shù)改良與創(chuàng)新，加快燃料電池民用商業(yè)化步伐，提供高能效環(huán)境友好的燃料電池發(fā)電技術(shù)，為建設(shè)低碳減排不依賴(lài)于化石能源的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)新體系做奉獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)

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