燃料電池的發(fā)展和應用

燃料電池的發(fā)展和應用摘要：燃料電池涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等學科的有關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點?？偟膩碚f，燃料電池具有以下特點：能量轉(zhuǎn)化效率高；它直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池系統(tǒng)的燃料一電能轉(zhuǎn)換效率在45%?60%,而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%?40%。安裝地點靈活；燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。本文介紹了燃料電池的發(fā)展歷程和應用前景，并就其原理以及不足進行了相關(guān)討論。關(guān)鍵詞：燃料電池；效率；安全性；實際應用目錄一、 燃料電池的組成二、 燃料電池的原理與特點三、 燃料電池的分類堿性燃料電池血糖燃料電池四、 燃料電池的優(yōu)缺點五、 前景展望六、 參考文獻正文―、燃料電池的組成燃料電池的主要構(gòu)成組件為：電極、電解質(zhì)隔膜與集電器等。1、 電極，燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應與還原劑發(fā)生還原反應的電化學反應場所，其性能的好壞關(guān)鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。電極主要可分為兩部分，其一為陽極，另一為陰極，厚度一般為200—500mm；其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應的電極表面積，而此也是燃料電池當初所以能從理論研究階段步入實用化階段的重要關(guān)鍵原因之一。目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料制成，例如固態(tài)氧化物燃料電池（簡稱SOFC）的Y203—stabilized—ZrO2（簡稱YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC）的氧化鎳電極等，而低溫燃料電池則主要是由氣體擴散層支撐一薄層觸媒材料而構(gòu)成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC）的白金電極等。⑶2、 電解質(zhì)隔膜，電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強度，就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質(zhì)，目前主要朝兩個發(fā)展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰一鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內(nèi)，另一則是采用全氟磺酸樹脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。3、 集電器，集電器又稱作雙極板（BipolarPlate），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導反應氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設(shè)計及其加工技術(shù)。二、燃料電池的特點與原理由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達到很高的發(fā)電效率。同時還有以下一些特點：不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發(fā)電效率；不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率；具有很強的過負載能力；通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機組的容量的自由度大；電池本體的負荷響應性好，用于電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)于其他發(fā)電方式；用天然氣和煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。如此由燃料電池構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)對電力工業(yè)具有極大的吸引力。燃料電池其原理是一種電化學裝置，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。原則上只要反應物不斷輸入，反應產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池氫-氧燃料電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。電極應為：負極：H2+2OH-—2H20+2e-正極：1/2O2+H2O+2e—2OH-電池反應：H2+1/2O2==H2O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)與反應相關(guān)的離子種類也不同。酸性燃料電池中發(fā)生的反應為：燃料極：H2=2H+2e-(1)空氣極：2H+1/2O2+2e-=H2O(2)全體：H2+1/202二H20（3）氫氧燃料電池組成在燃料極中，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02發(fā)生反應。e-經(jīng)由外部的負荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應。一系例的反應促成了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式（3）可以看出，由H2和02生成的H20，除此以外沒有其他的反應，H2所具有的化學能轉(zhuǎn)變成了電能。但實際上，伴隨著電極的反應存在一定的電阻，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。引起這些反應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，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面積成比。三、燃料電池的分類燃料電池可分為很多種類型。按燃料的處理方式的不同，可分為直接式、間接式和再生式。直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型。間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池。再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學燃料電池等。按照電解質(zhì)類型的不同，可分為堿型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸鹽型、固體電解質(zhì)型燃料電池。1、堿性燃料電池堿性燃料電池（AFC）是第一個燃料電池技術(shù)的發(fā)展，最初由美國航空航天局的太空計劃，同時生產(chǎn)電力和水的航天器上°AFCS繼續(xù)使用NASA航天飛機上的整個程序中，除了數(shù)量有限的商業(yè)應用。AFCS使用如氫氧化鉀在水中的堿性電解液，一般燃用純氫氣。第一個在100ºC和250ºC，但典型的工作溫度下運行的自動飛行控制系統(tǒng)，大約有70ºC。作為一個結(jié)果，在低的操作溫度，它是沒有必要采用一種在系統(tǒng)中的鉑催化劑，而是可以使用各種非貴金屬作為催化劑，以加快反應，在陽極和陰極發(fā)生。鎳是最常用的催化劑在AFC單元。由于這些細胞的化學反應發(fā)生率比較高的燃料，電力的轉(zhuǎn)換效率，在某些應用中高達60%。2、血糖燃料電池美國麻省理工學院的工程師最新研制一種微型電池原型，從人體自然血糖分子中產(chǎn)生電能。這種電池將用于驅(qū)動治療癲癇、癱瘓以及帕金森氏癥患者的大腦植入器。據(jù)悉，當前植入人體的裝置通常是由鋰電池提供動力，但是這種電池使用時間非常有限，必須進行更換。再次進入人體組織更換電池并不是醫(yī)生所喜歡做的事情，如果更換大腦植入器的電池就變得更加棘手了。美國麻省理工學院電子工程和計算機科學副教授拉胡爾-薩爾皮什爾帶領(lǐng)一支研究小組負責這項研究，他們使用鉑催化劑放置在末端，一層碳納米管在另一端來建造這個電池，它們放置在一個硅片上，從而將電流連接至大腦植入器上。當大腦組織中的血糖分子流經(jīng)鉑催化劑，伴隨其氧化過程，電子和氫離子將分離開來。在電池另一端，當氧分子與單壁碳納米管接觸時，與氫離子混合形成水，該電池最多可產(chǎn)生180微瓦功率的電能，足以驅(qū)動一個大腦植入器發(fā)送信號繞開受損大腦組織，或者刺激大腦組織（用于治療帕金森氏癥的方法）。血糖電池是一個較早的概念，最早出現(xiàn)于上世紀70年代，2010年，法國科學家設(shè)計了一種類似的電池用于驅(qū)動起搏器。這種電池混合了石墨和酶，能夠從血糖中分離電子。但這種電池的問題在于酶動力電池無法提供像鋰電池一樣的電能輸出。只要存在血糖和水，麻省理工學院最新研制的電池就能長時間持續(xù)工作，提供動能的血糖來自于環(huán)繞大腦組織周圍的腦脊液。多數(shù)血糖并不能被人體使用，而這種電池僅使用很少部分的血糖，并不會影響大腦功能。四、燃料電池的優(yōu)缺點能源安全性。自1970年代的石油危機后，各大工業(yè)國對石油的依賴仍有增無減，而且主要靠石油輸出國的供應。美國載客車輛每日可消耗約600萬桶油，占油料進口量之85%。若有20%的車輛采用燃料電池來驅(qū)動，每日便可省下120萬桶油。國防安全性。燃料電池發(fā)電設(shè)備具有散布性的特質(zhì)，它可讓地區(qū)擺脫中央發(fā)電站式的電力輸配架構(gòu)。長距離、高電壓的輸電網(wǎng)絡(luò)易成為軍事行動的攻擊目標。燃料電池設(shè)備可采集中也可采分散性配置，進而降低了敵人欲癱瘓國家供電系統(tǒng)的風險。高可靠度供電。燃料電池可架構(gòu)于輸配電網(wǎng)絡(luò)之上作為備援電力，也可獨立于電力網(wǎng)之外。在特殊的場合下，模塊化的設(shè)置（串聯(lián)安裝幾個完全相同的電池組系統(tǒng)以達到所需的電力）可提供極高的穩(wěn)定性。燃料多樣性?，F(xiàn)代種類繁多的電池中，雖然仍以氫氣為主要燃料，但配備「燃料轉(zhuǎn)化器（或譯重組器，fuelreformer）」的電池系統(tǒng)可以從碳氫化合物或醇類燃料中萃取出氫元素來利用。此外如垃圾掩埋場、廢水處理場中厭氧微生物分解產(chǎn)生的沼氣也是燃料的一大來源。利用自然界的太陽能及風力等可再生能源提供的電力，可用來將水電解產(chǎn)生氫氣，再供給至燃料電池，如此亦可將「水」看成是未經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料，實現(xiàn)完全零排放的能源系統(tǒng)。只要不停地供給燃料給電池，它就可不斷地產(chǎn)生電力。高效能。由于燃料電池的原理系經(jīng)由化學能直接轉(zhuǎn)換為電能，而非產(chǎn)生大量廢氣與廢熱的燃燒作用，現(xiàn)今利用碳氫燃料的發(fā)電系統(tǒng)電能的轉(zhuǎn)換效率可達40~50%；直接使用氫氣的系統(tǒng)效率更可超過50%；發(fā)電設(shè)施若與燃氣渦輪機并用，則整體效率可超過60%；若再將電池排放的廢熱加以回收利用，則燃料能量的利用率可超過85%。用于車輛的燃料電池其能量轉(zhuǎn)換率約為傳統(tǒng)內(nèi)燃機的3倍以上，內(nèi)燃引擎的熱效率約在10~20%之譜。環(huán)境親和性?？茖W家們已認定空氣污染是造成心血管疾病、氣喘及癌癥的元兇之一。最近的健康研究顯示，市區(qū)污染性的空氣對健康的威脅如同吸入二手煙。燃料電池運用能源的方式大幅優(yōu)于燃油動力機排放大量危害性廢氣的方案，其排放物大部份是水份。某些燃料電池雖亦排放二氧化碳，但其含量遠低于汽油之排放量（約其1/6）。燃料電池發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生1000仟瓦-小時的電能，排放之污染性氣體少于1盎斯；而傳統(tǒng)燃油發(fā)電機則會產(chǎn)生25磅重的污染物。因此，燃料電池不僅可改善空氣污染的情況，甚可能許給人類未來一片潔凈的天空。可彈性設(shè)置/用途廣。燃料電池的迷人之處在于其多樣風貌。除了前述的集中分散兩相宜的特點外，它還具有縮放性。利用黃光微影技術(shù)可制作微型化的燃料電池；利用模塊式堆棧配置可將供電量放大至所欲的輸出功率。單一發(fā)電元所產(chǎn)生的電壓約為0.7伏特，剛好能點亮一只燈。將發(fā)電元予以串接，便構(gòu)成燃料電池組，其電壓則增加為0.7伏特乘以串聯(lián)的發(fā)電元個數(shù)。燃料電池的劣勢主要是價格和技術(shù)上存在一些瓶頸，摘列如下：燃料電池造價偏高:車用PEMFC之成本中質(zhì)子交換隔膜(USD300/m2)約占成本之35%;鉑觸媒約占40%,二者均為貴重材料。反應/啟動性能：燃料電池的啟動速度尚不及內(nèi)燃機引擎。反應性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應控制參數(shù)來達到，但提高穩(wěn)定性則必須避免副反應的發(fā)生。反應性與穩(wěn)定性常是魚與熊掌不可兼得。碳氫燃料無法直接利用：除甲醇外，其它的碳氫化合物燃料均需經(jīng)過轉(zhuǎn)化器、一氧化碳氧化器處理產(chǎn)生純氫氣后，方可供現(xiàn)今的燃料電池利用。這些設(shè)備亦增加燃料電池系統(tǒng)之投資額。FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主，車體的載運量因而受限，每次充填量僅約2.5~3.5公斤，尚不足以滿足現(xiàn)今汽車單程可跑480~650公里的續(xù)航力。以-253°C保持氫的液態(tài)氫系統(tǒng)雖已測試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫，使氫維持于液態(tài)，且從隙縫蒸發(fā)而流失的氫氣約為總存量的5%。氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足：氫氣在工業(yè)界雖已使用多年且具經(jīng)濟規(guī)模，但全世界充氫站僅約70站，仍值示范推廣階段。此外，加氣時間頗長，約需時5分鐘，尚跟不上工商時代的步伐。五、前景與展望便攜式電子設(shè)備廠家多年來受LIB的困擾，苦于沒有出路，汽車領(lǐng)域里燃料電池的曙光激發(fā)出開發(fā)小巧燃料電池,一發(fā)不可收拾。最先投入研究與開發(fā)的是歐美風險企業(yè),日本便攜式電子設(shè)備制造商跟隨其后，緊追不舍，這些廠家參與燃料電池開發(fā)，各自大膽采用新材料，并且相繼獲得突破性進展，于2001年里分別發(fā)表小巧燃料電池