应用电化学 论文作业 题目 学院 燃料电池的发展现状及研究进展 化学与化学工程学院 专业班级 制药 134 班 姓名 郭莹莹 摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式, 它是一种能够持续将化学能转化 为电能的能量转换装置。 发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重 要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点,详细阐述了 燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词:燃料电池 转换装置 应用 发展 1 1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell,FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为 电能的发电装置。 按电解质分类, 燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell,AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell,SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell , MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例,主要部件包括 : 膜电极组件 ( Membrane Elec-trode Assembly, MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是 电化学反应的核心部件, 由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质 隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应,电子通过外电路作功,反应产物为 水。额定工作条件下,一节单电池工作电压仅为 0.7 V 左右。为了满足一定应 用背景的功率需求,燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。 因此,与其它化学电源一样,燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与 原电池类似( 见图 1) ,但与原电池和二次电池比较,需要具备一相对复杂的系 统,通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统,其工作方式与 内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂,燃料电池就可以续发电。 图 1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人 2 类社会赖以生存的重点问题。近 20 年以来,燃料电池这种高效、洁净的能量转 化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、 便携式电源、 分散电站、 航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前 景。目前,燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段,在商业化道路 上还需要解决成本、寿命等一些瓶颈问题。成本和寿命是相互联系的,同时满足 两者需求是实现民用燃料电池应用所面临的主要挑战。航天飞机、潜艇动力用燃 料电池目前国际上均已应用,在只侧重寿命、可靠性的特殊领域,现有燃料电池 技术是可以满足应用需求的。因此,据不同的应用背景采用不同的技术路线,是 制定燃料电池技术发展战略的重要基础。 2 燃料电池的优点 燃料电池作为第四种发电方式的装置, 与其他几种发电方式比较起来有以下 几个主要优点: (1)燃料电池是通过燃料与氧化剂的化学反应直接将化学能转变成电能, 没有中间的能量转化环节,因而这种发电方式能量转化效率可高达 50%。还可 回收发电过程中产生的余热。若把产生的余热再用于发电或供暖、供水等,综合 考虑效率能达到 80%。 (2)燃料电池发电过程,机械部件很少,噪声低;化学反应的排出物主要 是水蒸气等洁净的气体,不会污染环境。在环境污染日趋严重的今天,燃料电池 的这个优点尤其可贵。 (3)燃料电池中所使用的燃料,既可是天然气、煤气和液化燃料,也可以 是甲醇、沼气乃至木柴。可根据不同地区的具体情况,选用不同的燃料用于燃料 电池的发电系统,这可广开燃料来源途径,缓解能源紧张。 (4)燃料电池从中断运转到再启动,输电能力回升速度快,并可在短时间 内增加和减少电力输出。因此将这种发电系统与其他输电网连接使用最为有利, 可随时补充电网在用电高峰时所需的部分电能。 3 (5)燃料电池本身为一个“组合体”,所用部件可事先在工厂生产,然后 组装;它的体积小,拆装都很方便,这可节省建电站的时间。 3 燃料电池的应用和研究进展 碱性燃料电池( A F C ) 是最早开发的燃料电池技术,在 20 世纪 60 年代就成 功的应用于航天飞行领域。磷酸型燃料电池( P A F C ) 也是第一代燃料电池技 术,目前最为成熟的应用技术,经进入了商业化应用和批量生产。由于其成本太 高,目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。熔融碳酸型燃料电池( MC F C ) 是第二代燃料电池技术,主要应用于设备发电。固体氧化物燃料电池( S O F C ) 以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体 广泛适应性等突出特点,发展最快,应用广泛, 成为第三代燃料电池。前正在开发 的商用燃料电池还有质子交换膜燃料电池( P E MF C ) 。它具有较高的能量效率 和能量密度,体积重量小,冷启动时间短,运行安全可靠。 另外,由于使用的电解质膜 为固态,可避免电解质腐蚀。燃料电池技术的研究与开发已取得了重大进展,技术 逐渐成熟,并在一定程度上实现了商业化。作为 21 世纪的高科技产品,燃料电池 已应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业,受各国 政府的重视。下面主要介绍几种目前研究较热的燃料电池。 3.1 固体氧化物燃料电池(SOFC) 固体氧化物燃料电池( S O F C ) 是一种直接将燃料气和氧化气中的化学能 转换成电能的全固态能量转换装置,具有一般燃料电池的结构。固体氧化物燃料 电池以致密的固体氧化物作电解质,在高温 800 ~ 1 000℃下操作,反应气体不 直接接触,因此可以使用较高的压力以缩小反应器的体积而没有燃烧或爆炸的危 险。目前正在研制开发的新一代固体氧化物燃料电池,其特征是基于薄膜化制造 技术,是典型的高温陶瓷膜电化学反应器,我们可称其为陶瓷膜燃料电池。这种提 法不同于燃料电池的一般命名法,更着眼于电解质材料和构型的设计。我国已成 功研制了中温( 500 ~ 750℃) 陶瓷膜燃料电池的关键材料,发展了多种薄膜化 技术(流延法、丝网印刷法、悬浮粒子法、静电喷雾法、化学气相淀积法等) ,获 得了厚度 5 ~ 20 μ m 的薄层固体电解质,比传统工艺制造的 150 ~ 200 μ 4 m 电解质薄板减薄了一个数量级,单电池的输出功率达到了 500 ~ 600 mW/c m 2。燃料气除氢气以外,还可以直接以天然气、生物质气为原料。最近,西门子-西 屋公司已经完成了以天然气为燃料,内重整的 100 k W 级管状电池的现场试验发 电系统, 试运行了 4 000 h , 电池输出功率达 127 k W,电效率为 53%。 3.2 氢燃料电池(RFC) 氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是 电解水的逆反应, 把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质 发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极。 20 世纪 60 年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和 地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入 70 年代以 后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发 电和汽车。大型电站,无论是水电、火电或核电,都是把发出的电送往电网,由 电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同,电网有时呈现为高峰,有时则呈 现为低谷,这就会导致停电或电压不稳。另外,传统的火力发电站的燃烧能量大 约有 70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上, 燃烧时还会消耗大量的 能源和排放大量的有害物质。 而使用氢燃料电池发电,是将燃料的化学能直接转 换为电能, 不需要进行燃烧,能量转换率可达 60%~80%,而且污染少、噪音小, 装置可大可小,非常灵活。 氢的化学特性活跃, 它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之 后,形成一种金属氢化物,其中有些金属氢化物的氢含量很高,甚至高于液氢的 密度,而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解,并把所吸收的氢释放出来, 这就构成了一种良好的贮氢材料。 3.3 直接甲醇燃料电池(DMFC) 直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)属于质子交换膜燃 料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)中的类,直接使用甲醇 水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源,而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢 以供发电。相较于质子交换膜燃料电池(PEMFC) ,直接甲醇燃料电池 (DMFC) 5 具备低温快速启动、 燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。这使得直接甲醇燃 料电池 (DMFC)可能成为未来便携式电子产品应用的主流。 这种电池的期望工作温度为 120℃,比标准的质子交换膜燃料电池略高,其 效率大约是 40%左右。 其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质 子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过,这种增加的成本可以因方便地 使用液体燃料和勿需进行重整便能工作而相形见绌。 直接甲醇燃料电池使用的技 术仍处于其发展的早期, 但已成功地显示出可以用作移动电话和膝上型电脑的电 源,将来还具有为指定的终端用户使用的潜力。 4 燃料电池商业化前景 由于燃料电池需要甲醇、烃类等燃料、催化剂以及聚合物电池膜等,燃料电 池的市场化给化学品生产商、能源公司以及汽车制造商的合作创造了机遇,带来 了丰厚利润。随着燃料电池技术的迅速发展,新型电池材料的需求增长。使用热 固性材料、热塑性塑料、弹性体、纳米纤维和其它材料( 如炭黑、镍和铂) 可提 高燃料电池导电率、耐腐蚀性和热稳定性,同时使其塑性变形小、尺寸稳定且能 阻燃。燃料电池生产商对这些材料特别感兴趣,现在许多制造商正加紧开发高性 能电池材料。泰科纳工程塑料公司拟把工程塑料用于燃料电池上,除了耐化学品 和有极好的物理性能外,该聚合物还可降低生产成本,大大减轻重量。另外,适用的 聚合物还有聚甲醛、聚苯硫醚和液晶聚合物等。 综上所述,燃料电池在电池材料及燃料制备技术上有了长足的进步,但规模化 应用还需要在高技术化和低成本化方面做更多的工作,才能进一步推向市场。 5 结论 燃料电池经过近半个多世纪的发展, 已经实现了在航天飞机宇宙飞船及潜艇 等特殊领域的应用, 而民用方面由于受寿命与成本的制约,至今在电动汽车电站 便携式电源或充电器等各行业还处于示范阶段。 未来我国应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,要集中解决寿命与成本兼顾 6 问题, 从材料部件系统等三个层次进行技术改进与创新,加快燃料电池民用商业 化步伐, 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化 石能源的能量转化技术新体系做贡献。 参考文献: [1] 蔡可心. 燃料电池发电技术简介[J]. 农村电气化. 2009(01) [2] 王萍,徐志兵,操璟璟. 微生物燃料电池(MFC)技术及其发展前景的研究[J]. 节 能技术. 2008(06) [3] 吴刚强,郎中敏,王少青. 燃料电池的应用及研究进展[J]. 内蒙古石油化工. 20 08(21) [4] 索春光,刘晓为. 微型直接甲醇燃料电池的研究进展[J]. 电池工业. 2008(05) [5] 侯明,衣宝廉. 燃料电池技术发展现状[J]. 电源技术. 2008(10) [6] 蔡可心. 燃料电池[J]. 农村电气化. 2008(10) [7] 魏建良,王先友,易四勇,戴春岭,李娜. 直接硼氢化物燃料电池[J]. 化学进展. 2 008(09) [8] 满开美,王刚,张富兴. 车用燃料电池发展的研究[J]. 城市车辆. 2008(09) [9] 张广柱,刘均洪. 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