燃料电池的应用和发展现状已用.pdf
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1、第 2 1 卷第 2期 2 0 0 6年 4月 平顶山学院学报 J o u ma 1 o f Pi n g d i n g s h a n Un i v e r s i t y Vo 1 2 1 No 2 Ap r 2 0 0 6 燃料 电池的应用和发展现状 杨润红,陈允轩,陈 庚,陈梅倩,李国岫(北京交通大学,北京 1 0 0 0 4 4)摘 要:能源和环境是全人类面临的重要课题,考虑可持续发展的要求,燃料电池技术正引起能源工作 者的极大关注 主要在介绍燃料电池的工作原理、发展简史、分类及特性的基础上,详细分析和论述了燃料电池 的应用和研发现状。并对其发展前景作 了展望 关键词:燃料电池;工
2、作原理;特性;研发现状 中图分类号:TM9 1 1 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 3 1 6 7 0 2 0 0 6 0 2 0 0 7 9 0 5 1 8 3 9年,英国的 Wi l l i a m G r o v e 首次发现了水解过程逆 反应的发电现象,燃料 电池的概念从此开始 1 0 0多年 后,英国人 F r a n c i s T B a c o n使燃料电池走出实验室,应用于 人们的生产活动 2 0 世纪 6 0 年代,燃料电池成功应用于 航天飞行器并逐步发展到地面应用l 3 J 今天,随着社会经济 的飞速发展,随之而来的不仅是人类文明的进步,更有能源 危机,生态恶化
3、 寻求高效、清洁的替代能源成为摆在全人 类面前的重要课题 继火力发电、原子能发电之后,燃料电 池发电技术以其效率高、排放少、质量轻、无污染,燃料多样 化等优点,正进一步引起世界各国的关注 1 燃料电池的工作原理 人们常用的普通电池有碱性干电池、铅酸蓄电池、镍氢 电池和锂离子电池等 燃料电池和普通电池相比,既有相 似,又有很大的差异 它们有着相似的发电原理,在结构上 都具有电解质,电极和正负极连接端子 二者的不同之处在 于,燃料电池不是一个储存电能的装置,实际上是一种发电 装置,它所需的化学燃料也不储存于电池内部,而是从外部 供应 在燃料电池中,反应物燃料及氧化剂可以源源不断地 供给电极,只要使
4、电极在电解质中处于分隔状态,那么反应 产物可同时连续不断地从电池排出,同时相应连续不断地 输出电能和热能,这便利了燃料的补充,从而电池可以长时 间甚至不问断地工作 人们之所以称它为燃料电池,只是 由 于在结构形式上与电池有某种类似:外特性像电池,随负荷 的增加,它的输出电压下降【4 J 燃料电池实际上是一个化学反应器 5,它把燃料同氧 化剂反应的化学能直接转化为电能 它没有传统发电装置 上的原动机驱动发电装置,也没有直接的燃烧过程 燃料和 氧化剂从外部不断输入,它就能不断地输出电能 它的反应 物通常是氢和氧等燃料,它的副产品一般是无害的水和二 氧化碳 燃料电池的工作不只靠电池本身,还需要燃料和
5、氧 化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整 的燃料电池系统 燃料电池可以使用多种燃料,包括氢气、碳、一氧化碳以及比较轻的碳氢化合物,氧化剂通常使用纯 氧或空气 它的基本原理相当于电解反应的逆向反应,即水 的合成反应,燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催 化剂的作用,电离成离子,由于离子能够通过二电极中间的 电解质在电极问迁移,在阴电极、阳电极间形成电压 当电 极同外部负载构成回路时,就可向外供电(发电),图 1是燃 料电池的工作原理图l 6 J 2 燃料电池的发展简史、分类及各自特性 1 8 3 9 年,Wi l l i a m Gr o v e 提出了氢和氧反应可以发电的 原理
6、,并发明了第一个燃料电池 他把封有铂电极的玻璃管 浸入稀硫酸中,电解产生氢和氧,连接外部装置,氢和氧就 发生电池反应,产生电流 1 8 9 6 年 W W J a c q u e s 提出了用煤作为燃料电池的燃 料,但 由于无法解决环境污染的问题,没有取得满意的效 果 1 8 9 7年,W N e r n s t 用氧化钇和氧化锆的混合物作为电 解质,制作成了固体氧化物燃料电池 1 9 0 0 年,E B a u r 研究小组发明了熔融碳酸盐型燃料 电池(MC F C)此后,I _T a i t e l b a u m等人就此进行了一些拓 展性的研究 1 9 0 2 年,J H Re i d等
7、人先后开始研究碱质型燃料电 池(6 )1 9 0 6年,F H a b e r 等人用一个两面覆盖铂或金的玻璃 圆片作为电解质,与供气的管子相连,做出了固体聚合物燃 料电池()的雏形 1 9 5 2年,英国学者 F,T,B a c o n在借鉴前人研究经验 的基础上研制出具有实用性的培根电池并获得专利 它的 研制思路是避免采用贵金属并设法获得尽可能高的输出功 率 采用双层孔径烧结镍做 电极,氢氧化钾水溶液做 电解 质,以纯氢和纯氧为燃料及氧化剂 副产物是纯水 培根电 收稿 日期:2 0 0 5 1 1 0 3 作者简介:(1 9 7 4),女,北京交通大学机械与电子控制工程学院工程热物理专业硕
8、士研究生,研究方向为能量转换与工质热物性 维普资讯 http:/ 8 0 平顶山学院学报 2 0 0 6拄 池是燃料电池由实验走向实用具有里程碑性质 的燃料电 池 2 0世纪 6 0年代以来,燃料电池进入 了广泛的实用性 开发阶段 按所使用的电解质的不同,燃料电池通常可以分 为以下几种 8 :负 极 电解 质 正极 图 1 燃料 电池 工作原 理图 2 1 碱性燃料电池(a l k a l i n e f u e l e d I 简称 AF C)这种电池是以氧氧化钾或氢氧化钠等碱性溶液为电解 质,电解液渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中,导电离子 为OH一,使用的电催化剂主要是贵金属(如铂、钯、
9、金、银 等)和过渡金属(如镍、钻、锰等)或者由它们组成的合金 电 池的工作温度一般在 6 0 1 29 0 范围 它设计简单,但不 耐 c o e,所以原则上它必须采用纯氢和纯氧做为燃料 2 2 磷酸盐燃料电池(p h o s p h o r i c a c i d f u e l c e l l 简称 P A F C)这种电池一般以 P t C为电极基材,电解质为吸附于 s i C上的 8 5 的磷酸溶液,工作温度范围在 1 5 0 12-2 0 0 12,其主要优点是产生热量高,产生 C O的量少 缺点是电导率 较低且有漏液问题 2 3 质子交换膜燃料 电池(p r o t o n e x
10、 c h a n g e me mb r a n e f u e l c e l l 简称 P E MF C)这种电池以磺酸型质子交换膜为固体 电解质,无电解 质腐蚀问题,能量转换效率高,无污染。室温下快速启动 2 4 熔融碳酸盐燃料电池(mo l t e n c a r b o n a t e f u e l c e l l 简称 MCF C)该型 电池采用多 孔 N i A1 C r作阳极,Ni O为阴极。L i 2 C O 3 N a 2 C O 3 为电解质,并加入 做稳定剂 MC F C 型燃料电池由于反应温度高,正常工作温度在 6 5 0 12左右,电解质成熔融态,电荷移动很快,在
11、阴阳电极处电化学反应 快,因此可不用昂贵的贵金属作催化剂;对燃料适应广,可 直接使用天然气或煤气作为燃料使用,降低了投资;可同汽 轮发电机组组成联合循环,进一步提高发电效率 其优点是 高效,耐 C。主要缺点是启动时间长 2 5固体氧化物燃料 电池(mi l d o x i d e f u e l c e l l 简称 g O F C)固体氧化物燃料电池,又称高温燃料电池,电解质采用 Z r C h+Y 2 O ,阳极为 Ni+z h(Y 2 o 3),阴极为 L a S r Mn o3 电解质允许氧离子 自由通过,而不允许氢离子和电子通过 其电子导电性很差,低温时 比电阻很大,因此,工作温度要
12、 维持在 8 0 0 1 0 0 0 12才能有较高的发电效率 从而要求采 用高温密封材料 其优点是高效,耐 C O,可以不用贵金属催 化剂 缺点是启动时间长,工作温度高,带来材料耐高温,耐 腐蚀问题 还有一种分类方法是按电池工作温度对电池进行分 类_ 9 j,可分为:低温燃料 电池(工作温度一般低 于 1 0 0 12)。它包括碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池;中温燃料电 池(工作温度一般在 1 0 0 123 0 0 1 2),它包括培根型碱性燃 料电池和磷酸型燃料 电池;高温燃料 电池(工作温度在 6 0 0 1 0 0 0 )。它包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化 物燃料电池 表 1 是
13、各种类型燃料电池的结构特性【加 I 1 3 应用及国 内外研发现 状f 1 4 2 o 3 1 C 在已开发的燃料电池中碱性燃料电池是最早获得实际 应用的 美国的阿波罗登月飞船和航天飞机等轨道飞行器 都采用这类燃料电池作为搭载电源,实际飞行结果表明电 池系统具有很高的可靠性 2 0世纪 8 0年代中期以后,随着 一些新材料的应用及工艺的不断改进,碱性氢氧燃料电池 的性能得到完善,比如工作温度、工作压力、电流密度提 高,比质量(单位功率的质量)显著减小等 碱性氢氧燃料电池除成功应用于空间技术外,也进行 维普资讯 http:/ 第 2 期 杨润红,陈允轩,陈庚,陈梅倩,李国岫:燃料电池的应用和发展
14、现状 8 1 了其他用途的开发 美国UT C公司曾试制过 6 0 l【W、8 0 k W 的深水探查船用电源及 3 0 k W 深海潜水救助艇用的电源,德国西门子公司曾试制过 1 0 0 k W 的潜水艇动力电源,但都 在样机试用以后终止开发,未投入正式使用 比利时 E l e n c o 公司及美国 U O C公司也都进行过将碱性氢空气燃料电池 用于电动车动力电源的开发,日本的富士电机公司曾在月 光计划资助下开发过 k w 级的应急用碱性燃料电池 目前,此类燃料电池技术的发展已非常成熟并已经在航天飞行及 潜艇中成功应用 国内已研制出 2 0 0 W 氨一空气的碱性燃 料电池系统,制成了 1
15、l【W,1 0 l【W,2 0 k w 的碱性燃料电 池 碱性燃料电池在地面应用的最大缺点是对燃料纯度要 求太高而且不能使用含 C、(二 0 2 及 C O的燃料气,使用空气 也必须脱除空气中的 03 2,从而限制了这类电池在地面上 的应用 表 1 各种类型燃料电池结构特性 3 2 PAF 该型电池技术成熟,目前这类电池在城市发电,供气及 其他工业项 E l 上广为试用 如在宾馆、医院、办公楼、工厂等 地方用 P 6 来进行辅助供电、供热 还有一种采用生物气 体的 P A F C体系已被开发出来,而在废弃物质的处理方面,含有甲烷的沼气或其他有机气体已经被利用 大规模利用 生物沼气的P A F
16、c可望在将来应用于垃圾回收领域,解决 一大社会难题 美国是最 早发展 P A F C电站技术 的国家,而 E t 本是 P A F C电站技术发展最快的国家,P A F C在 E t 本已进入产业 化阶段 E t 本是开发燃料电池积极而热情的国家,近年来成 果尤为显著,特别是在 P A F C商业化方面已与美国并驾齐 驱 目前,E t 本的制造商在电力公司,煤气公司的通力合作 之下,已经可 以生产 5 0 k W,1 0 0 k w,2 0 0 k W,1 0 0 0 k W,5 0 0 0 k W。1 1 MW 等各种规格 的 P A F C电站 英 国、德国、荷 兰、比利时、意大利、丹麦、
17、瑞典、芬兰等 9 个国家 2 2 家公司 于 1 9 8 9年 9月 1 1 E t 成立的欧洲燃料电源集团(E F C G)也 与美国和 日本的公司在这一领域展开竞争 事实上,到目前 为止,美 E t 两国的公司已经销售了数以百计的磷酸型燃料 电池,正在试验的则为数更多,可以说,P A F C的基础研究 工作已经结束 商品化阶段已经开始,正在向工业化迈进 3 3 P E 质子交换膜燃料电池以氟磺酸型或非氟磺酸型质子交 换膜为固体电解质,能量转换效率高,无污染,可在室温下 快速启动,特别适合用做动力 电源 美 国通用电器公司在 2 0世纪 6 0年代就将 P E MF C电池用于双子星座航天飞
18、机 它又是电动车的最佳驱动电源,受到美国、德国、加拿大和 E t 本等发达国家政府及国际汽车业巨头如德国奔驰公司和 美国通用汽车公司等企业的支持,发展势头非常强劲 1 9 9 3 年,加拿大 B a l l a r d 公司研制出世界上第一辆燃料电池公共 汽车 1 9 9 9 年,美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司分 别研制出质子交换膜燃料电池电动汽车 汽车1 二 业的介入 是推动 P E MR 快速发展的最主要的动力 总部位于加拿大温哥华的B a l a r d P o w e r S y s t e m公司被 公认为是世界开发、生产和营销零排放质子交换膜(P E M)燃料电池的领先者 国内
19、从事 P E MF C研究的单位主要有 维普资讯 http:/ 8 2-平顶山学院学报 2 0 0 6拄 中科院大连物理化学研究所,北京世纪富源公司,北京绿能 公司,上海神力公司等 目前,我国已具备研制 5 0 k W 以上,可用于电动汽车的燃料电池动力模块的能力 P E M Y E的研究涉及到电化学、机械设计、物理学、计 算机模拟等各个方面 目前制约 P E MF C发展的问题有很 多,主要是解决催化剂的中毒问题和提高其活性,保证电解 质膜的成型能力及机械强度以及密封的问题 目前国内有 很多单位都在对催化剂做大量的研究工作并取得了显著成 果 如华南理工大学的廖世军采用 S i Mo 酸共沉积
20、制备 催化剂,所得催化剂比 ET E K公司的催化活性要高,用 他们自己制备的催化剂组装的D M F C的电压为 O,3 8 v,电 流大约在几十个 m A 北京有色金属研究总院的张向军等 采用浸演还原法,进行浸演一还原一干燥的步骤,改变了 c 的表面官能团从而得到了高担载量高分散性的 P V C催化 剂,有效减少了催化剂用量,优化了催化剂层的结构,降低 了催化剂的制备成本 北京交通大学 的朱红等采用原位还 原法制得了 P V C催化剂 3 4【C F C 美国是从事熔融碳酸盐燃料电池最早和技术高度发展 的国家之一,美国对熔融碳酸盐电池的开发重点在大容量 的 MW级机组的开发,从事熔融碳酸盐燃
21、料电池研究和开 发的主要单位为煤气技术研究所(I G T),该所 已于 1 9 8 7年 组建了 Mc动力公司和能量研究所(E R C),这两个单位 现在均具有熔融碳酸盐燃料电池电站的生产能力,日本从 1 9 8 1 年开始研究发展熔融碳酸盐燃料 电池技术,在完成 l k W,1 0 k w 3 0 k w 和 1 0 0 k w 熔融碳酸盐燃料电池系统的 试验后,于 1 9 8 8 年由 2 3家公司成立 了熔融碳酸盐燃料电 池研究协会,目的是发展 1 0 0 0 k W 的熔融碳酸盐燃料电池 分散电站 1 9 9 3年,大连化物所由所长基金资助 1 0万元开 展了MC F C研究,1 9
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