燃料电池的昨天今天明天

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1、燃料电池的昨天今天明天F0603008 郑旭祎什么是燃料电池 w燃料电池是一种化学电池，它利用物质 发生化学反应时释出的能量，直接将其 变换为电能。从这一点看，它和其他化 学电池如锰干电池、铅蓄电池等是类似 的。但是，它工作时需要连续地向其供 给活物质（起反应的物质）-燃料和氧化 剂，这又和其他普通化学电池不大一样 。由于它是把燃料通过化学反应释出的 能量变为电能输出，所以被称为燃料电 池。工作原理 w燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机“ 。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给 氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和 电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外 部电路移向正极。用电

2、的负载就接在外部电路 中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离 子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的 电解反应的逆过程。 w利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不 断地向外部输电，所以也可称它为一种 “发电 机“。 现今燃料电池的分类低温燃料电电池（60120） 中温燃料电电池 (160220) 高温燃科电电池(6001000) 类类型 AFC 碱性燃料电池 PEMFC或 SPFC 质子交换或固 体聚合物燃料 电池PAFC 磷酸燃料电池 MCFC 熔融碳酸燃料 电池 SOFC 固态氧燃料电 池 特性 无污染,电效率 高制造费用非常 贵,不适合于工 业应用少维护污染排放在很 低的水平,低噪

3、 音,固体电解质 适合于大规模 生产,与常规技 术相比很贵低污染, 低噪 音,是热电联产 电厂的三倍费 用, 随着连 续运行电效率 降低有效利用能源, 低噪音,没有外 部气体配置, 腐 蚀性电解液有效利用能源, 低噪音, 没有外 部气体配置,腐 蚀性电解液对 材料的要求非 常苛刻 电电解体氢氧化钾溶液 质子可渗透膜 磷酸 锂和碳酸钾 固体院瓷体 燃料纯氢 氢，甲醇天然 气 天然气，氢 天然气煤气 沼气 天然气煤气 沼气 氧化剂剂纯氧大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 系统统的电电效率 60-90 43-58 37-42 50% 50-65% 已有技术 w固体氧化物燃料电池

4、(SOFC)过去的重点，目前已基本不研究 w质子交换膜燃料电池 (PEMFC)目前研究重点 w熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) w再生氢氧燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)w固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电 解质，除了高效，环境友好的特点外，它无 材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作 温度下电池排出的高质量余热可以充分利用 ，使其综合效率可由50%提高到70%以上 ； 它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还 可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气 ，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类 电池最适合于分散和集中发电。 质子交换膜燃料电池(PEMFC) w质子交换膜燃料电池以磺酸型质

5、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，可室温快速启 动。质子交换膜燃料电池在固定电站、 电动车、军用特种电源、可移动电源等 方面都有广阔的应用前景，尤其是电动 车的最佳驱动电源。它已成功地用于载 人的公共汽车和奔驰轿车上。 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)w熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电 解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池 。其电解质是熔融态碳酸盐。 反应原理示意图如下：阴 极： O2 + 2CO2 + 4e - 2CO32- 阳 极： 2H2 + 2CO32- 2CO2 + 2H2O + 4e 总反应： O2 2H2 2H2O熔融碳酸盐

6、燃料电池是一种高温电池（600700） ，具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料 多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热 利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一 世纪的绿色电站。再生氢氧燃料电池w再生氢氧燃料电池将水电解技术(电能 +2H2O2H2+O2)与氢氧燃料电池技术 (2H2+O2H20+电能)相结合 ,氢氧燃料电池的燃料 H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”, 起到蓄 能作用。可以用作空间站电源。最新技术-以酶为基础的生物燃料电池w牛津大学凯利维森特博士及其同事在酶基础上研制成 一种燃料电池，它比传统结构燃料电池便宜很多倍。 w以酶为基础的第一个氢燃料

7、电池样品目前虽然只能输 出0.7伏电压和微小电流足以使电子表行走，还 能确保各种袖珍电子装置的用电。 w在普通燃料电池中氧气和氢气从交换膜片两面通过， 膜片分开带有电极的小室，膜片能自由通过质子。在 一个电极上氢气被分解成质子和电子，电子不能通过 膜片，在外电路接通时只能抵达燃料电池对面的小室 ，在那里参与通过膜片的氧气与质子的水合成。镀在 电极表面上的催化剂保持燃料电池中发生的两种反应 ，通常使用铂，铂催化剂和交换膜片是燃料电池最昂 贵的组分，这也是它们难以推广应用的一个原因。 w但是在维森特博士研制的燃料电池中既没有铂催 化剂，也没有交换膜片，而是利用两种廉价的酶 ：一种取自细菌的氢化酶，

8、另一种是取自真菌的 虫漆酶，它们能参加与催化剂相同的反应。每个 电极上覆盖有这两种酶中的一种。由于每一种酶 能加速自身的反应，因此这种生物燃料电池不需 要膜片，因为“燃烧”的两种成分空气和氢气 在燃料电池中能自由混合。 w 其实，试验样品是一个带有两个电极的简单玻 璃瓶，电极上覆盖有酶，研究人员在试验样品上 加上空气和少量（百分之几）氢气混合物时，即 成功地获得了电流。 最新科技 -美国空军学院研究无人机用氢燃料电池技术最新科技-美国空军学院研究无人机用氢燃料电池技术 w美国空军学院位于科罗拉多州，目前有11个院系在开 展无人机有关技术的研究，其中化学部的教员和学生 们正在研究可用于无人机的氢

9、燃料电池技术。 w化学式氢发生器的总体构想是利用锂和铝的氢化物作 为储氢原料，通过化学反应将这些金属氢化物中的氢 元素释放出来，这就产生了燃料电池所需的氢燃料。 对一架无人机来说，氢燃料的释放速度和流量必须与 它所需要的电能相匹配。 w在无人机领域，氢燃料电池技术的主要应用对象将是采用 电推进的小型无人机。与采用内燃发动机或涡轮发动机相 比，电推进的声辐射和热辐射都较低，所以能提高无人机 的低可探测性能。此外它能可靠地起动，并且非常紧凑。 但是，今天的常规电池对电推进无人机来说仍然太重，而 氢燃料电池的重量要比等功率的常规电池轻50%以上。 w目前已实现了第一个目标，即氢原料的产氢率按重量比算

10、 达到6%，这就是说100磅(45.4千克)的氢原料能产生6磅( 约2.72千克)的氢。这听起来很少，但由于氢是一种很轻 的元素，6磅(约2.72千克)氢气的体积超过30000升。此研 究所正打算尝试将产氢率进一步提高到18%“。 w目前，为实现6%产氢率而采用的化学方法的潜力实际上 仅发挥了一半。学员们正在进行试验以解决这个问题。他 们正尝试利用纳米技术使氢原料的每个原子都能得到利用 ，还在研究利用催化剂提高反应过程中的产氢速度，这样 可能也能提高氢原料的利用率。w美国陆军已经试验了9台已开发的氢发生器/50瓦燃料电池组 合原型。目前这种系统成本过高，所需化合物稀少，并且难 以实现再充电。目

11、前所取得的积极成果是所产生的氢不需要 在低温或高压的环境中存储，而可在常温常压下永远保持稳 定，直到你开启燃料电池使之发生作用。但是,就像许多新技 术一样，它走向实用还有许多工作要做，包括进一步提高产 氢率的许多研究，大量的工程化发展工作和对制造技术的投 资。从基础研究通向一种可以实际使用的系统是一条漫长的 路，通常需要20年甚至更久“。展望燃料电池的未来w燃料电池可在一秒钟之内迅速提供满负荷动力， 并可承受短时过负荷（几秒钟）。其特性很适合 作为备用电源或安全保证电源。为实现这些动态 特性，在供电侧必须有独立的氢气来源。除了将 燃料电池用于空间飞行，移动式和固定式设备外 ，开发小型化的燃料电

12、池系统的工作也正在开展 ，作为便携式电源系统用于笔记本电脑和摄象机 等装置。 w许多美国厂家都有采用燃料电池（10 kW）的 国内示范项目。更广泛的应用只有当电池组成本 大大下降之后才有可能。因为在这一应用中燃料 电池技术直接与常规的锅炉在产生热量方面进行 竞争。在不同领域进行的大量研究对燃料电池的 发展很有利，而且对其具有正面的、长期的影响 ，并可进一步加快燃料电池投入商业应用的进程 。展望燃料电池的未来w开发可用于车辆的移动式燃料电池是发展这项技 术的主要驱动力。通过在汽车工业大量使用燃料 电池而带来预期的成本下降，将使固定式发电受 益非浅，反之亦然。这些专门的应用领域意味着 燃料电池技术是今后几年中可获得突破的几项未 来技术中的一项，而且不需要耗费大量的政府投 资。 w展望未来，氢燃料电池可能取代地面车辆(包括火 车)的现有动力装置，并成为公用发电设备。目前 全球年用电量大约是13太瓦(1太瓦=1万亿瓦)， 其中大多数来自石油，煤和天然气。可见燃料电 池的发展前景是十分广阔的。