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1、燃料电池材料及其储能技术姓名：李浩杰学号：2014050101018摘要：出于对环境友好、高转换效率、高功率、高能量密度的能源技术的需求，世界各国纷 纷开展对于性能优良的燃料电池的研究。其研究重点主要集中在四个方面：电解质膜、电极、 燃料、系统结构。其中又以前三个为热点。目前，由于在燃料大规模制备上的困难以及其在 工作时需要的一些昂贵的贵金属，燃料电池大规模商业应用受到一定限制。 关键字：燃料电池、电解质膜、储能一、燃料电池原理燃料电池是一种使用燃料进行化学反应产生电能的装置。所用的燃料主要包括氢气、甲 醇、乙醇、天然气、汽油以及一些含氢有机物。氢气可以直接作为燃料电池的燃料，其他气 体一般需
2、要处理为含氢气的重整气。由于其燃料来源广泛，发电后产生纯水和热，能量转换 效率高达 80%90%，对环境无污染，所以广泛受到各国科学家的关注，被认为是继火电、 水电、核电之后的第四代发电方式。0!vO2011OHHOHH严山U -氢电极 - r0：氧电极二 屜浸KOH的石棉膜燃料电池的工作原理图如上所示。在阳极，氢气与碱中氢氧根的在电催化剂的作用下， 发生氧化反应生成水和电子：Hi + 2OH-HiO +2e- 牡=-0. 828 V电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：+ ： +H:0 +2e2011 = 0. 401 V生成的氢氧根通过多孔石棉膜迁移到氢电极。为
3、保持电池连续工作，除需与电池消耗氢气、氧气等速地供应氢气和氧气外，还需连续、 等速地从阳极（氢电极）排出电池反应生成的水，以维持电解液浓度的恒定；排除电池反应 的废热以维持电池工作温度的恒定。容易看出，与其他电池相比，燃料电池内部并不储能，它只是高效地将从外部源源不断 通入的燃料转换成电能，所以，它更像是一个微型的发电站。二、燃料电池发展历程1、国外1839 年，格罗夫发表世界上第一篇关于燃料电池的报告。初期的燃料电池使用气体为 氧化剂和燃料，但因为气体在电解质溶液中溶解度很小，导致电池的工作电流密度极低。后 来，多孔气体扩散电极和电化学反应三相界面概念的提出以及实际材料的突破，使燃料电池 具
4、备了走向实用化的必备条件。60 年代，由于载人航天器对于大功率、高比功率与高比能量电池的迫切需求，燃料电 池开始引起一些国家与军工部门的高度重视。其典型成果为阿波罗登月飞船上的主电源培 根型中温氢氧燃料电池。7080 年代，由于出现世界性的能源危机和燃料电池在航天上成功应用及其高的能量转 化效率，促使世界上以美国为首的发达国家大力支持民用燃料电池的开发，进而使磷酸型及 熔融碳酸盐型燃料电池发展到兆瓦级试验电站的阶段。20世纪 90年代以来，出于可持续发展、保护地球、造福子孙后代等目的，基于质子交 换膜的燃料电池开始高度发展。特别是在电动车行业，世界上所有的大汽车公司与石油公司 均已介入燃料电池
5、汽车的开发。总的来说，燃料电池主要经历了经历了第1代碱性燃料电池（AFC）,第2代磷酸燃料 电池（PAFC）,第3代熔融碳酸盐燃料电池（MCFC丿后，在20世纪80年代迅速发展起了 新型固体氧化物燃料电池（SOFC）。2、国内中国燃料电池的研究始于1958年。1970 年前后,开始了燃料电池产品开发工作并在 70 年代形成了燃料电池产品的研制高 潮。主要开发项目是由国家投资的航天用碱性氢氧燃料电池,该产品的研制目标是为了配合 中国航天技术发展计划的一个项目。到70年代末,由于总体计划的变更而中止。但与该项计划实施的同时,一些由地方政府投 资与使用部门合作的应用碱性燃料电池项目也进行了开发，只是
6、尚未形成应用。80年代初、中期,中国燃料电池的研究及开发工作处于低潮。进入 90 年代以来,在国外先进国家燃料电池技术取得巨大进展,一些产品已进入准商品 化阶段的形势影响下,中国又一次掀起了燃料电池研究开发热潮。三、几种燃料电池简介1、分类（1）按燃料电池的运行机理可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。（2）按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸 盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。在燃料电池中，磷酸燃料电池、 质子交换膜燃料电池可以冷起动和快起动，可以作为移动电源，满足特殊情况的使用要求， 更加具有竞争力。（3）按燃料类型分，有氢气、甲烷、乙烷、
7、丁烯、丁烷和天然气等气体燃料；甲醇、 甲苯、汽油、柴油等有机液体燃料。有机液体燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢 气后，才能成为燃料电池的燃料。（4丿按燃料电池工作温度分，有低温型，工作温度低于200 T ；中温型，工作温度为200750C；高温型，工作温度高于750C。懑型电解盛导电离弓1*燃料M刑可陇的脸川浪或鹹性KGII0H -5 - 2(X3 汇纯亂胡度就书取肮天.特雉抱面应川顶子 交换腔全阪确醸膜H _室ifl -咂%:包气，巫密气空气閒度克胆，业动汽车，潜想椎勢再功功力源WiftII P6U*100 - 200 化空弋商度发联用肚高,条热利II.沖直低特殊需求，代域供电碳醜盐
8、(LUKKlOjco/&50 - 700 1讪化煤; 天悠气：貳整気空弋正在辿疔理场实X或供电的知化時tF -WWJ - WUO X沏化煤“：空r咆池估利址岸.F 扯嵐价制备扯不区炖供电, 欣台菊环扯岂上图为几种常见燃料电池各种性能，应用环境的简单对比，现主要以电解质分类形式介 绍几种常见的燃料电池。2、质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池是最接近商业化的一种燃料电池，最有希望作为未来电动汽车的发动机。在各种燃料电池中，它的工作温度是最低的，也是目前发展规模最大的一种。(珈 Djifhi即洞l LfiycrE3i|k山npl；H卍 思山帥皿甌址制/ iLM 5LU（ojireAnsfcet D
9、ipolnrplnlsLa_y凹上图为典型的单结质子交换膜燃料电池结构。由质子交换膜、催化层、气体扩散层、密 封圈、双极板等关键部件组成。通常以全氟磺酸型质子交换膜为电解质膜，用 Pt/C 或者 PtRu/C 作为催化剂。以阴阳极催化剂层和电解质膜所组成的三合一组件统称为膜电极，是 它 的核心部件。实际应用的燃料电池电站是一个很复杂的系统，它包括燃料供应、氧化剂供应、电池反 应、水热管理等多个子系统。它的工作原理是是氢气和氧化剂分别由燃料电池的阳极和阴极流道进入电池内部，经过 气体扩散层后到达电极催化层。阳极侧的氢气在催化剂的作用下，解离成氢离子和电子，氢 离子穿过质子交换膜到达阴极侧，电子则
10、经过外电路形成电流后到达阴极；在阴极催化剂的 作用下，氧气接受质子和电子生成水分子，在整个过程中，外电路的电子流动形成电流。目前限制质子交换膜燃料电池进入商业化的最主要原因是成本和寿命两大问题，寻找和 开发新型材料成为解决这两大问题、推进商业化进程的必然选择，也是质子交换膜燃料电池 近些年来的研究重点和热点。3、熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池MCFC丿在高温下工作（约650C）,可以利用排气余热和燃气轮机混合发电，发电效率通常高达50%以上， ,可用多种燃料（如天然气和煤），不需要用铂等 贵重金属作为催化剂，有望应用到中心电站，工业化或商业化联合发电，是目前燃料电池研究的主流之一，X.氢
11、优刊流,Y/刁増外流隔丧PT-IH uiulIl 电畔贞 tics： m iiylc 阴梅 calhudc上图为平板式熔融碳酸盐燃料电池单体结构示意。它由电极-电解质、燃料流通道、氧 化剂流通道和上下隔板组成。目前,MCFC的主要技术问题已经基本解决。美国、日本等正 在进行十万瓦和兆瓦级的实用演示试验,预计距商业化为期不远。4、固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池是20世纪八九十年代燃料电池研究的成果，该燃料电池具有诸多 优点。比如避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解质流失等问题，反应迅速，无须贵金 属催化剂，能量利用率高达80%以上，燃料广泛，可以承受较高浓度的硫化物和CO的毒害,因此对电
12、极的要求大大降低。基于此，目前世界各国都在积极投入SOFC技术的研发。eAir2CO+2O32CO3+4eFuel electrode 01Air dedrode。汁空erI3 Solid electiolTte上图为固体氧化物燃料电池的工作原理图。它主要由阴极、阳极、电解质和连接材料组 成。在阳极和阴极分别送入还原、氧化气体后，氧气在多孔的阴极上发生还原反应，生成氧 负离子。氧负离子在电解质中通过氧离子空位和氧离子之间的换位跃迁达到阳极，然后与燃 料反应，生成水和二氧化碳，因而形成了带电离子的定向流动。四、燃料电池的应用1、航天领域早在上个世纪60年代，燃料电池就成功地应用于航天技术，这种轻
13、质、高效的动力源 一直是美国航天技术的首选。比如，以燃料电池为动力的Gemini宇宙飞船1965年研制成功， 采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了 8天的飞行。后来在Apollo宇宙飞船采用了碱性电解质 燃料电池，从此开启了燃料电池航天应用的新纪元。中国科学院大连化学物理研究所早在 70年代就成功研制了以航天应用为背景的碱性燃 料电池系统。A型额定功率为500 W，B型额定功率为300 W，燃料分别采用氢气和肼在线 分解氢，整个系统均经过环境模拟实验，接近实际应用。这一航天用燃料电池研制成果为我 国此后燃料电池在航天领域应用奠定了一定的技术基础。2、潜艇燃料电池作为潜艇AIP动力源，从2002年第一
14、艘燃料电池AIP潜艇下水至今已经有6 艘在役。FC-AIP潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水 下一次潜航时间仅为2天，而FC-AIP潜艇一次潜航时间可达3周。3、电动汽车随着汽车保有量的增加，传统燃油内燃机汽车造成的环境污染日益加剧，同时，也面临 着对石油的依存度日益增加的严重问题燃料电池作为汽车动力源是解决因汽车而产生的环 境、能源问题的可行方案之一。燃料电池汽车示范在国内外不断兴起，较著名的是欧洲城市 清洁交通示范项目。4、固定式分散电站污染重、能效低一直是困扰火力发电的核心问题，燃料电池作为低碳、减排的清洁发电 技术，受到国内外的普遍重视。比如PAFC电站的代表性开发商UTC Power公司已经开发 出了 400 k W 磷酸燃料电池发电系统；PEMFC电站的代表性开发商Ballard公司开发出了 250 k W1 MW的示范电站。
