燃料電池技術(shù)及應(yīng)用

第11章燃料電池主講：司崇殿E-mail:chongdiansi@126.comTell料電池技術(shù)及應(yīng)用引言燃料電池的發(fā)明各種燃料電池的技術(shù)燃料電池的應(yīng)用引言1854年美國打出了世界上第一口油井，曾在數(shù)千年的人類史中閃爍著零星火光的黑色液體，終于點(diǎn)燃了的石油工業(yè)。僅僅一百年之后，由石油和煤支撐起的現(xiàn)代文明社會，已經(jīng)清楚地察覺文明之下的危機(jī)：地球歷經(jīng)千萬年乃至上億年歷史累積而成的寶藏，在這樣的消耗速度下將會迅速枯竭，大氣污染和酸雨等環(huán)境問題也困擾著人們。“能源革命”的呼聲從20世紀(jì)60年代起就日漸高漲，而那正是石油消費(fèi)量超過煤炭、成為新一代主體能源的時候。時至今日，世界經(jīng)濟(jì)大體上仍然是化石燃料依賴型的，石油、煤和天然氣占世界初級能源消費(fèi)總量的８５％左右，剩下的部分主要是水電和核電，真正的可再生清潔能源如風(fēng)能、太陽能等所占比例不到３％。世界能源需求仍在以１．５％～２％的年率增長，而地質(zhì)學(xué)家預(yù)測說，石油和天然氣價格將大幅度上升，再也不會回落。如果到時候還沒有找到真正能夠取代石油的新能源，必將出現(xiàn)大面積的經(jīng)濟(jì)恐慌，許多國家正為此不斷付出政治和資金上的代價。例如美國對伊拉克的戰(zhàn)爭實際上是為了它的石油，導(dǎo)致薩達(dá)姆的下臺。在能源領(lǐng)域，人類正在為實現(xiàn)核聚變和氫經(jīng)濟(jì)而努力！2003年2月6日布什說“美國將與英國、若干歐洲國家以及加拿大、日本、俄國和中國一起，建立一個核聚變試驗設(shè)施，在世界上進(jìn)行最大、最先進(jìn)的核聚變試驗“。又說：“我相信我們會使世界產(chǎn)生一個氫市場，我們將通過核聚變來產(chǎn)生電和氫”。燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是氫氣的燃燒反應(yīng)。它與一般電不同之處在于燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是起催化轉(zhuǎn)換作用。所需燃料(氫或通過甲烷、天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空氣)不斷由外界輸入，因此燃料電池是名符其實的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。

燃料電池的特點(diǎn)世界在氫能與燃料電池方面的投入

國家計劃美國：未來5年內(nèi)投資17億美元?dú)W盟：歐盟第六框架計劃下，在可更新能源、氫能與燃料電池方面投資近20億歐元日本：研發(fā)預(yù)算增至20世紀(jì)90年代的三倍，目前每年投資超過300億日元其他國家還有：澳大利亞、巴西、加拿大、中國、法國、德國、冰島、印度、意大利、韓國、俄羅斯、英國…

國際間合作美國氫能經(jīng)濟(jì)國際合作伙伴計劃（IPHE）美國氫能經(jīng)濟(jì)國際伙伴計劃歐盟氫能燃料電池技術(shù)平臺國際能源署（IEA）氫能協(xié)調(diào)小組與執(zhí)行協(xié)議亞太經(jīng)貿(mào)合作組織(APEC)氫能計劃雙邊協(xié)議

1839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點(diǎn)亮了倫敦講演廳的照明燈。由于氫氣在自然界不能自由地得到，在隨后的幾年中，人們一直試圖用煤氣作為燃料，但均未獲得成功。1866年，WernervonSiemens先生發(fā)現(xiàn)了機(jī)-電效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)啟動了發(fā)電機(jī)的發(fā)展，并使燃料電池技術(shù)黯然失色。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，但燃料電池的研究直到20世紀(jì)50年代才有了實質(zhì)性的進(jìn)展。

試驗電廠中的燃料電池組燃料電池的歷史和發(fā)展

20世紀(jì)60年代初由于航天和國防的需要，才開發(fā)了液氫和液氧的小型燃料電池，應(yīng)用于空間飛行和潛水艇。從此，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時，兆瓦級的磷酸燃料電池也研制成功。

空間站電力系統(tǒng)工作原理圖

從80年代開始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

近二三十年來，由于一次能源的匱乏和環(huán)境保護(hù)的突出，要求開發(fā)利用新的清潔再生能源。燃料電池由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國的普遍重視。

燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。同時還有以下一些特點(diǎn)：不管是滿負(fù)荷還是部分負(fù)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(qiáng)的過負(fù)載能力；通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；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)。

燃料電池與一般電池的本質(zhì)區(qū)別在于其能量供應(yīng)的連續(xù)性，燃料和氧化劑是從外部不斷提供的。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換效率高污染小、噪聲低高度可靠性適應(yīng)能力強(qiáng)操作簡單靈活性大建設(shè)周期短比能量或比功率高燃料電池的種類直接甲醇燃料電池氫氧燃料電池固體氧化物燃料電池一直接甲醇燃料電池

DMF（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇為燃料，通過與氧結(jié)合產(chǎn)生電流的，優(yōu)點(diǎn)是直接使用甲醇，省去了氫的生產(chǎn)與存儲。

其電化學(xué)轉(zhuǎn)化過程又可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。直接燃料電池主要是甲醇在陽極被電解為氫和二氧化碳，氫通過質(zhì)子膜到陰極與氧氣反應(yīng)并同時產(chǎn)生電流。間接燃料電池是先將甲醇進(jìn)行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過質(zhì)子膜電解槽反應(yīng)而獲得供給汽車動力的電能。圖為世界最小的甲醇燃料電池。

這種燃料電池以甲醇為能量來源。

這種燃料電池以甲醇為能量來源，手機(jī)，筆記本電腦將不再用充電。二氫氧燃料電池在酸性溶液中負(fù)極：H2+2H2O-2e→2H3O+

在堿性溶液中負(fù)極：H2+2OH--2e→2H2O因此，無論采用酸性還是堿性電解液，氫氧燃料電池的總反應(yīng)可表示為：2H2+O2---H2O反應(yīng)實質(zhì)是氫的燃燒反應(yīng)，氫是一種燃料，而氧則是一種氧化劑。在燃料電池中，負(fù)極上進(jìn)行燃料的氧化過程，而正極上進(jìn)行氧化劑的還原過程。燃料電池的負(fù)極常常又被稱作“燃料電極”，它是燃料電池的主要工作電極，正極又被稱作“氧化劑電極”，燃料電池中常用的氧化劑是空氣中的氧。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O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系列的反應(yīng)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(yīng)式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。按電解質(zhì)類型磷酸鹽型燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）固體氧化物燃料電池（SOFC）堿性燃料電池（AFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）三

固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池采用固體氧化物作為電解質(zhì)，除了高效，環(huán)境友好的特點(diǎn)外，它無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題；在高的工作溫度下電池排出的高質(zhì)量余熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上；它的燃料適用范圍廣，不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣（甲烷）、煤汽化氣，碳?xì)浠衔?、NH3、H2S等作燃料。這類電池最適合于分散和集中發(fā)電。

其工作原理如圖所示：

固體氧化物燃料電池原理圖固體氧化物燃料電池也是由陽極、陰極及兩極之間的電解質(zhì)組成,但工作溫度相對較高，一般在800-1000℃。在陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如H2、CH4、煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體例如氫，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。固體氧化物燃料電池是一種新型全固體燃料電池，具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用全固體組件，不存在對漏液、腐蝕管理問題；可以用天然氣作燃料，通過內(nèi)部或外部重整利用石化燃料，有利于環(huán)境保護(hù)；不需要使用貴金屬催化劑，從而節(jié)約了貴金屬；余熱溫度較高，可以直接利用；可忽略正負(fù)極極化損失，極化損失集中在電解質(zhì)電阻上;電解質(zhì)的性能較穩(wěn)定，抗毒性較好；連續(xù)供給燃料、氧化物，電池就可連續(xù)發(fā)電。

我國硅酸鹽固體氧化物燃料電池取得突破目前各類燃料電池中能量轉(zhuǎn)化效率最高的“陶瓷電池”，竟是一枚約1毫米薄、巴掌大小的陶瓷片。中科院上海硅酸鹽研究所固體氧化物燃料電池小組在國內(nèi)率先取得突破進(jìn)展，有能力將300片“陶瓷電池”層疊串聯(lián)，功率可滿足一戶普通家庭用電需求。一塊僅10厘米見方的陶瓷電池單片。其關(guān)鍵夾層是一片以氧化鋯為主要成分的特種陶瓷，厚度為0.015毫米，比紙還薄。陶瓷薄膜正面涂有黑色的稀土金屬復(fù)合氧化物，作為正極；反面是一層較厚的綠色“金屬陶瓷”，作為負(fù)極。磷酸型燃料電池（PAFC）電極材料：正極：高分散Pt負(fù)極：高分散Pt電解質(zhì)：

濃H3PO4工作溫度：180~210℃燃料：

H2電池反應(yīng):

2H2+O2=2H2O優(yōu)點(diǎn)：抗CO2，可應(yīng)用于獨(dú)立電站缺點(diǎn)：貴金屬催化劑對CO敏感≤1％，電解質(zhì)電導(dǎo)率低電極反應(yīng)：

負(fù)極：2H2-4e=4H正極：O2+4H+4e=2H2O++熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）電極材料：

正極：高分散Ni

負(fù)極：高分散Ni電解質(zhì)：

LiCO3-K2CO3(Na2CO3)工作溫度：600~700℃燃料：

CO或H2電池反應(yīng):

2CO+O2=2CO2優(yōu)點(diǎn)：無需貴金屬催化劑，電池內(nèi)部重整容易，Ni催化劑不怕CO中毒缺點(diǎn)：電極材料壽命短，機(jī)械穩(wěn)定性差，陰極需補(bǔ)充CO2，腐蝕電極反應(yīng):

負(fù)極：2CO–4e+2CO3=4CO2

正極：O2+2CO2+4e=2CO32-2-堿性燃料電池（AFC）電極材料：

正極：高分散Ni

負(fù)極：高分散Ni電解質(zhì)：

KOH或NaOH工作溫度：室溫~100℃燃料：

H2電池反應(yīng):

2H2+O2=2H2O優(yōu)點(diǎn)：無需貴金屬催化劑，無需CO2再循環(huán)，效率高缺點(diǎn)：制備工藝復(fù)雜，工作溫度高，價格昂貴電極反應(yīng):

負(fù)極：2H2+4OH–4e=4H2O

正極：O2+2H2O+4e=4OH--質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）電極材料：

正極：高分散Pt

負(fù)極：高分散Pt(Ru)電解質(zhì)：

質(zhì)子交換膜工作溫度：25~125℃燃料：H2或甲醇電池反應(yīng):

CH3OH+1.5O2=CO2+2H2O優(yōu)點(diǎn)：無需貴金屬催化劑，無需CO2再循環(huán)，效率高缺點(diǎn)：制備工藝復(fù)雜，工作溫度高，價格昂貴電極反應(yīng):

負(fù)極：

CH3OH+H2O-6e=CO2+6H

正極：6H+6e+1.5O2=3H2O++典型的PEMFC結(jié)構(gòu)PEMFC箱體5KW電池組（第一代）200W電池組（第一代）PEMFC試驗電廠質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用2008年10月21日通用汽車旗下最新的零油耗、零污染的雪佛蘭Equinox氫燃料電池車在中國亮相。氫燃料電池車?yán)脷淠茉窗l(fā)電能行駛320公里，從靜止加速到100公里每小時需12秒，最高時速可達(dá)160公里每小時。

同濟(jì)大學(xué)、上汽等早在本世紀(jì)初就開始了燃料電池車的研發(fā)。2002年上海研制的超越1號氫燃料電池車露面，隨后幾年，誕生了超越2號、超越3號以及上海牌燃料電池車，其搭載的氫燃料動力系統(tǒng)不斷提升。

此次服務(wù)奧運(yùn)會的是搭載第四代氫燃料電池發(fā)動機(jī)的領(lǐng)馭轎車，最大輸出功率達(dá)到60千瓦，配合串聯(lián)式的混合動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)，該車的時速可達(dá)150公里以上，0-100公里的加速時間小于15秒，加一次氫氣可連續(xù)行駛300多公里。質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用清能一號和清能三號燃料電池大巴是由中國最大的燃料電池發(fā)動機(jī)供應(yīng)商上海神力科技和北京清華大學(xué)聯(lián)合研制的最新一代燃料電池大巴，代表了中國燃料電池大巴的最高水準(zhǔn)。

由中科院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)、中國首個燃料電池產(chǎn)業(yè)化基地江蘇宜興新源動力公司生產(chǎn)的氫燃料電池汽車2008年10月23日在“二00八中國無錫民營企業(yè)高新技術(shù)洽談會”上亮相，該款汽車最高時速八十公里，一次充氫行駛四百公里，已為北京奧運(yùn)會成功“服役”，并即將登陸上海世博會。質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用戴姆勒·克萊斯勒股份公司提供的梅塞德斯·奔馳氫燃料電池公共汽車，目前在北京市有3輛，每輛價值近200萬美元。頤和園北宮門—西苑北站—海淀公園—中關(guān)村東—保福寺橋西—青云路—人民大學(xué)—海淀黃莊北—中關(guān)村西—海淀公園—西苑北站質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用10kW燃料電池移動發(fā)電站2007年11月，上海首座為燃料電池汽車服務(wù)的加氫站在嘉定安亭正式開業(yè)。目前儲氫量最大可達(dá)800公斤，一次能連續(xù)為6輛大巴、20輛小汽車加注氫氣，

質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用燃料電池電子設(shè)備應(yīng)用

隨著電子產(chǎn)品小型化的進(jìn)展，當(dāng)前鋰離子電池的能量密度，已經(jīng)不能滿足便攜式筆記本電腦、移動電話、PDA等電子設(shè)備的要求了。例如：一臺新型的P4筆記本電腦平均功耗在100W左右，若工作10h則需1kW·h，用7.4W·h的鋰離子聚合物電池供電需140塊，重量可達(dá)5～6kg；高性能的CPU要求400A/μs的轉(zhuǎn)換速率和100A以上的峰值電流，到2005年，此值將分別達(dá)到1000A/μs和150A；當(dāng)移動電話增加接收地面數(shù)字電視功能，采用大型真彩顯示屏?xí)r，其供電量可增加到現(xiàn)在的（通常為700mA·h）3～4倍，達(dá)2A·h以上。這一切都對微電子產(chǎn)品的供電系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。

燃料電池電子設(shè)備新的水燃料電池將是世界上最小的具備2瓦輸出能力的電池。這種電池利用DoCoMo公司的recharger技術(shù)和Aquafairy公司的薄膜技術(shù)將水中的氫分離出來，而放電時氫也發(fā)生化學(xué)反應(yīng)重新變成水。同樣尺寸的水燃料電池所能提供的電能是甲醇燃料電池的8倍，也就是說水燃料電池完全可以做得非常小以適應(yīng)手機(jī)的尺寸。與鋰離子電池相比，水燃料電池的充電時間相當(dāng)，容量則大上數(shù)倍，因此手機(jī)的待機(jī)時間也可以延長至數(shù)星期乃至一兩個月，通話時間也可以不再用小時計算。燃料電池電子設(shè)備應(yīng)用東芝筆記本燃料電池新型燃料電池采用甲醇作為燃料，通過化學(xué)反映產(chǎn)生電能，與采用鋰電池的東芝公司自己生產(chǎn)的筆記本電腦相比，50CC的甲醇可以連續(xù)使用5小時，超過鋰電池兩倍以上。燃料電池的另一個好處時只需填充燃料，而不必像鋰電池那樣再次充燃料電池中的甲醇依靠含二氧化碳的氧氣的化學(xué)反映產(chǎn)生電能，排出物就是水，屬于無公害能源。東芝的燃料電池采用甲醇與氧氣直接產(chǎn)生化學(xué)反映的“直接反映甲醇”。東芝展示的燃料電池供電的筆記本樣機(jī)

燃料電池電子設(shè)備韓國的第一大化工公司LG化工已成功研制出可持續(xù)使用10小時的筆記本燃料電池。LG電子對外揭開了未來在筆記本上使用的甲醇燃料電池的神秘面紗，并宣布在今年的后半旬將全面商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，該燃料電池總體上比較便于攜帶。燃料電池電子設(shè)備日立終于在近期開發(fā)出如AA電池一般大小的燃料電池內(nèi)藏50立方厘米的甲醇，能讓普通的PDA產(chǎn)品堅持使用6-8個小時。而據(jù)說日立正在開發(fā)能讓甲醇濃縮的技術(shù)，到時候電池將會有更長的使用時間。燃料電池在汽車上應(yīng)用布什：美國要戒“石油癮”在加州力推氫能源汽車

美國總統(tǒng)布什在加利福尼亞州首府發(fā)表講話，呼吁國人改變習(xí)慣，盡快從傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)換到更清潔的氫能源汽車。布什在當(dāng)天在參觀“加州燃料電池伙伴計劃”時他說，如今原油價格飛漲，迫使消費(fèi)者為汽油付出高價，損害了美國經(jīng)濟(jì)競爭力，加重了環(huán)境污染，也使美國更嚴(yán)重地依賴外國石油資源供應(yīng)，因此美國必須改變“對石油上癮”的現(xiàn)狀。從2003年開始，美國在5年內(nèi)撥款12億美元資助氫燃料電池的研究，迄今已取得一定成果。本田的氫動力車FCX

本田的ＦＣＸ氫動力車已經(jīng)在美國加利福尼亞州獲準(zhǔn)上市。燃料電池在汽車上應(yīng)用上海神力科技有限公司120KW第三代燃料電池大巴發(fā)動機(jī)和車上海神力科技有限公司承擔(dān)了國家863計劃“燃料電池發(fā)動機(jī)”項目神力公司燃料電池車神力公司燃料電池發(fā)動機(jī)所采用的技術(shù)路線，不同于國際知名的大公司如加拿大巴拉德公司(BallardPowerSystems)、美國通用汽車公司(GM)等的高壓