燃料電池的發(fā)展和應(yīng)用

燃料電池的發(fā)展和應(yīng)用摘要：燃料電池涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等學(xué)科的有關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。總的來說，燃料電池具有以下特點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率高；它直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池系統(tǒng)的燃料一電能轉(zhuǎn)換效率在45%?60%,而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%?40%。安裝地點(diǎn)靈活；燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。本文介紹了燃料電池的發(fā)展歷程和應(yīng)用前景，并就其原理以及不足進(jìn)行了相關(guān)討論。關(guān)鍵詞：燃料電池；效率；安全性；實(shí)際應(yīng)用目錄一、 燃料電池的組成二、 燃料電池的原理與特點(diǎn)三、 燃料電池的分類堿性燃料電池血糖燃料電池四、 燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)五、 前景展望六、 參考文獻(xiàn)正文―、燃料電池的組成燃料電池的主要構(gòu)成組件為：電極、電解質(zhì)隔膜與集電器等。1、 電極，燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與還原劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所，其性能的好壞關(guān)鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。電極主要可分為兩部分，其一為陽極，另一為陰極，厚度一般為200—500mm；其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應(yīng)的電極表面積，而此也是燃料電池當(dāng)初所以能從理論研究階段步入實(shí)用化階段的重要關(guān)鍵原因之一。目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料制成，例如固態(tài)氧化物燃料電池（簡稱SOFC）的Y203—stabilized—ZrO2（簡稱YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC）的氧化鎳電極等，而低溫燃料電池則主要是由氣體擴(kuò)散層支撐一薄層觸媒材料而構(gòu)成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC）的白金電極等。⑶2、 電解質(zhì)隔膜，電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強(qiáng)度，就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質(zhì)，目前主要朝兩個發(fā)展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰一鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內(nèi)，另一則是采用全氟磺酸樹脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。3、 集電器，集電器又稱作雙極板（BipolarPlate），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設(shè)計及其加工技術(shù)。二、燃料電池的特點(diǎn)與原理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；發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機(jī)組的容量的自由度大；電池本體的負(fù)荷響應(yīng)性好，用于電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)于其他發(fā)電方式；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)。如此由燃料電池構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)對電力工業(yè)具有極大的吸引力。燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個電極以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池氫-氧燃料電池反應(yīng)原理這個反應(yīng)是電解水的逆過程。電極應(yīng)為：負(fù)極：H2+2OH-—2H20+2e-正極：1/2O2+H2O+2e—2OH-電池反應(yīng)：H2+1/2O2==H2O在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。酸性燃料電池中發(fā)生的反應(yīng)為：燃料極：H2=2H+2e-(1)空氣極：2H+1/2O2+2e-=H2O(2)全體：H2+1/202二H20（3）氫氧燃料電池組成在燃料極中，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02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)。一系例的反應(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02生成的H20，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。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應(yīng)面積成比。三、燃料電池的分類燃料電池可分為很多種類型。按燃料的處理方式的不同，可分為直接式、間接式和再生式。直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型。間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池。再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學(xué)燃料電池等。按照電解質(zhì)類型的不同，可分為堿型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸鹽型、固體電解質(zhì)型燃料電池。1、堿性燃料電池堿性燃料電池（AFC）是第一個燃料電池技術(shù)的發(fā)展，最初由美國航空航天局的太空計劃，同時生產(chǎn)電力和水的航天器上°AFCS繼續(xù)使用NASA航天飛機(jī)上的整個程序中，除了數(shù)量有限的商業(yè)應(yīng)用。AFCS使用如氫氧化鉀在水中的堿性電解液，一般燃用純氫氣。第一個在100ºC和250ºC，但典型的工作溫度下運(yùn)行的自動飛行控制系統(tǒng)，大約有70ºC。作為一個結(jié)果，在低的操作溫度，它是沒有必要采用一種在系統(tǒng)中的鉑催化劑，而是可以使用各種非貴金屬作為催化劑，以加快反應(yīng)，在陽極和陰極發(fā)生。鎳是最常用的催化劑在AFC單元。由于這些細(xì)胞的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生率比較高的燃料，電力的轉(zhuǎn)換效率，在某些應(yīng)用中高達(dá)60%。2、血糖燃料電池美國麻省理工學(xué)院的工程師最新研制一種微型電池原型，從人體自然血糖分子中產(chǎn)生電能。這種電池將用于驅(qū)動治療癲癇、癱瘓以及帕金森氏癥患者的大腦植入器。據(jù)悉，當(dāng)前植入人體的裝置通常是由鋰電池提供動力，但是這種電池使用時間非常有限，必須進(jìn)行更換。再次進(jìn)入人體組織更換電池并不是醫(yī)生所喜歡做的事情，如果更換大腦植入器的電池就變得更加棘手了。美國麻省理工學(xué)院電子工程和計算機(jī)科學(xué)副教授拉胡爾-薩爾皮什爾帶領(lǐng)一支研究小組負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究，他們使用鉑催化劑放置在末端，一層碳納米管在另一端來建造這個電池，它們放置在一個硅片上，從而將電流連接至大腦植入器上。當(dāng)大腦組織中的血糖分子流經(jīng)鉑催化劑，伴隨其氧化過程，電子和氫離子將分離開來。在電池另一端，當(dāng)氧分子與單壁碳納米管接觸時，與氫離子混合形成水，該電池最多可產(chǎn)生180微瓦功率的電能，足以驅(qū)動一個大腦植入器發(fā)送信號繞開受損大腦組織，或者刺激大腦組織（用于治療帕金森氏癥的方法）。血糖電池是一個較早的概念，最早出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，2010年，法國科學(xué)家設(shè)計了一種類似的電池用于驅(qū)動起搏器。這種電池混合了石墨和酶，能夠從血糖中分離電子。但這種電池的問題在于酶動力電池?zé)o法提供像鋰電池一樣的電能輸出。只要存在血糖和水，麻省理工學(xué)院最新研制的電池就能長時間持續(xù)工作，提供動能的血糖來自于環(huán)繞大腦組織周圍的腦脊液。多數(shù)血糖并不能被人體使用，而這種電池僅使用很少部分的血糖，并不會影響大腦功能。四、燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)能源安全性。自1970年代的石油危機(jī)后，各大工業(yè)國對石油的依賴仍有增無減，而且主要靠石油輸出國的供應(yīng)。美國載客車輛每日可消耗約600萬桶油，占油料進(jìn)口量之85%。若有20%的車輛采用燃料電池來驅(qū)動，每日便可省下120萬桶油。國防安全性。燃料電池發(fā)電設(shè)備具有散布性的特質(zhì)，它可讓地區(qū)擺脫中央發(fā)電站式的電力輸配架構(gòu)。長距離、高電壓的輸電網(wǎng)絡(luò)易成為軍事行動的攻擊目標(biāo)。燃料電池設(shè)備可采集中也可采分散性配置，進(jìn)而降低了敵人欲癱瘓國家供電系統(tǒng)的風(fēng)險。高可靠度供電。燃料電池可架構(gòu)于輸配電網(wǎng)絡(luò)之上作為備援電力，也可獨(dú)立于電力網(wǎng)之外。在特殊的場合下，模塊化的設(shè)置（串聯(lián)安裝幾個完全相同的電池組系統(tǒng)以達(dá)到所需的電力）可提供極高的穩(wěn)定性。燃料多樣性?，F(xiàn)代種類繁多的電池中，雖然仍以氫氣為主要燃料，但配備「燃料轉(zhuǎn)化器（或譯重組器，fuelreformer）」的電池系統(tǒng)可以從碳?xì)浠衔锘虼碱惾剂现休腿〕鰵湓貋砝?。此外如垃圾掩埋場、廢水處理場中厭氧微生物分解產(chǎn)生的沼氣也是燃料的一大來源。利用自然界的太陽能及風(fēng)力等可再生能源提供的電力，可用來將水電解產(chǎn)生氫氣，再供給至燃料電池，如此亦可將「水」看成是未經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料，實(shí)現(xiàn)完全零排放的能源系統(tǒng)。只要不停地供給燃料給電池，它就可不斷地產(chǎn)生電力。高效能。由于燃料電池的原理系經(jīng)由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，而非產(chǎn)生大量廢氣與廢熱的燃燒作用，現(xiàn)今利用碳?xì)淙剂系陌l(fā)電系統(tǒng)電能的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40~50%；直接使用氫氣的系統(tǒng)效率更可超過50%；發(fā)電設(shè)施若與燃?xì)鉁u輪機(jī)并用，則整體效率可超過60%；若再將電池排放的廢熱加以回收利用，則燃料能量的利用率可超過85%。用于車輛的燃料電池其能量轉(zhuǎn)換率約為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的3倍以上，內(nèi)燃引擎的熱效率約在10~20%之譜。環(huán)境親和性?？茖W(xué)家們已認(rèn)定空氣污染是造成心血管疾病、氣喘及癌癥的元兇之一。最近的健康研究顯示，市區(qū)污染性的空氣對健康的威脅如同吸入二手煙。燃料電池運(yùn)用能源的方式大幅優(yōu)于燃油動力機(jī)排放大量危害性廢氣的方案，其排放物大部份是水份。某些燃料電池雖亦排放二氧化碳，但其含量遠(yuǎn)低于汽油之排放量（約其1/6）。燃料電池發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生1000仟瓦-小時的電能，排放之污染性氣體少于1盎斯；而傳統(tǒng)燃油發(fā)電機(jī)則會產(chǎn)生25磅重的污染物。因此，燃料電池不僅可改善空氣污染的情況，甚可能許給人類未來一片潔凈的天空?？蓮椥栽O(shè)置/用途廣。燃料電池的迷人之處在于其多樣風(fēng)貌。除了前述的集中分散兩相宜的特點(diǎn)外，它還具有縮放性。利用黃光微影技術(shù)可制作微型化的燃料電池；利用模塊式堆棧配置可將供電量放大至所欲的輸出功率。單一發(fā)電元所產(chǎn)生的電壓約為0.7伏特，剛好能點(diǎn)亮一只燈。將發(fā)電元予以串接，便構(gòu)成燃料電池組，其電壓則增加為0.7伏特乘以串聯(lián)的發(fā)電元個數(shù)。燃料電池的劣勢主要是價格和技術(shù)上存在一些瓶頸，摘列如下：燃料電池造價偏高:車用PEMFC之成本中質(zhì)子交換隔膜(USD300/m2)約占成本之35%;鉑觸媒約占40%,二者均為貴重材料。反應(yīng)/啟動性能：燃料電池的啟動速度尚不及內(nèi)燃機(jī)引擎。反應(yīng)性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應(yīng)控制參數(shù)來達(dá)到，但提高穩(wěn)定性則必須避免副反應(yīng)的發(fā)生。反應(yīng)性與穩(wěn)定性常是魚與熊掌不可兼得。碳?xì)淙剂蠠o法直接利用：除甲醇外，其它的碳?xì)浠衔锶剂暇杞?jīng)過轉(zhuǎn)化器、一氧化碳氧化器處理產(chǎn)生純氫氣后，方可供現(xiàn)今的燃料電池利用。這些設(shè)備亦增加燃料電池系統(tǒng)之投資額。FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主，車體的載運(yùn)量因而受限，每次充填量僅約2.5~3.5公斤，尚不足以滿足現(xiàn)今汽車單程可跑480~650公里的續(xù)航力。以-253°C保持氫的液態(tài)氫系統(tǒng)雖已測試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫，使氫維持于液態(tài)，且從隙縫蒸發(fā)而流失的氫氣約為總存量的5%。氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足：氫氣在工業(yè)界雖已使用多年且具經(jīng)濟(jì)規(guī)模，但全世界充氫站僅約70站，仍值示范推廣階段。此外，加氣時間頗長，約需時5分鐘，尚跟不上工商時代的步伐。五、前景與展望便攜式電子設(shè)備廠家多年來受LIB的困擾，苦于沒有出路，汽車領(lǐng)域里燃料電池的曙光激發(fā)出開發(fā)小巧燃料電池,一發(fā)不可收拾。最先投入研究與開發(fā)的是歐美風(fēng)險企業(yè),日本便攜式電子設(shè)備制造商跟隨其后，緊追不舍，這些廠家參與燃料電池開發(fā)，各自大膽采用新材料，并且相繼獲得突破性進(jìn)展，于2001年里分別發(fā)表小巧燃料電池