收稿日期:2005-11-03
作者简介:杨润红(1974-),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士研究生,研究方向为能量转换与工质热物性.
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,北京100044)
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;工作原理;特性;研发现状
中图分类号:TM911.4 文献标识码:A 文章编号:1673-1670(2006)02-0079-05
1839年,英国的William Grove 首次发现了水解过程逆反应的发电现象[1],燃料电池的概念从此开始.100多年后,英国人Francis T.Bacon 使燃料电池走出实验室,应用于人们的生产活动[2].20世纪60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[3].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.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间断地工作.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].
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间迁移,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[6].
2 燃料电池的发展简史、分类及各自特性
1839年,William Grove 提出了氢和氧反应可以发电的
原理,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.
1896年,W.W.Jacques 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.
1897年,W.Nernst 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.
1900年,E.Baur 研究小组发明了熔融碳酸盐型燃料
电池(MCFC ).此后,I.Taitelbaum 等人就此进行了一些拓展性的研究.
1902年,J.H.Reid 等人先后开始研究碱质型燃料电
池(AFC ).
1906年,F.Haber 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(SPFC )的雏形.
1952年,英国学者F.T.Bacon 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
第21卷第2期2006年4月 平顶山学院学报Journal of Pingdingshan University
Vol.21No.2
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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[7].
20世纪60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]
:
图1 燃料电池工作原理图
2.1 碱性燃料电池(alkaline fuel cell 简称AFC )这种电池是以氢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 -
,使用的电催化剂主要是贵金属(如铂、钯、金、银等)和过渡金属(如镍、钴、锰等)或者由它们组成的合金.电池的工作温度一般在60℃～90℃范围.它设计简单,但不耐CO 2,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(phosphoric acid fuel cell 简称PAFC )
这种电池一般以Pt/C 为电极基材,电解质为吸附于
SiC 上的85%的磷酸溶液,工作温度范围在150℃～200℃,
其主要优点是产生热量高,产生CO 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(proton exchange membrane fuel
cell 简称PEMFC )
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(molten carbonate fuel cell 简称
MCFC )
该型电池采用多孔Ni/Al/Cr 作阳极,NiO 为阴极,
Li 2CO 3/Na 2CO 3为电解质,并加入LiAlO 2做稳定剂.MCFC
型燃料电池由于反应温度高,正常工作温度在650℃左右,电解质成熔融态,电荷移动很快,在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CO.主要缺点是启动时间长.
2.5 固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell 简称SOFC )
固体氧化物燃料电池,又称高温燃料电池,电解质采用
ZrO 2+Y 2O 3,阳极为Ni +ZrO 2(Y 2O 3),阴极为La/SrMnO 3.
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,工作温度要维持在800～1000℃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CO ,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],可分为:低温燃料电池(工作温度一般低于100℃
),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100℃～300℃
),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
600℃～1000℃),它包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化
物燃料电池.
表1是各种类型燃料电池的结构特性[10-13].
3 应用及国内外研发现状[14-20]
3.1 AFC
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.20世纪80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
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了其他用途的开发.美国U TC公司曾试制过60kW、80kW 的深水探查船用电源及30kW深海潜水救助艇用的电源,德国西门子公司曾试制过100kW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Elenco 公司及美国UCC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kW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200W氨一空气的碱性燃料电池系统,制成了1kW,10kW,20kW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、CO2及CO的燃料气,使用空气也必须脱除空气中的CO2,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
类 型AFC PAFC PEMFC MCFC SOFC
适用燃料纯H2H2和CO H2H2和CO H2和CO
氧化剂纯O2空气空气空气空气
阳极材料Pt/Ni Pt/C Pt/C Ni/Al/Cr Ni/ZrO2
阴极材料Pt/Ag Pt/C Pt/C Li/NiO Sr/LaMnO3
结构型式单极或双极双极单极或双极单极或双极双极
外壳材料聚合物石墨石墨聚合物α-Al2O3
电解质NaOH(KOH)溶液H3PO4质子可渗透膜Li2/Na2CO3YSZ
催化剂铂系金属铂系金属铂系金属无无
正极反应H2+2OH-?2H2O+2e-H2?2H3+2e-H2?2H3+2e-H2+CO32-?H2O+CO2+2e-H2+O2-?H2O+2e-
负极反应1/2O2+H2O+2e-?2OH-1/2O2+2H3+2e-?H2O1/2O2+2H3+2e-?H2O1/2O2+CO2+2e-?CO32-1/2O2+2e-?O2-
导电离子OH-H+H+CO32-O2-
工作温度/°C60～90150～20085～100约650800～1000
腐蚀性强强无强弱
发电效率/%60～65约4045～5045～60约50
应用领域航天、特殊地面局部独立供电、供热航天、潜艇、电动汽车、移动电源大规模发电洁净电站大规模发电
3.2 PAFC
该型电池技术成熟,目前这类电池在城市发电,供气及其他工业项目上广为试用.如在宾馆、医院、办公楼、工厂等地方用PAFC来进行辅助供电、供热.还有一种采用生物气体的PAFC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PAFC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PAFC电站技术的国家,而日本是PAFC电站技术发展最快的国家,PAFC在日本已进入产业化阶段.日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PAFC商业化方面已与美国并驾齐驱.目前,日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50kW,100kW,200kW,1000kW,5 000kW,11MW等各种规格的PAFC电站.英国、德国、荷兰、比利时、意大利、丹麦、瑞典、芬兰等9个国家22家公司于1989年9月11日成立的欧洲燃料电源集团(EFCG)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,美日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,PAFC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 PEMFC
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20世纪60年代就将PEMFC电池用于双子星座航天飞机.它又是电动车的最佳驱动电源,受到美国、德国、加拿大和日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.1993年,加拿大Ballard公司研制出世界上第一辆燃料电池公共汽车.1999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.汽车工业的介入是推动PEMFC快速发展的最主要的动力.
总部位于加拿大温哥华的Balard Power System公司被公认为是世界开发、生产和营销零排放质子交换膜(PEM)燃料电池的领先者.国内从事PEMFC研究的单位主要有
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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50kW以上,可用于电动汽车的燃料电池动力模块的能力.
PEMFC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PEMFC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Si-Mo酸共沉积制备催化剂,所得催化剂比E-TEK公司的催化活性要高,用他们自己制备的催化剂组装的DMFC的电压为0.38V,电流大约在几十个mA.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—还原—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PVC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PVC催化剂.
3.4 MCFC
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,从事熔融碳酸盐燃料电池研究和开发的主要单位为煤气技术研究所(IGT),该所已于1987年组建了M—C动力公司和能量研究所(ERC),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1981年开始研究发展熔融碳酸盐燃料电池技术,在完成1kW,10kW,30kW和100kW熔融碳酸盐燃料电池系统的试验后,于1988年由23家公司成立了熔融碳酸盐燃料电池研究协会,目的是发展1000kW的熔融碳酸盐燃料电池分散电站.1993年,大连化物所由所长基金资助10万元开展了MCFC研究,1994年中科院将MCFC列为院重点项目,投资50万元加以支持,目前大连化物所已完成LiAlO2隔膜材料的制备,小电池设计及评价装置的建立.单电池性能已达到日本20世纪80年代中期水平、正准备开展百W 级MCFC装置的研制.
研究表明,成本和寿命是影响MCFC的主要障碍,阴极溶解、阳极蠕变、高温腐蚀和电解质损失是主要影响因素.因此,研制新的电极材料,改进密封技术将是今后一段时期的研究关键.
3.5 SOFC
美国对SOFC的研究处于世界领先地位,2001年8月更又投资5亿美元进行SOFC的研制开发.目前美国国内进行该项目的单位主要有西屋动力公司,霍尼韦尔公司, Delphi自动系统公司等几家.作为日本“月光计划”的一部分,日本国内的三菱重工业公司在这一方面发展迅速,计划2010年将SOFC推入实用化水平.国内SOFC的主要研制单位有大连化物所,中科院上海硅酸盐研究所,吉林大学,中国科技大学,中科院北京化冶所等单位.目前我国已具备了研制数kW级SOFC发电系统的能力.
SOFC在高温下工作也给其带来一系列材料、密封和结构上的问题,如电极的烧结,电解质与电极之间的界面化学扩散以及热膨胀系数不同的材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等,这些也在一定程度上制约着SOFC的发展,成为其技术突破的关键方面.
总的来说,美国、日本、加拿大以及一些欧洲国家介入燃料电池的研发较多,特别是美国和日本是研究投入较多的国家,开发应用也处于世界前列.对燃料电池的研究,我国也投入了相当大的人力物力.在燃料电池的基本理论研究方面,我们与世界先进国家的差距不太大,但在结构优化、材料应用,关键部件的设计与生产方面有一定差距. 1997年,国家科委批准将“燃料电池技术”列为国家“九五”计划中重大科技攻关项目之一.1999年国家电力总公司成立了燃料电池课题组,并于1999年3月召开了中国燃料电池电站技术路线研讨会.在国家自然科学基金会、“863”计划和国家科委等的支持下,国内参与燃料电池研究的单位主要集中在中科院系统和大学.中科院上海硅酸盐研究所、上海冶金研究所、长春应用化学研究所和大连化学物理研究所,清华大学、上海交通大学、北京科技大学和华南理工大学等从事了MCFC、SOFC和PEMFC燃料电池的基础性研究.中科院大连化学物理研究所对质子交换膜燃料电池进行了详尽的研究,并开发出多种功率等级的PEMFC.近年来,随着研究机构和经费投入的不断增加,我国对燃料电池催化剂的研究取得了可喜的成果,从事质子交换膜燃料电池原材料及半成品制造的公司开始出现,相信我国的燃料电池研究将出现一个崭新的局面.
4 燃料电池的应用前景展望
随着人类能源和生存环境的问题日益严峻,积极发展高效无污染的能源成为日益迫切的课题,燃料电池作为21世纪的绿色能源,它的高效无污染的突出优点是其它发电方式所无法比拟的[21-23]:
1)污染小:火电站排出烟气、汽车排出尾气中的SO2和NO x等污染物污染了环境,更直接危害人的身体健康.以氢氧燃料电池为例,它的反应产物是水,与传统的火力发电相比较,它减少了粉煤灰造成的大气污染;同时,由于它自身不需要用水冷却,可以减少传统发电带来的废热污染;
2)噪音低:燃料电池发电时噪声很小,实验表明,距离40kW磷酸燃料电池电站4.6m的噪声水平是60dB,而4. 5MW和11MW的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55dB的水平;
3)系统负荷变动的适应能力强:火力发电的调峰问题一直是个难题,发电出力的变动率最大为5%,且调节范围窄.而燃料电池发电出力变动率可达每分钟66%,对负荷的应答速度快,启停时间很短.另外,燃料电池即使负荷频繁变化,电池的能量转化效率也并无大的变化,运行得相当平稳.
4)燃料来源广:燃料电池可以使用多种多样的初级燃料,包括火力发电厂不宜使用的低质燃料.作为燃料电池燃料来源的不仅可以是可燃气体,还可以是燃料油和煤.煤炭
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是我国的主要能源,煤炭的利用存在着污染大、效率低、资源不能充分合理利用的紧迫问题.通过煤制气的方式为燃料电池提供原料气而得到电能,是解决上述问题的有效手段.
5)易于建设:燃料电池具有组装式结构,不需要很多辅机和设施.由于电池的输出功率由单电池性能、电池面积和单电池数目决定,因而燃料电池电站的设计和制造也是相当方便的.
6)能量转化效率高:伴随着工业化的进程,全世界对能源的需求量也日益增加.目前,绝大多数的能量需求要通过消耗大量的化石燃料来满足,在传统的能源利用方式中,储存于燃料中的化学能必须转变成热能后才能被转变成机械能或电能,受卡诺循环及材料性能的限制,在机端所获得效率只有33%～35%.而燃料电池是直接把化学能转变为电能,不经过热机过程,不受卡诺循环的限制,因而转化效率特高.目前,汽轮机或柴油机的效率最大值仅为40%～50%.当用热机带动发电机发电时,其效率仅为35%～40%;而燃料电池理论上能量转化率在90%以上,在实际应用中,其综合利用效率亦可达70%以上.
燃料电池良好的环境特性使其应用前景非常广阔:军事、高可靠性的后备电源、分散式发电装置和未来的汽车动力电源等市场.不同种类的燃料电池有着不同的适用范围和发展前景.例如:PEFC因其启动快,无泄漏的突出优点,可望在家庭供电、供热和电动车电源方面得到广泛的应用; MCFC和SOFC适合中大容量发电装置,并有可能同燃气轮机发电装置或汽轮机发电装置组成高效发电装置.
尽管燃料电池的市场前景十分诱人,但是仍有一些目前尚未解决的不利因素制约着它的产业化和商业化进程.如原材料成本、电极组装工艺、燃料的贮存和运输等.
5 结束语
今天,全人类都面临着能源、环保、交通问题的困扰,对燃料电池的开发研究以及商业化是解决世界节能和环保的重要手段,因此,世界各国都投入巨大的人力物力到这项工作中来.我们国家也要进一步加大资金投入,支持基础与应用研究,发展我国的燃料电池工业,赶超世界先进水平.相信随着科技的飞速发展和能源工作者的极大关注,随着人们对新材料,新技术,如贮氢,催化,质子交换膜等方面的深入研究,逐步消除制约其产业化和商业化的不利因素,燃料电池技术一定能为人类可持续发展,提高燃料利用效率,改善人类生存环境做出显著的贡献.
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Several Methods to T reat Phosphor -containing W aste w ater
Li Shuang -mei ,Han Hong -mei
(Department of Petrochemical and Environmental Engineering ,Puyang Vocational Technical College ,Puyang
City ,Henan )
Abstract :The main phosphor -containing wastewater treatment methods are currently used in our coun 2try and these technological conditions and treatment effects are introduced ,these methods including sedimen 2tary ,coagulative precipitation ,absorptive ,ion exchanging and biological methods.
K ey w ords :phosphor -containing wastewater ;removing phosphor ;Methods
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Investigation of Fuel Cell ’s Application and Development
YAN G Run -hong ,CHEN Yun -xuan ,CHEN G eng ,CHEN Mei -qian ,L I Guo -xiu (School of Mechanical ,Electronic and Control Engineering Beijing Jiaotong University ,
Beijing 100044,China )
Abstract :Energy source and the environment are important problems that human beings now face.Thinking about the requirements of sustainable development ,fuel cell technology is attracting the attention of energy workers.From the introduction of the operating principles ,development history ,classification and character of the fuel cell ,the article gives detailed analysis and expounds on the applications and presentstate of research of fuel cells and gives prospects for the future.
K ey w ords :fuel cell ;operating principle ;character ;R &D
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膜材料科学与技术 令狐采学 课程作业 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 任课教师：陈鹏鹏老师 姓名：鲜开诚 学号：C61114012 专业：新能源材料与器件 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 鲜开诚 （安徽大学化学化工学院合肥 230601） 摘要质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为新一代能源技术被广泛应用。离子交换膜作为燃料电池的核心元件，同时起到分隔燃料和氧化剂，传导质子的双重作用。本文简介了燃料电池质子交换膜及其工作原理；介绍了现有的几种质子交换膜的结构与性能及最新研究状况；展望了质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；聚合物 Advances and Development Trends in Proton Exchange Membranes for Fuel Cells Xian Kai-cheng
(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University,Hefei 230601,Anhui Province,China) Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), is being widely used as a new generation of energy technology.Ion exchange membrane,as a core component of PEMFC,is of the ability of separating fuels and oxidizing agent as well as conducting protons.In this paper, proton exchange membrane and its operating principle are introduced;the structure and performance of kinds of proton exchange membrane as well as their recent study are reviewed; outlook of the development trend ofproton exchange membranes are provided. Key words proton exchange membrane; fuel cell; polymer 1燃料电池质子交换膜及其工作原理 燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应方式直接转换成电能的高效电装置,其能量转换率高,是一种环境友好的新型能源。 燃料电池的种类很多,质子交换膜燃料电池是其中的一种,其最大的优点在于它能在室温附近工作,而且电池启动快,能量转换率高,它不仅可以替代普通的二次电池,而且可以作为汽车的动力源,从而大大减少环境污染。质子交换膜在燃料电池中所
简述燃料电池的应用及发展状况 摘要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。目前燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力能源方面已得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范，但低成本、长寿命仍是商业化面临的瓶颈问题。而且我国在燃料电池方面的研究与外国还有一定差距，需要科研工作者更多的努力。 关键字：燃料电池分类应用发展状况 1. 燃料电池的概念 燃料电池（Fuel Cell）是一种电化学设备，它直接、高效地将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能。燃料电池的基本物理结构由一个 电解质层组成，它的一边与一个多孔渗透 的阳极相连，另一边与一个多孔渗透的阴 极相连，气态燃料电池连续不断地输入阳 极（负电极），同时氧化剂连续不断地输 入阴极（正电极），在两个电极上发生电 化学反应，产生电流[1]。其基本结构如图 所示： 2. 燃料电池的分类及其优点 随着现代文明发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式存在两大弊病：一是储存于燃料中的化学能要首先转变成热能后才能被转变成电能或机械能，受卡诺循环及现代材料的限制，转化效率低（33~35%），造成严重的能源浪费；二是传统的能源利用方式造成了大量的废水、废气、废渣、废热和噪声污染，严重威胁着人类的生存环境。现代社会所建立起来的庞大的能源系统已无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临着巨大的挑战：能源短缺与环境污染，因此探索新能源以及新的能源利用方式，是全球可持续发展迫切需要解决的重大课题。 燃料电池是一种电化学发电装置，等温地按电化学方式将化学能转化为电
燃料电池客车发展情况及技术发展趋势一、燃料电池汽车政策分析 《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策方的通知》（财建(2015)134号）中明确：“2017-2020年，除燃料电池汽车外，其他车型补助标准适当退坡”，明确了国家对燃料电池汽车产业发展的支持态度。而《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中提出，要系统推进燃料电池汽车研发与产业化，到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示应用。 在财政补贴层面，国家也给予了大力支持，包括整车补贴、加氢站补贴、免征购置税以及运营补贴等。其中，整车补贴额度从20万到50万每辆不等，一个加氢站则补贴400万元，运营补贴中，燃料电池客车补贴为6万元/辆/年。 二、氢燃料电池产业链概述 氢燃料电池汽车产业链包括制氢、储氢、运氢、加氢、应用（燃料电池汽车/有轨电车）等环节。 氢气制造一般是通过将化石原料、化工原料、工业尾气、可再生能源以及水等经过处理来获取，每种获取途径其成本和环保属性都不同。中国目前主要通过工业尾气处理以及电解水来制氢。长河认为，对于燃料电池来说，现在配套基础设施还有待进一步完善，需要政府以及行业机构以及专家尽快推进立法和相应的技术标准予以规。
长河表示，制氢的方法和方案比较多，而目前燃料电池汽车使用最大瓶颈和最大的障碍是缺乏加氢站。据其统计，截止到2013年底，全球加氢站只有228座，对于我国来说，我国真正投入商业化、用于燃料电池的加氢站只有两座，仅仅限于国比较大的城市，就是和，处于示运营阶段，与国外说的氢高速公路，也就是一条高速公路有多个加氢站相比，差距比较大。 在整个氢燃料电池产业链中，氢燃料电池发动机处于绝对的核心地位，氢燃料经过发动机转化为电能应用到终端。长河表示，目前制约中国燃料电池汽车发展的瓶颈，就是氢燃料电池发动机。虽然国有不少高校和相应科研机构以及企业，在就燃料电池发动机技术展开相应研究和示性运营应用，但是氢燃料电池发动机核心技术，这两年通过评估，能够达到产业化或者达到工业化应用的，核心技术仍然掌握在国外企业手中。
燃料电池及其发展前景 燃料电池及其发展前景 作者: Raymond George Klaus Hassmann燃料电池具有非同寻常的性能：电效率可达60％以上，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的4种主要燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重点介绍高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的应用及其发展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market．燃料电池是通过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料(如天然气、甲醇或纯净氢气)的化学反应直接产生出电能。与汽轮发电机生产的电能相比，燃料电池具有非同寻常的特性：它的电效率可达60％以上，可以在带部分负荷运行的情况下进行维修，而且除了排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其他的有害排放物。1 燃料电池的分类目前研制的燃料电池技术在运行温度上有不同的类型，从比室温略高直到高达1000℃的范围。大多数工业集团公司的注意力集中在以下4种主要类型上：(1)运行温度在60-80℃之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池(PEMFC)；(2)运行温度在160-220℃之间的磷酸类燃料电池(PAFC)；(3)运行温度在620-660℃之间的熔融碳酸盐类燃料电池(MCFC)；(4)运行温度在880-1000℃之间的固体氧化物燃料电池(SOFC)。可以将这些类型的燃料电池划分为低温型(100℃及以下)、中温型(约200℃左右)及高温型(600-l000℃)燃料电池。表1简要地列出了各种类型燃料电池的性能。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池对于静止装置和移动式装置都适用。实用装置的功率容量差别也很大，可以给笔记本电脑及移动电话供电(数以W计)，也可以给居民住宅(数kW)或是分散的电热设备和动力设备(数百KW到数MW)供电。最适于用来驱动汽车的是低温型燃料电池。根据使用期限成本进行的经济性比较结果表明，就发电成本而言，SOFC型燃料电池要PEM型低30％。这个结果是根据SOFC型燃料电池的电效率比PEM型的高，
题目名称： 姓名： 班级： 学号： 日期： 机电工程学院
燃料电池发电技术 摘要: 介绍了各种类型燃料电池( 碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及质子交换膜燃料电池) 的技术进展、电池性能及其特点。其中着重介绍了当今国际上应用较广泛、技术较为成熟的磷酸燃料电池。对燃料电池的应用前景进行探讨, 并对我国的燃料电池研究提出了一些建议。 关键词: 燃料电池; 磷酸燃料电池; 燃料电池有多种类型, 按使用的电解质不同来分类, 主要有碱性燃料电池(AFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 、磷酸燃料电池( PAFC)等。 燃料电池的发展过程： 1889：L.Mond和https://www.doczj.com/doc/1317972745.html,nger以多孔非传导材料为隔膜，组装出采用氢气-氧气的燃料电池，接近现代的FC 1923：A.Schmid提出多孔气体扩散电极的概念，在此基础上： 1950：培根(Francis Bacon)研制成功碱性燃料电池，并被NASA确定为其太空计划的动力源. ——成功作为60年代Apollo登月飞船的主电源 1960：美国通用电气研制出采用聚苯乙烯磺酸膜的质子交换膜燃料电池PEMFC，且于1960年10月首次用于双子星座(Gemini)飞船的主电源 ——由于膜的降解，缩短了电池寿命，污染了宇航员的饮用水 1962：杜邦（Du Pond）公司开发成功全氟磺酸膜，并被通用组装成长寿命（57000h）的PEMFC，并在卫星上做了小电池的搭载实验。解决了以上问题 ——因价格原因，未能中标美国航天飞机电源，导致PEMFC研究停滞 ——让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池 1970年代：其它燃料电池陆续面世——磷酸(Phosphoric Acid) PAFC、溶融碳酸盐 (Molten Carbonate) MCFC、固体氧化物(Solid Oxide) SOFC 1983：Ballard在加国防部支持下，研制成功新型全氟磺酸膜，实现“电极-膜-电极”三合一组建（MEA） 各种燃料电池发展状况 1. 1 碱性燃料电池(AFC) 20 世纪50 年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究, 并在60 年代中期
燃料电池原理与发展 燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。 近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 介绍一下熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述 1.1 燃料电池简述燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，结构如图1-1所示。它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。同汽油发电机相似，它的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐的贮量决定。总体上，燃料电池具有以下特点： (l) 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。 (2) 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。
收稿日期:2005-11-03 作者简介:杨润红(1974-),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士研究生,研究方向为能量转换与工质热物性. 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,北京100044) 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;工作原理;特性;研发现状 中图分类号:TM911.4 文献标识码:A 文章编号:1673-1670(2006)02-0079-05 1839年,英国的William Grove 首次发现了水解过程逆反应的发电现象[1],燃料电池的概念从此开始.100多年后,英国人Francis T.Bacon 使燃料电池走出实验室,应用于人们的生产活动[2].20世纪60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[3].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.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间断地工作.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]. 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间迁移,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[6]. 2 燃料电池的发展简史、分类及各自特性 1839年,William Grove 提出了氢和氧反应可以发电的 原理,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. 1896年,W.W.Jacques 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. 1897年,W.Nernst 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. 1900年,E.Baur 研究小组发明了熔融碳酸盐型燃料 电池(MCFC ).此后,I.Taitelbaum 等人就此进行了一些拓展性的研究. 1902年,J.H.Reid 等人先后开始研究碱质型燃料电 池(AFC ). 1906年,F.Haber 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(SPFC )的雏形. 1952年,英国学者F.T.Bacon 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 第21卷第2期2006年4月 平顶山学院学报Journal of Pingdingshan University Vol.21No.2 Apr.2006
国内燃料电池汽车发展现状分析正文目录 在政策支持方面，我国政府也非常重视燃料电池汽车等清洁汽车技术的发展。《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出：“增强汽车工业自主创新能力，加快发展拥有自主知识产权的汽车发动机、汽车电子、关键总成及零部件。鼓励开发使用节能环保和新型燃料汽车”。2006年2月，国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》将“低能耗与新能源汽车”和“氢能及燃料电池技术”分别列入优先主题和前沿技术。在国家《节能中长期专项规划》及相应的十大重点节能工程中，强调要“发展混合动力汽车、燃气汽车、醇类燃料汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车等清洁汽车”。国家发展和改革委员会与科学技术部共同向社会公布的《中国节能技术政策大纲》中同样也强调要“研究电动汽车等新型动力”。“九五”和“十五”期间，国家都把燃料电池汽车及相关技术研究列入科技计划，国家863计划和973计划都设立了许多与此相关的科研课题。“十五”国家重大科技专项之一的“电动汽车专项”将燃料电池汽车列为重要内容，国家投人近9亿元。“十一五”国家继续支持“节能与新能源汽车”，包括燃料电池汽车的研究。 在技术现状方面，1998年，清华大学研制出中国第一辆燃料电池汽车，其燃料电池由北京富源燃料电池公司提供；1999年北京富源燃料电池公司与清华大学合作开发出燃料电池乘用车；2001年，北京绿能公司与清华大学和北京工业学院合作，研制出以燃料电池为动力的出租车、客车和12个座位的公共汽车；2004年，国家甲醇燃料汽车示范工程在长治正式启动并通过了国家验收；2005年，上海神力科技有限公司研制的绿色燃料电池游览车投入试运，总行驶里程达1.2万公里，无故障运行时间达2000小时；2006年，由同济大学等单位共同研发“超越三号”燃料电池轿车在第八届“比比登清洁能源汽车挑战赛”中表现抢眼，四项比赛评分均为“A”，并在两个单项比赛中获得第一。 我国燃料电池汽车研发采用了与国际同领域权威单位不同的技术路线，开发出了独具特色的能量混合型和功率混合型两种燃料电池混合动力系统，具有电——电混合、平台结构、模块集成的技术特征，燃料经济性高于国外同类样车特别是纯燃料电池驱动模式样车，轿车和客车两种车型节氢效果均十分显著，现已经成为国际上主流构型。新一代的燃料电池汽车动力平台也已经基本建立。 在产业化目标方面，我国燃料电池电动汽车产业化目标是，2006～2010年期间，通过示范运行，找出薄弱环节，攻克技术难关，实现燃料电池电动汽车的小批量试制；2010～2020年，争取燃料电池电动汽车的批量生产；2020～2030年，我国电动汽车整体技术水平要基本与国际电动汽车水平相当，并且实现燃料电池电动汽车的大批量生产。 在燃料电池汽车的实际应用方面，我国于2003年与2007年分别启动了两期燃料电池公共汽车商业化示范项目。该项目是中国政府、全球环境基金(GEF)和联合国开发计划署(UN—DP)共同支持的项目，由科技部、北京市、上海市共同组织实施，目的是为了降低燃料电池公共汽车的成本，借助在北京和上海两市进行的燃料电池公共汽车和供氢设施的示范，加快其技术转化。北京市、上海市各采购6辆燃料电池公共汽车，进行示范运行。2008年北京奥运会，基于上海大众领驭平台的燃料电池轿车作为我国首款燃料电池轿车进入国家汽车产品公告，20辆领驭燃料电轿车为奥运会提供交通服务，运行总里程超7.6万km。
燃料电池研究现状与未来发展香山科学会议第59次学术讨论会于1996年8月24～27日举行。会议主题是“燃料电池研究现状与未来发展”。会议执行主席路甬祥与王佛松院士主持了会议。42位来自中国科学院、全国高校及公司等25个单位的燃料电池及相关学科的专家学者共同研讨燃料电池的发展现状和未来走向，以及发展我国燃料电池技术大计。 会议综述报告及中心议题讨论内容主要包括3部分：(1)燃料电池的总体评价；(2)目前处于研究开发阶段的3种类型燃料电池的评价；(3)我国发展此技术应采取的战略与策略。 一、燃料电池的技术评价 燃料电池(Fuel cell缩写FC)是将气体燃料的化学能直接转化为电能的电化学连续发电装置。电池电化学基本反应：H2十l／202＝H20和CO十1／202＝C02。自150余年前被发明以来，现已发展了6种形式。它们分别为碱性(AFC)、磷酸(PAFC)、熔融酸盐(MCFC)、固体氧化物(SOFC)、聚合物离子膜(PEMFC或SPFC)及生物燃料电池(BEFC)。 概括而言，燃料电池具有以下优点：(1)能量转换效率高达45—60％。而火电和核电为30一40％；(2)有害气体SO x、NO x及噪音排放很低；CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低；元机械振动；(3)燃料适用范围广，凡能
转化为H2和CO燃料均可使用；(4)积木性强；规模及安装地点灵活；规模小(数十千瓦级)影响能量转换效率不明显。 现PAFC在发达国家已商业化；AFC在60年代末即用于航天器。其它方面的应用不如PEMFC更具优势；BEFC尚处于实验室的探索性基础研究阶段。目前各国的燃料电池的研究开发重点主要集中在MCFC、SOFC和PEMFC上。 1．MCFC运行温度650℃，燃料适用范围广，电催化剂为非贵金属，余热可为燃气轮机所利用，适用于固定式发电电站。在各国对燃料电池的经费投入中，MCFC所占比例最大。现国外(美、日、西欧)已有100kW级发电系统的运行，预计美国2000年实现商业化，日本计划2005年实现商业化。目前MCFC研究需要解决的关键技术问题有：(1)阴极(NiO)溶解，这是影响电池寿命的主要因素；(2)阳极蠕变；(3)熔盐电质对电池双极板的腐蚀；(4)电解液流失。 2．SOFC作为运行温度最高的燃料电池(800—l000℃)，功率密度高，采用全固体结构，无腐蚀性液体，燃料适用范围广，天然气可不经重整直接使用。其尾气温度高达900℃，可为燃气轮机和蒸汽轮机所用，发电效率可达70％，如加上余热利用其燃料利用率可达90％，可用于大中小型电站，作为运载工具的驱动电源也有应用前景。目前SOFC研究十分活跃，电池模块的制备规模在美、日、德三国已达20一30kW。2000一2010年间可实现商业化。目
应用电化学论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展
1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。
中国燃料电池发展前景分析 燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。根据电解质种类不同，燃料电池基本分为五种：碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及质子交换膜燃料电池（PEMFC）。燃料电池具有以下优点：能量转换效率高；无污染零排放；模块化结构，维护保养成本低；燃料来源广泛，通过多种方式制备。 质子交换膜燃料电池凭借其特性主要应用于新能源汽车。对比其他几种燃料电池，质子交换膜电池输出功率密度高，质量功率高，可在室温条件下工作，同时起动迅速，主要应用于新能源汽车。 燃料电池种类
质子交换膜电池主要由质子交换膜、催化剂，双极板等构成。当它工作时，氢气进入阳极扩散层，并在催化剂的作用下转化为质子和电子；氧气进入阴极扩散层，并在催化剂的作用下得到电子转变为 O2- 离子；质子通过质子交换膜到达阴极与 O2-作用形成水，电子则通过外电路回到阴极，在这个过程中产生并提供电能。 一、电池系统 电池系统是燃料电池汽车产业链的核心环节，而电池堆是其重要组成部分。燃料电池汽车产业链包括上游矿产等相关资源，中游的电池系统、电机电
控以及下游的整车厂、加氢站及服务等。燃料电池电池系统分为两大部分：一是电池堆，包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板；二是其他部件，包括空压机、储氢瓶。 电池堆包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板。其中质子交换膜直接影响燃料电池的使用寿命；催化剂决定电极反应的效率；扩散层起到支撑催化层，收集电流，传导气体和排出水作用；双极板则负责把燃料和空气分配到两个电极表面以及电池堆散热。 电池堆组成部分情况
燃料电池发展现状与应用前景 摘要: 介绍了各种类型燃料电池( 碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及质子交换膜燃料电池) 的技术进展、电池性能及其特点。其中着重介绍了当今国际上应用较广泛、技术较为成熟的磷酸燃料电池和质子交换膜燃料电池。对燃料电池的应用前景进行探讨, 并对我国的燃料电池研究提出了一些建议。 关键词: 燃料电池; 磷酸燃料电池; 质子交换膜燃料电池 燃料电池有多种类型, 按使用的电解质不同来分类, 主要有碱性燃料电池(AFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 、磷酸燃料电池( PAFC) 及质子交换膜燃料电池( PEMFC) 等。 1 各种燃料电池发展状况 1. 1 碱性燃料电池(AFC) 20 世纪50 年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究, 并在60 年代中期成功地用于Apollo 登月飞行。AFC 的优点在于除贵金属外, 银、镍以及一些金属氧化物都可以作电极催化剂, 它的阴极性能也比酸性体系要好, 而且电池的结构材料也较便宜。缺点在于对CO2 和N2 十分敏感, 故不适用于地面。在国外, 将AFC 用于潜艇及汽车的尝试已不再继续, 目前AFC 主要用作短期飞船和航天飞机的电源。 中科院长春应用化学研究所1958 年就开始研究培根型燃料电池。60 年代初开展碱性石棉膜型燃料电池的研究, 1968 年承担航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制。中科院大连化学物理研究所在60 年代初也开始研究碱性石棉膜型燃料电池。70年代初承担了航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制, 研制成两种类型的电池。80 年代初, 研制了潜艇用20kW的大功率碱性石棉模型燃料电池样机。 1. 2 熔融碳酸盐燃料电池( MCFC) MCFC 的电解质由Li2CO3 和K2CO3 组成, 工作温度在650 e 左右, 阴极、阳极电化学反应快, 无需贵金属催化剂。由于在较高温度工作, 可以对天然气、煤炭气化燃料进行内部重整, 直接加以利用。不需要复杂昂贵的外重整设备。另外, 燃料转换效率高, 余热利用效率也较高。但MCFC 在高温下长期工作时电解质损失造成的电池失效、隔板腐蚀对电池寿命的影响, 以及镍电极缓慢溶解所造成的性能下降都是有待解决的课题。 由美国能源研究公司(ERC) 建造, 使用内部重整的2MWMCFC 装置已经安装在加利福尼亚并入电网运行了720h, 供电1710MWh, 1997 年3 月停运,为建造和运行这类电站提供了宝贵经验。日本熔融碳酸盐研究协会在日本月光计划和新日光计划的支持下, 一个1000kW系统正在组装以评价此技术。 长春应用化学研究所于90 年代初开始研究MCFC, 在LiAlO2 微粉的制备方法和利用金属间化合物作MCFC 的阳极材料等方面取得了很大的进展。大连化学物理所从1993 年起在中科院资助下开始研制, 自制LiAlO2 微粉制造的MCFC 单体电池性能已达国际80 年代初的水平。 1. 3 固体氧化物燃料电池( SOFC) SOFC 工作温度高达1000 e , 反应速度快, 不需要贵重金属做催化剂, 不存在电解质腐蚀金属问题。碳氢化合物燃料可自动在燃料电池内部重整, 并迅速地在电极上被氧化, 燃料中杂质对电池的性能、寿命影响均很小。其燃料转换效率高, 高温余热可很好利用, 从而提高燃料的总利用效率。SOFC 可以与燃气轮机相结合, 即用燃料电池的动力代替燃气轮机的燃烧段, 总效率可望达到60%~ 70% 。SOFC 的主要问题是固体氧化物电解质所用的陶瓷材料脆性大, 目前仍很难制造出大面积的固体电解质膜, 这严重制约了建造大功率SOFC。另外, SOFC 还存在诸如电流密度小、电压降高、制造工艺复杂、成膜设备昂贵等问题。
应用电化学 论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展
1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了100 多年的历程。于能源与环境已成为人
燃料电池电动汽车发展现状与前景 随着社会的进步和人员移动性增强，全球汽车需求 量快速增长，迄今世界上的汽车保有量达到创纪录的10 亿 辆以上且还在不断大幅增长，使得基于传统的内燃机 Internal Combustion Engine ，ICE )汽车的轻量化与节能减排等技术进步难以降低汽车燃料的消耗和减少污染物的排放。2020 年之前温室气体(Greenhouse Gas ，GHG) 排放在1990 年水平基础上下降20% 的任务日益艰巨。如果再不采取有效措施，公路交通运输车辆的GHG 温室气体排放将会持续不断增长。通过研讨纯电动汽车( Battery Electric Vehicle ，BEV ）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle HEV )、或燃料电池电动汽车( Fuel Cell Vehicles ，FCVs ； Fuel Cell Electric Vehicles ，FCEVs ）等多种类型的电动汽车( Electric Vehicle ，EV )技术[3-5]有望明确实现节能减排 的理想途径。自1966 年通用汽车推出了世界上第1 款燃料电池电动汽车GMC Electrovan ，尤其是本田在1999 年推出了世界上第1 台商用的燃料电池电动汽车FCX-V4 以来，世界上EV 电动汽车型号不断丰富和租赁销售量明显增长，太、北美和欧洲成长为全球EV 电动汽车重要的新车研发制造和租赁销售市场，2014 年全世界的EV 电动汽车销售量达到34.6 万辆以上，年增长率达到86% 。
燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来 得到国内外高度重视，成为最被看好的可用于替代汽油和柴 油等传统的 ICE 内燃机发动机技术的先进新能源汽车技术。 日本政府希望其到 2020 年的 FCVs 燃料电池汽车销量达到 500 万辆，再通过 10 年的研发推广实现全面普及 FCVs 燃 料电池汽车。 美国政府在 2003 年投入 12 亿美元大力推进氢 技术和燃料电池技术，其中重要项目之一就是美国能源部 Department of Energy ， DOE ）在北加州、南加州、密歇 展的氢技术和基础实施验证与示范综合工程，吸引了 Hyundai-Kia/Chevron 、 DaimlerChrysler/BP 、 Ford/BP 和 GM/Shell 等多家汽车制造 /能源供应商参与。 美国能源部大力推进氢经济和燃料电池技术，尤其是商 业化推广应用方面取得显著进展，比如目前高容量和低容量 燃料电池制造成本分别为 55 美元 /kW 和 280 美元 /kW[6] ， 汽车燃料电池 2014 年的制造成本自 2006 年下降 50% 并自 2008 年以来进一步下降 30% 以上（基于高容量电池制造） 这必将带动创造工作岗位、投资机会和可持续、安全的能源 供应。为了在 2020 年前争取把欧盟建立成一个具有全球领 先水平的燃料电池 （Fuel Cell ，FC ）系统和氢能源 （Hydrogen Energy ，HE ） 经济的巨大市场，欧盟高度重视燃料电池技术 和氢能源技术并把之视作能源领域的战略高新技术大力推 根州东南部、大西洋区中部和佛罗里达州中部等 5 个区域开 f It 步
应用电化学 论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展 1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次 电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题。近20 年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量 转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商
燃料电池的发展研究应用概况 摘要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。本文详细阐述了燃料电池的近期研究进展与面临的挑战及未来发展方向。燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力源方面已经得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范，但低成本、长寿命仍然是商业化面临的瓶颈问题。未来我国应大力推进燃料电池在水下潜器、航天飞行器等特殊领域的应用，解决高可靠性与安全性及环境适应性等关键问题；同时，在民用领域要实现燃料电池寿命与成本兼顾，从材料、部件及系统等3个层次深入技术改进与创新，尽快推进燃料电池的商业化。 关键词：燃料电池；发展；应用 能源是国民经济的动力，也是衡量综合国力和人民生活水平的重要指标。随着世界范围内工业的高速发展，全世界对能源的需求日益增加。另外，能源的使用以化石燃料为主，排放了大量CO2、N2O及硫化物等污染物，造成了环境污染，严重危害人民健康。因此，采用清洁、高效的能源利用方式，积极开发新能源，有利于国家和社会经济的可持续发展。燃料电池是一种电化学的发电装置，等温的按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，正在成为理想的能源利用方式。同时，随着燃料电池技术不断成熟，以及西气东输工程提供了充足天然气源，燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景。 一、燃料电池的原理 燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应，其工作原理如下图所示。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时，阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构，以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路，电解质通常为致密结构。
浅析我国燃料电池行业发展现状及对策建议 一、燃料电池行业最前沿技术简析 在碳中和目标下，汽车产业的能源革命是行业发展的一个必然趋势。与锂电池相比，氢能更清洁。氢燃料电池的产业链很长,在制氢、储氢、运氢、加氢的各个环节都有自己的核心技术。无论是在被誉为“终极环保”的氢能领域，还是包括车用、备电、热电联供、叉车、无人机、船用和分布式发电等在内的下游应用端。同时，在动力总成与关键零部件方面也有相应的技术攻关。在技术的成熟度和先进性方面，车用领域是走在最前面的。由氢燃料电池发动机、车载储氢系统、DC/DC、动力电池系统、电驱动系统、控制系统等组成的燃料电池动力总成系统已经趋于成熟。不论是在燃料电池乘用车还是商用车，国际国内很多地方已经开始了商业化示范运营，效果很好。燃料电池车将会在新一轮能源技术革命中脱颖而出，呈现在人们眼前的将会是氢能驱动的美好未来。 在应用方面，燃料电池车辆零污染、零排放、低噪音，起步瞬间相比传统动力车辆更加迅速。在大家关注的续航里程方面，相比于纯电动，加注一次氢气能运行500公里，并可以通过增大储氢量进一步延长续时里程，整车一次氢气加注时间约为10分钟，远远优于纯电动充电时间，还可实现低温冷启动，已经具备了规模化量产的条件。
二、国内燃料电池技术发展现状 2016年以来，中国氢燃料电池实现了高速发展。2020年9月，国家相关部委出台了“以奖代补”的政策，将加快燃料电池技术在交通运输领域的商业化、推动燃料电池产业链发展。该政策将示范期暂定为四年，在这四年政策窗口期，技术落后、成本过高的企业将进一步被淘汰，优势资源更加集中，有利于行业技术进步，培育龙头企业。 目前，燃料电池技术在商用车和客车方面已有了一定程度的推广。与锂电池相比，氢燃料电池能量密度高，也更适合低温环境，适合重卡、物流车等距离长、载重大的商用车辆使用。基本上已经实现了从小型物流车到中重型卡车的全覆盖。 以重卡为例，国内单系统最大功率可以达到110kw以上，系统的使用寿命也逐步在提高，可以满足增程式商用车使用需求。燃料电池公交车在一些地区已经开展了几年的示范运行，人们的接受度也已经逐渐提高。 供应链方面，近几年有了非常明显的进步。目前除了质子交换膜、催化剂和碳纸三个基础材料和部分传感器外，正在进行国产材料的验证，其它核心零部件如电堆、空压机、氢循环系统、DCDC、储氢瓶等，国产化率已经非常高。 三、中国氢燃料电池的短板在哪里？ 一是燃料电池的基础材料国产化程度需要进一步提高。由于国内的基础材料质量参差不齐，产品的可靠性和耐久性尚需提高，