燃料电池知识扩展

1、 概述简单地说，燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。 燃料电池的特点燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：（1）能量转化效率高他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。

2、目前燃料电池系统的燃料电能转换效率在45%60%，而火力发电和核电的效率大约在30%40%。（2）有害气体x、x及噪音排放都很低2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。（3）燃料适用范围广（4）积木化强规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适（5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频 燃料电池原理率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线

3、路损失。 “燃料”和“电池”为了了解它的价值，让我们分别研究一下“燃料”和“电池”这两个词。为了利用煤或者石油这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。换句话说，我们是把燃料的化学能转变为热能，然后把热能转换为电能。在这种双转换的过程中，许多原来的化学能浪费掉了。然而，燃料非常便宜，虽有这种浪费，也不妨碍我们生产大量的电力，而无需昂贵的费用。还有可能把化学能直接转换为电能，而无需先转换为热能。为此，我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成，其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都

4、进行特殊的化学反应，电子不是被释出就是被吸收。一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只要电池中进行化学反应，这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下，当一个电池用完了以后，人们迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，因此，电池能够贮存化学能，并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子。在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果你试图

5、使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力，那么，一天就要花成本费数十亿美元。燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它是一种电池，但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行化学反应。这些燃料的化学能也通过一个步骤就变为电能，比通常通过两步方式的能量损失少得多。于是，可以为人类提供的电量就大大地增加了。目前，燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展，即碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,AFC）、磷酸盐型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）、

6、固体氧化物型燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）、固体聚合物燃料电池（Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又称为质子交换膜燃料电池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）、及生物燃料电池（BEFC）。按工作温度它们又分为高、中、低温型燃料电池。工作温度从室温到373K(100)的为常温燃料电池，如SPFC；工作温度在373K(100)573K(300)之间的为中温燃料电池，如PAFC；工作温度在873K(600)以上的为高温燃料电池，如MCFC和SOFC。电池与代号氢氧碱电池AFC氢氧磷酸电池PAFC

7、质子交换膜氢氧电池PEMFC熔融碳酸盐电池MCFC固体电解质电池SOFC工作温度60120180210801006007009001000燃料高纯H2H2H2H2-CO CH4H2-CO CH4氧化剂高纯O2空气空气空气+CO2空气电解质KOHH3PO4质子交换膜(K,Li)2CO3Y2O3,ZrO2阳极催化剂PtPtPtNiNi, ZrO2阴极催化剂PtPtPtNiOLa-Sr-MnO2燃料电池实质上是以控制氢弹爆炸的观念设计，太空船上的燃料电池是用来聚集星际旅行之间的氢气所产生的能量之用。太空船的太阳能板所聚集的电磁和太阳能将会转换成电能，而电能会用来慢慢地将存放在燃料电池内的氢置换成燃料

8、。燃料电池也内含了一小部份受控制量的可进行核分裂的物质，这些物质依序用来与氢核进行核反应。核反应在燃料电池内进行，在太空旅程中提供高能量并加速离子引擎来推进太空船。在最后的旅程阶段，燃料电池提供了燃料火箭动力所需的氢。这整个过程受控在强大的电磁下，它能提供能量并且避免过量的能量外泄导致反应炉核心融毁。核反应的一项副产物热能，则被燃料电池的外壁吸收并转换成供给电脑、维生系统和其他必要功用的电能。经过多年的探索，最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。它的工作原理是：将氢气送到负极，经过催化剂（铂）的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子（质

9、子）可穿过质子交换膜（即固体电解质），在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得，只要不断给负极供应氢，并及时把水（蒸汽）带走，燃料电池就可以不断地提供电能。 世界上最小的燃料电池直径只有3毫米美国科学家最近研制出世界上最小的燃料电池，这种电池的直径只有3毫米，可以产生0.7伏的电压并能持续供电30个小时，这种燃料电池可以在不消耗电的情况下发电，它由四个部分组成。上一层是储水池，下层是一个装有金属氢化物的燃料堂，中间以一层薄膜隔开，在金属氢化物的燃料堂下放，还有一组电极。薄膜上还有许多小孔，使得储水池中的水分子可以以水蒸气的形式进入燃料堂，水分子进入燃料堂后，与金属氢化物发生生化

10、学反应幷产生氢气。氢气随之会充满整个燃料堂，幷向上冲击薄膜。阻止水流继续流入，然后氢气会在燃料堂下层的电极处发生化学反应，形成电流。新电池体积非常的小，规模为 3x3x1毫米。而且没有重力。其表现张力可以控制水流，这意味着即使处于移动的旋转状态下，也能够很好的工作。因此它最适用于一些小电器。现在，这种电池可以产生0.7伏电压和一毫安电流，电燃料可以持续30小时左右。 燃料电池的发明虽然燃料电池这个名词出现在人们 眼前的时间并不长，但它的历史已经可以追溯到100多年前了。在1889年，Ludwig Mond和Charles Langer两位化学家想用空气和工业煤气制造一个实用的能提供电能的装置，

11、“燃料电池”一词也就随着他们的发明而诞生了。现代燃料电池技术兴起于20世纪60年代，为了给航天飞机寻找高效能的电能装置， 美国宇航局跟GE公司合作开发了第一个现代意义上的燃料电池质子交换膜燃料电池，这也是燃料电池商用化的开始。此后，历经40多年的发展，燃料电池的家族越发的人丁兴旺，而应用领域也遍及各处。 燃料电池-国际发展状况发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取1得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问

12、题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不

13、得不正视的课题。磷酸型燃料电池(PAFC)受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池，PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构（NEDO）进行开发。自1981年起，进行了1000kW现场型PAFC发电装置的研究和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商业用的PAFC发电装置。富士电机公司是目前日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年，该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置，富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设备

14、投入使用。下表所示为富士电机公司已交货的发电装置运行情况，到1998年止有的已超过了目标寿命4万小时。东芝公司从70年代后半期开始，以分散型燃料电池为中心进行开发以后，将分散电源用11MW机以及200kW机形成了系列化。11MW机是世界上最大的燃料电池发电设备，从1989年开始在东京电力公司五井火电站内建造，1991年3月初发电成功后，直到1996年5月进行了5年多现场试验，累计运行时间超过2万小时，在额定运行情况下实现发电效率43.6%。在小型现场燃料电池领域，1990年东芝和美国IFC公司为使现场用燃料电池商业化，成立了ONSI公司，以后开始向全世界销售现场型200kW设备PC25系列。P

15、C25系列燃料电池从1991年末运行，到1998年4月，共向世界销售了174台。其中安装在美国某公司的一台机和安装在日本大阪梅田中心的大阪煤气公司2号机，累计运行时间相继突破了4万小时。从燃料电池的寿命和可靠性方面来看，累计运行时间4万h是燃料电池的长远目标。东芝ONSI已完成了正式商用机PC25C型的开发，早已投放市场。PC25C型作为21世纪新能源先锋获得日本通商产业大奖。从燃料电池商业化出发，该设备被评价为具有高先进性、可靠性以及优越的环境性设备。它的制造成本是$3000/kW，近期将推出的商业化PC25D型设备成本会降至$1500/kW，体积比PC25C型减少1/4，质量仅为14t。2

16、001年，中国第一座PC25C型燃料电池电站，它主要由日本的MITI（NEDO）资助的，这将是我国第一座燃料电池发电站。PAFC作为一种中低温型（工作温度180-210）燃料电池，不但具有发电效率高、清洁、无噪音等特点，而且还可以热水形式回收大部分热量。下表给出先进的ONSI公司PC25C型200kWPAFC的主要技术指标。最初开发PAFC是为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。PAFC用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在10-20MW之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量在100MW以上，可以作为中等规模热电

17、厂。PAFC电厂比起一般电厂具有如下优点：即使在发电负荷比较低时，依然保持高的发电效率；由于采用模块结构，现场安装简单，省时，并且电厂扩容容易。 中国燃料电池技术的发展现状中国早在20世纪50年代就开展燃料电池方面的研究。中国在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多突破。中国政府十分注重燃料电池的研究开发，陆续开发出百瓦级-30kW级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，开发出60kW、75kW等多种规格的质子交换膜燃料电池组，开发出电动轿车用净输出40kW、城市客车用净输出100kW燃料电池发动机，使中国的燃料电池技术跨入世界先进

18、国家行列。在当今全球能源紧张、油价高涨的时代，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。因为氢能的优势明显，清洁、高效，因此得到各国政府的大力支持，加上各种能源动力企业对燃料电池的发展信心十足，所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。尽管现在燃料电池的市场需求相当小，预计在随后的十年间，随着技术进步与规模经济效益，燃料电池的生产成本与使用成本将下降，竞争力提高，燃料电池潜在的市场将会逐步发展起来。现在对于便携式燃料电池的需求相当少，但便携式燃料电池市场将是从现在到2011年甚至更长时间增长最快的市场。应用于消费电子产品的燃料电池系统在最近几年中就会商业化。燃料电池及氢源技术国家工程研究中心作为

19、振兴东北老工业基地之“创新能力建设项目”于2004年2月获得国家发展和改革委员会批准立项。2005年，项目方案通过专家评审及风险评估。2006年10月，项目获国家发改委正式授牌。项目以新源动力公司作为承建单位，以中国科学院大连化学物理研究所为依托单位。项目选址于大连高新园区中科院科技创新园研发孵化园，规划用地约2.7公顷，建筑面积1.9万m，2008年6月已投入使用。 燃料电池国家工程研究中心以中科院大连化物所和新源动力公司在燃料电池及氢能利用技术方面四十多年的科研开发成果和六年多的产业化积累，根据国家和产业战略发展的需要和市场需求，针对燃料电池产业发展的寿命、成本、性能等核心共性问题，集中在

20、汽车、小型电站、移动电源等应用目标领域，致力于实现核心产业技术突破，增强我国在燃料电池产业的核心竞争能力。燃料电池及氢源技术国家工程研究中心的建成将加强创新能力平台建设，完善我国燃料电池技术及氢源技术的创新体系建设，成为我国燃料电池技术创新的源发地、技术转化中心、人才培养中心及国际燃料电池技术交流中心，从而加快我国燃料电池技术产业化进程，促进燃料电池及相关产业的跨越式发展，为缓解我国能源压力和环境保护压力，实现我国十一五规划目标，“建设资源节约型、环境友好型社会”做出积极贡献。 燃料电池技术分类燃料电池的种类按不同的方法可大致分类如下： 1. 按燃料电池的运行机理分。 分为酸性燃料电池和碱性燃

21、料电池。 2. 按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。 因此，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应FCEV使用的要求，更加具有竞争力。 3. 按燃料类型分。 有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料，有机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. 按燃料电池工作

22、温度分。 有低温型，温度低于200；中温型，温度为200750；高温型，温度高于750。 在常温下工作的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池（PEMFC），这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂。燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。不需要废热能量回收装置，体积较小，质量较轻。但催化剂铂（Pt）会与工作介质中的一氧化碳（CO）发生作用后产生中毒现象而失效，使燃料电池效率降低或完全损坏。而且铂（Pt）的价格很高，增加了燃料电池的成本。 另一类是在高温（6001000）下工作的燃料电池，例如熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），

23、这类的燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大，质量重，只适合用于大功率的发电厂中。 最实用的燃料电池是以氢或含富氢的气体燃料，但是在自然界是不能直接获得氢的，燃料电池氢的；来源通常是以石油燃料、甲醇、乙醇、沼气、天然气、石脑油和煤气中，经过重整、裂解等化学处理后来制取含富氢的气体燃料。氧化剂则采用氧气或空气，最常见的是用空气作为氧化剂。 燃料电池-发电系统1：利用天然气的发电系统MCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料

24、极侧。另一方面，空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2外，燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2O，将影响发热量，为此通常是先将排出燃料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有O2、CO2的气体）来除去其发生的热。通常是按600供给的气体在700下排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即，空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。这种系统的效率可达5560%。在整套出力中MCFC发电量份额占90%。绝大部分的发电量是由MCFC生产的。如果考虑到排气形成的动力回收和若干