燃料电池的发展及应用

1、燃料电池的发展及应用摘 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。关键字：燃烧电池，研究意义，工作原理，应用1839年,英国的William Grove首次发现了水解过程逆反应的发电现象,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

2、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。一 研究燃料电池的意义能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明，人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成

3、热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及材料的限制，效率很低，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声污染对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地进步，如开发出了超高压、超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是机组规模巨大、远距离输电，投资上升，综合能源利用率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决多年来人们一直在努力寻找既有较高能源利用率又不污染环境的能源利用方式，燃料电池发电技术就是其中的一种早在内燃机问世之前，英国的Willian Grove 在 1893 年就展示了世

4、界第一台以稀硫酸为电解质，氢气和氧气为燃料的电化学电能转化装置然而在 20 世纪 50 年代之前，由于电极过程动力学理论的落后以及内燃机这种相对简单的能量转化装置的应用，燃料电池的发展一直处于停滞状态到 20 世纪中叶，在宇航工业发展的推动下，常温氢氧燃料电池技术有了长足的发展，但由于当时燃料电池系统造价昂贵，因此只应用在航天、军事等特殊场合近年来，由于矿物资源的日趋贫乏和生态环境问题日益受到重视，为此人们迫切希望发展高效的、既可节省有限矿物资源同时又可减少CO2排放的发电技术燃料电池发电技术正好能够满足以上要求，因此重新受到了人们的重视燃料电池（FC）是继火力、水力和核能之后的第四种发电方式

5、，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从原理上讲，燃料电池不受卡诺循环的限制，与传统热机相比具有以下优点：能量转化效率高（可达 50%60%）；环境友好（很低的 NOx，SO2和噪音排放）；比能量或比功率高；适应能力强；可以电热联供，且副产品可作为工业原料；模块结构简单，电站建设周期短，维护检修方便二 燃料电池的工作原理燃料电池实际上是一个化学反应器,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,

6、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 燃烧电池工作原理三 燃料电池的应用由于燃料电池是目前唯一

7、同时兼备无污染、高效率、噪声低、适用广且具有连续工作能力的动力装置,特别是在现在能源紧缺、大气污染严重、提倡节约能源和保护环境的形势下,以天然气等富氢气体为燃料的燃料电池正在得到广泛的应用。1） 发电燃料电池由于具有能量转换效率高、污染小、用水少、占地小等突出优点,多年来一直成为替代传统发电厂设备的最佳选择。日本以富士电机、东芝、三菱电机等公司为代表,自20世纪60年代开始,继美国之后大力研发燃料电池技术,运行中的磷酸型燃料电池发电厂已超过100座,发电能力在30MW以上,其中容量最大的是东京电力公司的五井发电厂,容量达11MW。1996年美国利用熔融碳酸盐型燃料电池技术,仅用了2个月的时间就

8、建成了SantaClara发电厂,并投入运行。该厂发电容量达2MW,使用天然气和液化石油气作为燃料,发电效率达53。 7%,单位造价为1 700美元/kW。目前,美国、欧洲诸国和日本等国投入运行的磷酸型燃料电池发电厂数以百计,各国工业界人士普遍对燃料电池在发电站的应用前景看好。2001年全球燃料电池的发电能力为75 MW。未来10年中,全球燃料电池的发电能力将会上升到1。 5104MW。美国预计,到2017年美国30%的电能将由燃料电池提供。2）汽车动力目前,各国的汽车用量均在不断增加,汽车排放的尾气已成为城市环境的主要污染源之一,特别是发展中国家,由于环境治理的力度不够,这一问题更突出。于是

9、人们要求开发新型的清洁、高效的能源来解决这一问题。质子交换膜燃料电池的出现,解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问题,使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。这种电池具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点,适合做汽车动力,是目前世界各国积极开发的运输用燃料电池。从上世纪80年代起,北美、西欧和日本就开始研制, 1993年,加拿大巴拉德公司研制出世界第一辆燃料电池公共汽车。九五期间中国科学院大连化学物理研究所、中国科学院电工研究所和武汉东风汽车工程研究院合作,开发的EQ6700EV3型PEM-FC电动中巴车,是我国第一辆完全具有自主知识产权的燃料电池电

10、动公交车。它的电池功率为30kW,连续行驶里程为300 km。3） 家庭用能源由于上述燃料电池的优点和特征,燃料电池不但在航天、国防、电力和交通等部门得到广泛的应用,而且在民用方面也具有十分广阔的推广和应用前景。它作为家庭使用的分散电源的同时还可提供家庭用热水和供暖,这样可将天然气的能量利用率提高到70% 90%。最近,日本东京燃气公司正式启动了供应电力、热水和供暖的小容量家庭用燃料电池能源综合利用系统发展计划。它是利用制氢装置把天然气改质为氢气,由固体高分子燃料电池用氢发电,同时供应生活用热水和供暖。三洋电机公司也研制成功了采用氟树脂类高分子膜的家用质子交换膜小型燃料电池,其输出功率为1 k

11、W,投放市场后颇受用户欢迎,与磷酸型燃料电池相比,它在电解质处于低温时也能有效使用,而且启动时间短,适合家庭使用。与此同时,美国纽约的Plug Power公司成功地演示了一种利用天然气的质子交换膜燃料电池系统。它包括燃料电池仓、电力稳定器以及燃料处理器,能提供7 kW的持续电力。2001年初其售价为1 500美元/kW,他们预计5 a后,大量生产的燃料电池售价将降至500美元/kW。利用天然气是燃料电池技术的突破,为美国的7 000104多个家庭展示了利用天然气供电的美好前景。目前这些家庭已经在使用天然气做饭和供暖。天然气的成本相对较低,用它作燃料,利用高效燃料电池发电,可使用户的电费开支减少

12、20%。2006年)2010年1%的美国家庭将用上燃料电池,到2020年50%的美国家庭可安装家用燃料电池,到2030年99%的家庭将不再需要外网供电。家用燃料电池是未来家庭能源的发展方向,相信通过各国科学家的努力,在不久的将来,高效清洁的家庭用燃料电池将走进普通百姓的家庭。4） 其他方面的应用碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本没有红外线辐射,而且噪声小,可用做潜艇动力。由于它们可在常温下启动工作,且能量密度高,还是理想的航天器工作电源。此外,质子交换膜燃料电池还可用作野外便携式电源。四 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

13、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:1)污染小:火电站排出烟气、汽车排出尾气中的SO2和NOx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,

14、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、

15、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。五 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