燃料电池及新材料

1、燃料电池及新材料燃料电池作为一种高效、 清洁能源，目前已达到准商品化 或商品化阶段，本文介绍了以下几种典型燃料电池：AFCPAFC PEMFC MCFC SOFC勺发展概况及应用价值。止匕外， 详尽介绍了它们的材料组成及特性，仔细分析了它们的市场 价值以及我国燃料电池今后的发展趋势。1引言燃料电池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。燃料电池工作原理是：氢气或其 他燃料进入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氧化与 氧气还原的电化学反应，产生电流，输由电能。燃料电池是继热能发电、水力发电和原子能发电之后的 第四种发电技术。利用电化学反应把燃料电池中燃料的化学 能（即吉

2、布斯自由能）直接转换成电能，这样不会受卡诺循 环效应的限制，所以效率高；止匕外，燃料电池用燃料和氧气 作为反应物，有害气体（SQ, NQ）的排放量极少；由于在 整个过程中，没有机械传动，所以无噪声污染。因此，从节 约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是一种很有发 展前途的发电技术。到目前为止，已经生现了很多种技术和结构类型的燃料电池，但是根据电解质的不同，一般分为碱性燃料电池 （AFQ、磷酸燃料电池（PAF。、熔融碳酸盐电池 （MCFC、 固体氧化物燃料电池（SOFC、质子交换膜燃料电池（PEMFC 等五大类。其中前三种类型工作温度不大于200C,又称做低温燃料电池，MCFCJ口 SOFC

3、勺工作温度大于 650C,叫做 高温燃料电池。2燃料电池系统组成及特点组成燃料电池PAFC的结构最为典型，主要由四部分组成， 分别是呈多孔状态、涂有催化剂的阳极、阴极、隔离电极的 离子导电电解质、集流体（图 1） o单电池产生的电压很低 （表1）,所以需要钳电池串联成电池堆来提高电压。燃料 电池整装机组由电池组、重整器与热交换器（废热回收）、 直流-交流转换装置、监控器一起构成。PAFC AFC和MCFC使用液态电解质，两个电极呈气、液、固三相接触，而 SOFC 和PEMF谯用固态电解质仅呈两相接触，故在结构上有所不 同。五种燃料电池的工作特性见表1。胃雷vxaz胃雷vxazKiMN GWtA

4、M* i如，.Mixu吧4IHHB-WftM. j lfftIJk内*.MtnH一，”丸炳F.vu&-4;ny i v聊0一MtMTfSHkxha 4BiKAN iM AiY 必Atti35ML划HOFZ JSj. 4M-m1 R才叫r t iiit； mII: m七就Tl力3 - Qfill- h行N, 4nlAi MMi特点高能量转换效率燃料电池属于一种能源转换工具，可以将燃料的化学能 直接转换为电能而不用经过热能转换、机械能转换，所以不 受热机原理中卡诺循环的限制，能达到40蛆上的发电效率，如PAFC勺发电效率为 42% MCFC勺发电效率大于 60% 比传 统的火电厂高的多。此外，燃料

5、电池在发电的同时还生产热 水和低温蒸汽，电/热比大于1.0,多呈汽电共生形式，其总 的能量转换效率高达 90%可靠性好由于不需要经过热能转换，机械能转换等复杂能量转 化，所以电池内运动零件很少，不会由现内燃机转动零件和 燃气涡轮损坏等导致的严重事故。套装机组可以在线监控， 可以自动操作。利于环保燃料电池与普通电厂相比，极大的降低了CG排放，大幅度减少粉尘、SO和NOx的排放，改善空气质量，同时水的 消费和废水排放大幅度降低。止匕外，燃料电池转动机件少， 消除了普通电厂的噪声源。因为不需要燃烧，所以占地面积 小，安全可靠，这种发电方式适合设置在城区作电源。以汽 电共生方式可同时向旅馆、餐厅、办公

6、楼、医院、百货公司提供电力和热量大约需要 401000kW的燃料电池；320kW 的燃料电池可供住宅使用，高温燃料电池对热电厂的竞争力 更高。可以在孤立的边远市镇、矿区及军队哨所建立这种洁 净的小型汽电共生系统来提供电力、热水、暖气与空调，如 新疆等地的油气田，实用价值很高。稳定性高由于受负载因素及容量变化的影响不大，所以效率稳 定。负载追随迅速，可提高电力系统稳定度。燃料选择范围大柴油、轻油、煤气、天然气、液化天然气、沼气、含氢 废气等皆可使用。建厂时间短厂址选择限制少、占地面积小，建厂时间不超过两年， 可靠近用户建立现场发电装置，减少了输电系统的费用。由于燃料电池存在造价偏高、冷机启动时间

7、长、长期使 用的实验数据缺少、电池组寿命比机组寿命短等问题，所以 要想实现商品化氮需要进一步努力。除PAFC以外其它技术尚不够成熟。3燃料电池的市场分析燃料电池作为一种能量转换率高，循环寿命长的清洁型 新能源，在电动汽车、分散电站、备用及辅助电源、便携式 电源、可移动电源、特殊场合动力源及军用领域有着广阔的应用前景。燃料电池应用主要归纳为三方面。交通运输电动汽车，包括大型公共汽车、 货车、小卧车、汽车等, 要求在动力系统中的重量、成本、寿命、一次加燃料行驶距 离等方面均能优于或等于现代内燃机式汽车。同时也包括船 舶，如潜艇、货船等。它的特点就是用燃料电池装备的潜艇 没有红外信号排放，所以不易被

8、对方发现。德国、瑞典均在 发展这类潜艇。将来还可以发展电动火车头，可建成完全省 去架空导线的电气化铁路。就电动汽车而言，燃料电池汽车 在乘客空间，运行里程，运行安全及造价方面都足以与传统 汽车竞争。此外，它还具有燃料效能高和噪音、污染小的优 点，是未来汽车发展的重要方向之一。固定式电站目前燃料电池适合中、小型燃料电站，根据科学家的预 测，未来的电网系统很可能是现有的大电网和中小燃料电站 共存状态。大电网系统有其优越性的同时，也存在无法避免 的缺陷，因为高电压长距离输电时有6汇8%勺损失，如热 量损失等。如果利用分散的中小型燃料电站，建立在公寓、 大学校园、医院、超级市场等处，就可以减少大电网送

9、电损 失（输氢损失一般仅为 3衿o据资料报导，像美国这样电力 工业已很发达的情况下，对燃料电池的市场需要依然很大（约为17000MW以上），所以说中小型分散电站，有其独特 的优越性。作为人口大国，我国亦将是这样。现在，美国 IPugoPwer公司已推由一种家用 3kw-5kw级的燃料处理器（实 际上就是将天然气加工成氢的装置）PEMFC：电装置，估计所发电量的成本可比利用电网降低20%可以想象，其优越性是很明显的，具市场也不可忽视。流动性电源据墨西哥一家公司报道，他们准备用酒精溶液作燃料， 经PEMF（成移动电源。该电源提供的电力可供移动电话使 用半年，并将在一年半后正式上市。由此可见，对于信

10、息技 术高度发展的今天，其市场空间可想而知。这种移动电源在 农村，也有广阔的空间。如果将低温电源用在打谷场上，打 谷场没有火源就不会发生火灾，因为这种燃料电池的工作温 度在100c以下。传统的热发电主要是热化学化和机械化的 过程，即需经热化学燃料反应，首先得到蒸气，经汽轮机再 经发电机才能得到电力。而燃料电池才是真正的直接从燃料（氢）得到电力，即“电气化”。PEMF（M有高功率密度、高效率、低成本等特点。可想而知，今后它将具有广阔的市 场前景。4燃料电池的特性碱性燃料电池（AFQAFC采用35%-45%KO或NaOH容液作为电解质，工作温 度一般为23-70 C o其催化剂主要用贵金属粕、钳、

11、金、银 和过渡金属银、钻、镒等，但催化剂对反应物中含有的微量 CO很敏感。AFC的特点：较低的价格和较高的效率（50-55%） o AFC属于低温燃料电池，低温时也能保证启动时间较短，可以用 于交通工具。价格低廉、作用高效、技术成熟，在交通运输 领域，有广阔的发展和应用前景。尽管AFC的研究已比较成熟，但AFC的电解质采使具有腐蚀性的液体，具有一定的危 险性，而且容易造成环境污染。止匕外，如果要解决CO毒化问题，使用循环电解液来吸收 CO等，就增加了燃料电池系 统的复杂性。磷酸燃料电池（PAFCi量言i量言一IW阳52 PAFC反小原理里PAFC是迄今唯一接近商品化的电池，其反应原理如图2所示

12、。阳极反应为：hb-2H+2e-,阴极反应为：1/2O2+2H+ 2e-HQ显然，其全反应为电解水的逆过程：H2+1/2O2-HQ PAFC工艺的发展主要是在 70年代后期开发由合适的碳黑和 石墨电池零部件才取得重大突破o与碱性氢氧化物燃料电池相比，PAFC的优点在于贵金属催化剂用量相对明显减少，还原剂的纯度大大降低，CO含量可允许达5% PAFC属于低温燃料电池，低温下发电，具有 良好的稳定性；人们日常生活用水可以直接利用余热获得的 水；与高温燃料电池相比，启动时间明显较短。缺点与 AFC一样，必须用贵金属电作催化剂；CO含量不能过高，否则电催化剂将会被毒化，失去催化活性；电解质为高浓度磷酸

13、，具有很强的腐蚀性， 影响电池系统使用寿命；因仅有40-50%的发电效率（低热值），所以燃料需要重整改质，增加了燃 料电池系统的复杂性。质子交换膜燃料电池（PEMFCPEMFC-般用于小型发电装置和用作车辆等交通运输工 具的动力。结构与 PAFC差不多，都是由二层作为电极的催 化层，中间有一层固态电解质（质子交换膜）同时起隔离层 作用和外侧作结构支撑与气体扩散层用的碳纸组成，PEMFC工作原理如图3。用横徘矶帆拼气门RiH i* 11叫畸逍史勺3 PFNFC找阡.PEMFCI用多孔气体扩散电极，电解质为全氟磺酸型固体聚合物，电催化剂采用纯粕或碳载粕，氢气（ H）为燃料,氧气或空气为氧化剂。当

14、PEMFCC作日H通过管道或导气 板到达阳极，经过阳极催化剂催化作用，将H2分解为带正电的氢离子（H+）并释放由带负电的电子（e-）。H+穿过电解 质到达阴极；电子通过外电路到达阴极，在这个过程中形成 电流，通过连接电路可以向负载输由电能。在电池另一端， Q或空气通过管道或导气板到达阴极，经过阴极催化剂催化 作用，氧与氢离子及电子发生反应生成水。PEMFC勺发展在AFG MCFC SOFd后，但发展迅速， 属于比能最高、温度最低、应用最广、启动最快、寿命最长 的第五代燃料电池。它具有优点：（1）效能高。PEMFCf存 在燃烧过程，所以不受卡诺循环限制，目前该燃料电池的效 率大约是内燃机的两倍，

15、 其理论热效率可达 85%-90% ; （2） 燃料多样性。PEMFCf但可以纯氢为燃料，而且也可以用重 整气为燃料；（3）模块化。在结构上 PEMFCI有模块化的 特点，根据不同动力的需求以“搭积木”的堆积形式组合安 装；（4）可靠性高。PEMFCfe堆采用模块化的设计方法，结 构简单、便于安装、易于维护；（5）环境友好。PEMFC0纯 氢作为燃料时水是唯一的产物， 零排放，无污染。止匕外，PEMFC 还具有噪声低，格结构部件均可回收利用等。熔融碳酸盐电池（MCFCMCFC1高温燃料电池，其工作温度在600650 C。作 为第二代燃料电池在近 10余年来获得了长足进展。MCF0 美国认为是下

16、一世纪的燃煤电厂的光明未来。美国投巨资建造了一座2MW勺MCFCT厂。日本也在准备开发 1MW勺MCFC 工厂。MCFC勺电解质采用碳酸锂和碳酸钾构成的共晶混合 物，离子导体是碳酸根。单电池系统由一个阳极、一个阴极 及电解质组成。氧和 CO阴极反应形成碳酸根，碳酸根通过 熔盐电解质扩散到阳极，与此同时碳酸根与氢反应将氢氧化，给由电子，进入外电路（图 4）。MCF宏用重整产物如 气态CO和H的混合物作燃料。电极反应是：阳极：H+CO2-H2O+C02e-; CO+CO-2CO+2e-（少量）；迁移反应：CO+6 H+CO;阴极：1/2O2+CO+2e- - CO2-;总反应：H+1/2O2 -通

17、过该化学反应方程式可知如果要产生2F的电量，阴极必须消耗1molCO,而阳极则产生1molCO。因此为保持电 解质成分不变，需要使 CO实现循环。MOIH?. LiJ i J：n ；k 旭“二的MOIH?. LiJ i J：n ；k 旭“二的一图4 MC FC工作原理性I坦朝成耳隰E 7（1）1网税一- ? f） I ：5.3, MOt：MCFC勺优点：（1）较高的工作温度。由于电极反应活 化能较小，不论是氢的氧化还原，还是氧的还原，都不需要 高效催化剂，不用使用贵金属，使成本降低；（2）余热高。电池排放的余热温度高达 400C,可以回收利用，总效率以 可达90蛆上；（3）燃料气体对 CO含量

18、要求降低，可以直 接使用如煤制气等燃料；（4）可以不用水冷却，尤其适用 于缺水的偏远地区。缺点：（1）将阳极产生的CO重新输送 到阴极，需增加 CO循环系统，增加了电池系统结构的复杂 性；（2）高温工作环境以及强的腐蚀性电解质对电池各种 材料的耐腐蚀性要求严格，影响电池寿命；（3）电池边缘的高温湿密封技术难度大，特别是在遭受腐蚀严重的阳极区。固体氧化物燃料电池（SOFCSOF湛一种全固态发电系统， 它是以固体氧化物为电解 质在高温环境下（约1000C）工作，以确保其各部分元件有 适当的离子和电子导电率。其剖面如图5所示。氧离子（O2-）是阴极与电解质的界面电子将电荷转移给氧分子以所产生。 氧离

19、子与阳极板表面的 隆和CO结合分别产生 HO和CO,并 释放电子连通电路。各电极反应为：阴极：I/2O2 +2e-Q-; 阳极：H+Q- -HO +2e-;电池总反应：H+1/2O2-HO（CO+1/2O2 - CO）。持续向SOFC勺阳极一侧通入气体燃料，如氢气（ H）、 甲烷（CH）、一氧化碳（CO等，阳极表面呈多孔结构并且 具有催化作用，利用阳极表面吸附燃料气体，通过多孔结构 扩散到阳极与电解质的界面。向阴极一侧持续通入氧气或空气，阴极板结构与阳极相同，利用阴极表面的多孔结构吸附 氧，并且通过催化作用， 使得Q得到电子变为 d在化学势 的作用下，氧离子进入电解质，利用浓度梯度引起扩散，最

20、 终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，电 子利用电压差通过外电路回到阴极。SOFC勺优点包括：（1）不必使用贵金属作催化剂，可 直接使用氢气、烧类（甲烷）、甲醇等作燃料；（2）较高的电流密度及功率密度；（3）提供高质余热，实现热电联 产。燃料综合利用率高（可达 90蛆上），是一种清洁高效 的能源系统；（4）没有使用酸碱电解质或熔盐电解质，避 免了中、低温燃料电池的腐蚀及封接问题；（5）采用陶瓷材料作阴极、阳极及电解质，具有全固态结构。缺点是对陶 瓷材料的性能要求高、组装困难、预热和冷却系统复杂、成 本局、不易建立。5我国燃料电池的发展燃料电池是一种很有前途的清洁能源，在未来很可能代 替传统能源成为主要能源。所以，很多国家和跨国集团都极 其重视燃料电池技术的