燃料电池概论

燃料电池概论王晓燕参考书目燃料电池基础王晓红电子工业出版社燃料电池及其应用隋志通冶金工业出版社燃料电池李玉英冶金工业出版社燃料电池衣宝廉化学工业出版社问题当今工业能以工业规模生产电力的发电方式有几种?被誉为”第四种电力”的是哪种发电方式?为什么?燃料电池为什么称为”电池”?第一章绪论什么是燃料电池燃料电池的发展史燃料电池的特点燃料电池的分类燃料电池的应用1.1什么是燃料电池？能源问题近些年一直受到广泛的关注，世界能源组织的调查显示，包括煤、石油和天然气在内的矿物质能源在未来的100-200年内将被耗尽。新的能源利用技术将被不断地开发并利用起来，燃料电池是一种潜力巨大的新能源利用形式。

燃料电池与太阳能及核能相比较，没有二氧化碳的排放，解决了火力发电污染环境的问题，是纯正的绿色清洁能源。燃料电池定义

燃料电池(又称为氢燃料电池)是一种将存在于燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气被送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。

燃料电池从外表上看有正负极和电解质等，像是一个蓄电池，但实质上它不是“储电”装置，而是一个小小的“发电厂”。燃料电池单体的输出电压很小，约为0.7V，多以串并联的形式制造，以增加电压电流。燃料电池由正负两个电极(负极为燃料电池,正极为氧化剂电极)以及电解质组成.燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，目前在宇宙飞船、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领域成功示范，但是低成本、长寿命仍然是燃料电池商业化面临的问题。燃料电池是一个自动运行的发电厂，它的诞生与发展是以电化学、电催化、电极过程动力学、材料科学、化工过程和自动化等学科为基础的，燃料电池是21世纪全新、高效、节能和环保的发电方式之一，有待于进一步的产业化。燃料电池的燃料包括纯氢气、甲醇、乙醇、天然气以及汽油等等。燃料电池的产物是热量和水，这是其他动力源无法相媲美的。1.2燃料电池的发展历史燃料电池发展的背景：全球能源紧张，油价高涨，寻找新能源替代传统能源称为当务之急；传统能源造成的环境污染迫切要求新能源方式的开发与利用；燃料电池是继火力、水力和原子能发电后的第四代发电技术，被认为是未来最有前途的高效清洁发电技术之一。问题：传统能源造成的环境污染都有哪些？我国是一个能源生产的大国，也是消费大国，人均能源资源拥有量较低，石油、天然气的人均拥有量为世界平均水平的十五分之一；煤炭和水力的人均拥有量为世界平均水平的二分之一。燃料电池则只要保障燃料的供给，将会源源不断地发电。

所以，燃料电池车被称为终极环保汽车。a.许多国家和地区将燃料电池上升为国家战略，城市战略，对产业技术进行重点扶持；b.燃料电池是直接将化学能转化为电能，步骤少，效率高，发电过程中没有燃烧，没有组件的转动；c.燃料电池和氢能发电市场将由2007年的15亿美元增加到2017年的160亿美元，将近翻10倍，以惊人的速度增长。政府对燃料电池汽车的发展有非常积极的态度，同时也是和燃料电池汽车的国际化形式接轨：加州能源委员会执行一项措施，投资5000万美元建28座加氢站和一座流动加燃料车。日本对以氢为燃料的第二代环保汽车提供每辆车12-18万元的补助。我国对符合国家标准且加氢能力不少于200公斤的新建燃料电池加氢站每站奖励400万元。燃料电池发展历史：燃料电池在大规模产业化之前，已经经历了非常长的历史：1839年格罗夫发明了第一个燃料电池，把封有铂电极的玻璃管浸在稀硫酸中，电解产生氢和氧，连接外载荷后，产生电池反应。

格罗夫预见到，如果氢可以被煤、木材或其他易燃材料替代，燃料电池就可以作为一种商业化的电源。1935年固体氧化物燃料电池的理论发表，37年制造出第一个实用型的固体氧化物燃料电池。1950年培根制作了碱性燃料电池，从此燃料电池有了属于自己的名字，在60年代早期第一个应用于太空计划，改造的培根燃料电池被作为阿波罗登月计划宇宙飞船的电池，由实验走向应用，具有里程碑意义。60年代美国通用电气公司为NASA开发出世界上第一个固体聚合物的燃料电池。70年代后期，人们开始考虑用燃料电池作为固定发电机能源，氢能经济的概念出现。多种燃料电池汽车公开示范。90年代后期，小型燃料电池取代蓄电池的可能性被得到证实，如冰岛政府建议利用地热能发展本国经济。1.3燃料电池的特点能量转化效率高；

燃料电池的能量转化效率高达70%左右，一般的能源利用方式的转换效率在30%左右

它是直接将化学能转化为电能，不经过燃烧过程，不受卡诺循环的限制，无机械振动。有害气体硫化物及氮化物、噪音的排放都很低；

二氧化碳的排放量随能量转换效率高而大幅度降低。燃料的适用范围广。积木化强。

可以规模化，安装地点灵活，占地面积小，建设周期短，功率可调，燃料电池适合于小区、工厂和独立电站、集中式电站和分布式发电等。负荷响应快，运行质量高。

数秒内便可以从最低功率变换到额定功率。1.4燃料电池的分类运行机理（工作原理）不同：酸性燃料电池和碱性燃料电池电解质的种类：质子交换膜燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池燃料的不同：氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和乙醇燃料电池工作温度：低温燃料电池、中温燃料电池、高温燃料电池a.低温燃料电池工作温度低于200℃，必须采用铂催化剂，如质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池。b.中温燃料电池工作温度为200℃-750℃，如磷酸型燃料电池c.高温燃料电池：

工作温度高于750℃，可以不采用催化剂，如固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池。开发的顺序第一代：碱性燃料电池AFC第二代：熔融碳酸盐燃料电池MCFC第三代：固体氧化物燃料电池SOFC第四代：磷酸型燃料电池PAFC第五代：质子交换膜燃料电池PEMFC1.5燃料电池的应用燃料氢作为燃料的氢与空气中的氧发生化学反应，从而产生电能驱动汽车或笔记本及电脑等。氢被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类在200年前就对氢产生了兴趣，20世纪70年代，世界上许多国家和地区开展了氢能的研究。氢的燃烧值高，每千克氢产生的热量为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水，是世界上最为干净的能源。

氢是自然界存在最普遍的元素，资源丰富（占宇宙质量的75%），可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源(如把海水中的氢全部提取出来,产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍)，水—氢—水演绎了自然界的物质循环利用和持续发展的经典过程。氢在自然界里主要存在于空气中和水中.氢的主要来源有:电解水制氢、矿物燃料制氢、生物质制氢、其他含氢物质制氢、化工过程的副产品

目前95%的氢来源于石油化工业。我国氢气产量世界第一：全世界最大的制氢工业在鄂尔多斯，用煤制氢，年产量在18万吨左右。储氢材料的产销量世界第一：中国和日本两大国几乎包揽了全世界金属储氢材料的生产甲醇、天然气和汽油也可以替代氢，不过将会产生极少量的二氧化碳和氮氧化物，但总体来说这类化学反应除了电能就只产生水。

应用日本东芝(toshiba)公司开发出小型直燃式甲醇燃料电池，可替代手机、笔记本电脑和pda等便携设备的锂离子电池.该电池平均输出功率12w，最大20w，工作时间约5小时。尺寸275x75x40mm，重量900g，额定电压11v。这种电池也可以替代锂离子电池。

三星方面称这是目前最好的军用燃料电池，性能提升了54%以上，续航时间则可提升7到8倍。三星的这款军用燃料电池重量只有3.5千克，够一个士兵正常使用3天（72个小时）以上。同类产品续航时间如果达到72小时，重量则要达到8千克到10千克。英国公司推出了一款名为UPP的氢燃料电池充电器。这款UPP电池可为智能手机提供平均一周电力，相当于约900小时额外待机，32个小时额外通话时间，26个小时额外视频，或40小时额外网页浏览时间。这款设备还拥有保护装置，当给移动设备充满电时，UPP将自动关闭。这款设备还附带一个应用程序，可以控制移动设备的充电程度。

氢动三号”是首款在日本获得绿色商用牌照的燃料电池车，也是首辆得到公路行驶许可的液氢燃料电池汽车。公司:通用亚太日本有限公司车重:1750千克乘员:5最大速度:160km/h行使里程:400km燃料类型:氢气燃料电池型号:质子交换膜燃料电池燃料贮存容量:68L据估算”氢动三号”所需成本是传统动力车成本的三至四倍,其原因之一是关键部件上采用了昂贵的原材:铂金(燃料电池)、碳纤维（高压储氢罐）

2005年通用汽车氢燃料电池车sequel在北美国际汽车展上首次亮相，同年4月驶入上海国际车展，堪称当时上海车展“科技含金量最高的展车”。Sequel一次加氢可连续行使480km，0-100km/h加速只需10秒，与普通的内燃发动机汽车非常接近，是全球第一辆能连续长距离行使且性能出色的燃料电池车。奔驰新型燃料电池车B级F-Cell，马达输出功率达100kW以上，比“A级车”的燃料电池车“F-Cell”高35kW以上。2011年1月完成了B-Cell燃料电池车的环球之旅，125天穿越了4个大洲14个国家，途径上海。动力可与2.0排量发动机媲美，续航里程400km，每次充满燃料仅需3分钟，非常适合日常使用。超越二号于2004年在上海市工业博览会上现身，是同济大学在2003年研制出中国首量燃料电池轿车“超越一号”后的又一杰作。超越二号喝的是氢气，经过低温燃烧，产生电能从而驱动汽车，吐出来的是纯水，没有任何污染。最高时速达118km，从0加速到最高时速耗时24.8s,续航里程为168km。

本田氢动力车FCX在2006年公布，2008年正式推出。作为氢能源汽车，它可以用高压方式储存氢燃料。其单位重量能储存的能量肯定是要大于现有的化学电池的，只需要5分钟就可以加满氢气，理想续航里程达到620公里，而实测续航里程也能达到380公里以上，具备有很高的实用性。丰田Mirai是一款氢燃料电池车，于2014年12月15日在日本正式上市。丰田Mirai的动力系统由氢氧化学反应的燃料电池组、交流电机和储氢罐组成，该系统最大功率可以达到114千瓦。官方数据显示，该车的续航里程可以达到482公里左右。

2015上海车展上大众首次在中国发布全新高尔夫SportVariantHyMotion氢燃料电池车，最大功率99kW，0-100km/h加速时间为10秒，拥有500km的续航里程。当氢气用尽时，仅需要3分钟便可充满。2014洛杉矶车展上，奥迪正式发布了A7Sportbackh-tron

quattro概念车，该车最大的特点就是搭载了氢燃料电池的动力系统。车尾处XXTFSI的标识被h-tron取代，以表明其氢燃料电池车身份。配有四个氢气罐，其百公里气耗约为1千克。若氢气全部用尽，充满仅需3分钟，这也是燃料电池车相对于纯电动车的最大优势。世界上第一辆量产版氢燃料电池车2013年2月在现代汽车韩国蔚山工厂正式下线。现代TucsonFCE