第九部分燃料电池

第八部分

燃料电池一、燃料电池研究开发背景

二、燃料电池发电原理及特点

三、燃料电池的发展概况

四、国内外燃料电池发展的现状

及将来发展展望一、燃料电池研究开发背景

根据国际能源机构预测，随着经济的发展、社会的进步和人口的不断增长全世界的能源消耗在今后的二十年至少增加一倍。能量消耗的增加部分仍将主要由矿物燃料来满足。地球上蕴藏的矿物燃料资源是有限的，它的高额消耗必将引起更深重的世界性能源危机，同时所产生的大量二氧化碳CO2，NOx和SO2等有害物质，会导致日益严重的环境污染，威胁着人类的生存环境。随着经济的迅速发展，发展新的能源技术，解决日益严重的能源与环境问题，已成为十分紧迫的任务。

自1839年英国的R．Grove爵士提出燃料电池(FuelCell)概念以来，燃料电池已经历了一百多余年的发展历史，但其真正快速发展还是近四十年的事。上世纪六十年代以来，美国航天航空局(NASA)和国防部已用碱金属燃料电池为“阿波罗”号飞船、航天飞机等航天飞行提供动力电源，为遥远的偏僻地区驻军供应电力与热水。促使燃料电池从太空技术转向民用的直接原因是二十世纪七十年代末的世界性能源危机及环境问题的加剧。近代技术突飞猛进，使燃料电池的产业应用成为可能。燃料电池作为一种直接电能转换装置已引起世界各国的重视，被看作是继火力、水利和核能发电之后的第四种发电方式。尤其是二十世纪八十年代以来，燃料电池的研究、开发和示范速度越来越快，应用领域和前景越来越广。

但是，目前国内的燃料电池研究尚处在小型原理装置演示阶段，离实用化还有相当差距。迄今为止，各研究单位将力量主要集中在燃料电池的电极制备和组堆，而对电池运行控制技术和原料催化重整技术只做了一些初步的研究工作，对其中的一些重要问题尚未能彻底解决。另外，目前燃料电池基本上采用贵金属铂等作为催化剂，使得建造成本过高，这一关键经济因素严重制约着燃料电池的商业化。估计国内燃料电池电动汽车和发电站走向市场大约还需要10年以上的时间。(2005年)二、燃料电池发电原理与优点

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能源转换装置。和常规化学电源发电方式相似，电极主要是提供电子转移的场所，燃料(氢气等)气体在阳极发生氧化反应，而氧化剂气体在阴极发生还原反应。在将阴阳极相隔开的电解质内，导电离子由高浓度处向低浓度处迁移，而电子通过外电路做功并构成完整的电回路。燃料电池的工作方式与常规化学电源不同的是，它的燃料与氧化剂并不贮存在电池内，而是直接从电池外连续供应的。当电池工作时，要连续向电池送入燃料和氧化剂、排出反应产物。

氢氧燃料电池装置从本质上说是水电解的一个"逆"装置。电解水过程中，通过外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。燃料电池的工作原理与普通电化学电池相类似，然而从实际应用来考虑，两者存在着较大的差别。普通电池是将化学能储存在电池内部的化学物质中，当电池工作时，这些有限的物质发生反应，将储存的化学能转变成电能，直至这些化学物质全部发生反应。

对于原电池而言，电池所放出的能量取决于电池中储存的化学物质量，对于可充电电池而言，则可以通过外部电源进行充电，使电池工作时发生的化学反应逆向进行，得到新的活性化学物质，电池可重新工作。因此实际上普通电池只是一个有限的电能输出和储存装置。而燃料电池则不同，参与反应的化学物质，氢和氧，分别由燃料电池外部的单独储存系统提供，因而只要能保证氢氧反应物的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能，从这个意义上说，燃料电池是一个氢氧发电装置。燃料电池直接将化学能转化为电能，它所构成的发电系统具有以下突出优点：1．能量转化效率高。

因为它不通过热机过程，不受卡诺循环限制，故能量转换效率较高，如日本的以天然气为燃料的11MW磷酸型燃料电池(PAFC)发电装置，送电端发电效率达41．1％(HHV)；中高温型燃料电池(MCFC和SOFC)发电系统，效率可望更高；如将废热的回收利用计算在内，其总能量利用效率可达70％~80％，远远高于普通内燃机和蒸汽机的效率。均明显优于大型火电厂的效率。2.无污染或污染低

燃料电池是一种清洁型的发电装置，即使是高温的燃料电池，在运行时NOx的排放也仅十几个ppm，CO排放量也相对少许多(与常规发电技术相比)；而且硫化物与氮化物的生成量极少，二氧化碳的排放亦很低。3.发电时系统不需要大量的冷却水，使其不受水资源限制4．燃料电池系统运行噪声低。如对兆瓦级磷酸型燃料电池PAFC厂10米处，噪声一般低于55分贝5．负荷跟踪特性好，过载能力强，变工况运行性能好，低负荷运行时能量转换效率不但不降低，反而略有增加6．便于热电联供，中小型发电时经济性高，热电联供时热效率达80％7．装置具有“积木”特性，适于分散建造，建设周期短，易于建成可移动的动力源。三、燃料电池的发展概况1.品种的开发随着经济的迅猛发展，人类对能源的需求量日益增加，而世界石油及煤的储量持续减少，地球的生态环境不断恶化，能源与环境问题已经成为制约各国经济发展和人类进步的重要因素。作为绿色能源技术的燃料电池，可以一箭双雕地解决节能和环境保护这两大难题，因此近年来倍受重视，美国、欧洲、日本等发达国家都投入很大力量加紧研究开发。燃料电池的种类很多，按照使用的电解质种类主要有：（1）磷酸燃料电池(PhosphoricAcidFuelCells，PAFC)（2）质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuel

Cells，PEMFC)（3）碱性燃料电池(AlkaliFuelCells，AFC)等上述燃料电池的工作温度不高于200℃，称为低温燃料电池；（4）而熔融型碳酸盐燃料电池(MeltCarbonateFuelCells，

MCFC)（5）固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCells，SOFC)其中（4）（5）工作温度大于650℃，称为高温燃料电池。1）碱性燃料电池

电解液是碱性水溶液，一般是氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液，其导电性好，电池放电时极化较小，在常温下即能正常工作。但碱性溶液有较强的腐蚀性。另外，这类燃料电池要求原料气和助燃气中不含有二氧化碳，因为二氧化碳会与碱性电解液发生反应生成盐。2）磷酸型燃料电池

电解液是磷酸水溶液。采用酸性电解液可克服气体中二氧化碳的成盐反应，降低了对原料气和助燃气纯度的要求，普通的空气就可以作为助燃气。但酸的腐蚀性很强，对电池中电极材料和池体材料都提出了更高的耐腐蚀要求。磷酸在常温下的解离度较小，提高温度可以增加其解离度，从而提高其导电性。因此，这类燃料电池一般要求在200℃左右的温度工作。3）熔融碳酸盐型燃料电池

采用熔融的碳酸盐(例如碳酸钠与碳酸锂混合物)作为电解液，电解液中不含水分。这种燃料电池可以用一氧化碳作为原料气，因此可以采用固态煤为原料，将煤转化成煤气后输入到燃料电池中发电。这对于具有丰富煤炭资源的中国来说，是一项很有价值的高效发电方式。这种燃料电池工作温度在600-750℃范围内。温度高有利于提高电化学反应的活性，降低了对催化剂的要求，可以使用非贵金属材料作为催化剂。但高温下的液态电解质也对电极材料有严重腐蚀。4）固体氧化物燃料电池

在高温下有些固体氧化物具有良好的导电性，可以用作燃料电池中的电解质。通常用氧化锆作为固体电解质，工作温度在1000℃附近。尽管工作温度很高，但这种固体电解质不会腐蚀电极材料。SOFC电池的工作原理举例：

固体氧化物作为电解质起传递氧离子和分离空气、燃料的作用。在阴极上，氧分子得到电子被还原为氧离子：氧离子在电场的作用下，通过电解质的氧空位迁移到阳极(燃料电极)上与燃料H2或CH4进行反应：

202－－4e+2H2→2H20(1.2a)402－－8e十CH4→2H2O+CO2

(1.2b)电池总的反应为：2H2十O2→2H2O(1.3a)CH4+2O2→2H2O十CO2(1.3b)总反应过程的Gibs自由能△G转变为电能。电池的理论极限效率根据文献定义为：ηmax=△G/△H△H为总反应(1.3a)或(1.3b)的反应热，△G为总反应的吉布斯自由能。由于电极极化，内阻和燃料利用不完全等原因，实际电池效率为：η=ηmax*E/Ea*εfE为工作电压，εf为燃料利用率。对SOFC而言，效率一般为50~60％其余的约40％的能量以余热排出。SOFC阴极材料在高温SOFC中，要求电极必须具有如下条件：(1)多孔性：允许反应气体容易扩散到三相界面，并增大催化反应表面；(2)高的电子导电性；(3)有高度的化学和热相容性以及相应的热膨胀系数。5）质子交换膜燃料电池

用专门合成的质子交换膜作为燃料电池的电解质。这是最新开发的能量密度最高的一种燃料电池，被称为新一代燃料电池。目前国际上通用的质子交换膜是美国杜邦公司生产的全氟磺酸型NF薄膜，其质子导电性较好，耐腐蚀，使用寿命长。加拿大道公司生产的DOW膜是导电性更好的质子交换膜，但稳定性略低由于质子交换膜的优良的物理化学性能和电学性能，使质子交换膜燃料电池除了具备一般燃料电池的优点之外，还具有能量密度高、易于维修以及可在常温下工作等重要优点。由于质子交换膜燃料电池的这些优点，使它受到科学家与工程师的极大重视。美国将它用于航天器工作电源，近年来各发达国家正在积极研究将它用作汽车等运输工具的动力。美国国家关键技术委员会认为质子交换膜燃料电池是一项特别有希望的燃料电池技术。2.燃料气的种类氢气（排放好，多用于汽车），CO，甲醇，甲烷用于发电厂等。

根据对燃料的处理方式，燃料电池分为直接式和重整式两种。直接式就是对燃料不加转化处理，直接送入电池进行电化学发电，例如氢气燃料电池等。重整式是将难以直接进行电化学反应的燃料如乙醇或煤等进行化学处理，转化成氢气或一氧化碳后送入电池进行电化学发电。有些燃料，既可以直接进行电化学反应发电，也可以先转化成反应活性更高的气体后进行电化学反应发电。

例如甲醇燃料电池，既有直接式的，也有重整式的。甲醇是一种便于储存和运输的可燃液体，以甲醇为燃料的液体燃料电池颇受人们重视。直接式甲醇燃料电池是让液体甲醇直接在电化学反应池中发生氧化反应，输出电能，在各种液体燃料中，甲醇在电池中的反应活性比较高，所以能直接进行电化学反应发电。重整式甲醇燃料电池是让甲醇在催化转化器中转化成氢气，然后进入电化学反应池中进行反应发电。这种方式实质上是将液体燃料转化成气体燃料，能有效地控制副反应的发生，发电效率也比直接式高。3.燃料电池电极所用的催化剂碱性燃料电池：阳极：负载在碳上的铂黑阴极：金属负载碳，铁钴镍钙钛矿或尖晶石结构质子交换膜燃料电池：阳极：负载在碳上的铂釕黑阴极：负载在碳上的铂黑高温燃料电池由于温度高，对催化剂要求较低，可以不用贵金属，也是由于贵金属高温容易挥发。四、国内外研究现状及将来发展展望

早在1937年Baur和Preis就研制出第一台固体氧化物燃料电池，然而到了八十年代初固体氧化物燃料电池才得到迅速发展起来。和所有燃料电池一样，SOFC的研究工作需投入大量的资金。目前大多数SOFC的研制工作在发达国家的科研机构或大公司研究所进行，其中美国、德国和日本在SOFC的研究方面进展最为迅速，居世界领先水平。德国Siemens-Westinghouse电气公司是最早从事SOFC研究的公司，它主要集中在发展管式SOFC电池。从1986年到1992年，Westinghouse电气公司已成功研制出1个25KW级的管式SOFC电池系统，并分别在日本大阪和美国南加州进行直接天然气的几千小时的试验运行。试验证明电池的输出、关闭、启动热循环等各项性能良好，电池的性能衰减率在0.5~2％。

各大汽车厂商都认为，近期内有可能取代传统汽车的清洁交通工具只有燃料电池车。为此，它们纷纷敦促本国政府制订相关的产业政策。美国能源部已制订了“氢计划”，提出要在2010年让燃料电池车在汽车市场上占据25％。日本经济产业省不久前提出的发展目标是，在2010年前要把汽车用燃料电池的价格降低到普通汽油发动机的水平，并且要首先从政府机关开始普及燃料电池车。经济产业省还认定，丰田和通用两公司采用的从新型汽油中制取氢气的方法具有现实性，并建议由日、美、欧等国家制订关于燃料电池的国际规格。

1.国外燃料电池的研究及应用

1）电站发电

燃料电池能量转换效率高，对环境污染小，用作电站发电具有重要的经济效益和环境效益。美国建成了一些中小型磷酸型燃料电池发电站，供一些商店、文化中心、公寓和医院使用。日本在20世纪90年代安装了十几座兆瓦级的磷酸型燃料电池发电站，美日两国还探索研究以煤或含碳气体为原料的熔融碳酸盐燃料电池发电技术，建造了兆瓦级的发电站。

2）航天电源

碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池可以在常温下启动工作，且能量密度高，是理想的航天器工作电源。尤其是采用氢气作为燃料，工作时排出的水可供宇航员饮用，这样就不用另外携带饮用水，这对于降低航天发射成本非常重要。美国从60年代开始，就采用碱性燃料电池作为航天器工作电源，70年代以来改用质子交换膜燃料电池。3）汽车动力

质子交换膜燃料电池工作条件温和，启动快，适合做车用动力。它不排放有害废气，用于城市公交运输，对城市环境没有污染。从80年代末起，北美，西欧和日本就开始研制以氢气做原料气的质子交换膜燃料电池电动汽车一零污染电动汽车。1993年，加拿大巴拉德公司研制出世界上第一辆燃料电池公共汽车。1997年，德国奔驰汽车公司和英国汽车公司分别推出用质子交换膜燃料电池驱动的无废气公共汽车。1998年，德国研制出重整式甲醇燃料电池驱动的电动汽车。美国福特公司和日本丰田汽车公司分别研制出质子交换膜氢燃料电池电动汽车。戴勒姆克莱斯勒2000年11月推出的燃料电池车Necar54）潜艇动力

碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本上没有红外辐射，而且噪音小，用做潜艇动力，可大大提高其军事隐蔽性。加拿大海军在90年代初研制了一台质子交换膜氢燃料电池做动力的海洋探测器。德国建造了质子交换膜氢燃料