燃料电池的发展和应用

燃料电池的发展和应用摘要：燃料电池涉及化学热力学、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：能量转化效率高；它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。燃料电池系统的燃料一电能转换效率在45%〜60%,而火力发电和核电的效率大约在30%〜40%。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。本文介绍了燃料电池的发展历程和应用前景，并就其原理以及不足进行了相关讨论。关键词：燃料电池；效率；安全性；实际应用目录一、 燃料电池的组成二、 燃料电池的原理与特点三、 燃料电池的分类碱性燃料电池血糖燃料电池四、 燃料电池的优缺点五、 前景展望六、 参考文献正文―、燃料电池的组成燃料电池的主要构成组件为：电极、电解质隔膜与集电器等。1、 电极，燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与还原剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。电极主要可分为两部分，其一为阳极，另一为阴极，厚度一般为200—500mm；其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称SOFC）的Y203—stabilized—ZrO2（简称YSZ）及熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFC）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）与质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极等。⑶2、 电解质隔膜，电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂（LiAlO3）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂一钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。3、 集电器，集电器又称作双极板（BipolarPlate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。二、燃料电池的特点与原理由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率；具有很强的过负载能力；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为：负极：H2+2OH-—2H20+2e-正极：1/2O2+H2O+2e—2OH-电池反应：H2+1/2O2==H2O在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。酸性燃料电池中发生的反应为：燃料极：H2=2H+2e-(1)空气极：2H+1/2O2+2e-=H2O(2)全体：H2+1/202二H20（3）氢氧燃料电池组成在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H和e-,H移动到电解质中与空气极侧供给的02发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和02生成的H20，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。三、燃料电池的分类燃料电池可分为很多种类型。按燃料的处理方式的不同，可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中有光、电、热、放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同，可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。1、碱性燃料电池碱性燃料电池（AFC）是第一个燃料电池技术的发展，最初由美国航空航天局的太空计划，同时生产电力和水的航天器上°AFCS继续使用NASA航天飞机上的整个程序中，除了数量有限的商业应用。AFCS使用如氢氧化钾在水中的碱性电解液，一般燃用纯氢气。第一个在100ºC和250ºC，但典型的工作温度下运行的自动飞行控制系统，大约有70ºC。作为一个结果，在低的操作温度，它是没有必要采用一种在系统中的铂催化剂，而是可以使用各种非贵金属作为催化剂，以加快反应，在阳极和阴极发生。镍是最常用的催化剂在AFC单元。由于这些细胞的化学反应发生率比较高的燃料，电力的转换效率，在某些应用中高达60%。2、血糖燃料电池美国麻省理工学院的工程师最新研制一种微型电池原型，从人体自然血糖分子中产生电能。这种电池将用于驱动治疗癫痫、瘫痪以及帕金森氏症患者的大脑植入器。据悉，当前植入人体的装置通常是由锂电池提供动力，但是这种电池使用时间非常有限，必须进行更换。再次进入人体组织更换电池并不是医生所喜欢做的事情，如果更换大脑植入器的电池就变得更加棘手了。美国麻省理工学院电子工程和计算机科学副教授拉胡尔-萨尔皮什尔带领一支研究小组负责这项研究，他们使用铂催化剂放置在末端，一层碳纳米管在另一端来建造这个电池，它们放置在一个硅片上，从而将电流连接至大脑植入器上。当大脑组织中的血糖分子流经铂催化剂，伴随其氧化过程，电子和氢离子将分离开来。在电池另一端，当氧分子与单壁碳纳米管接触时，与氢离子混合形成水，该电池最多可产生180微瓦功率的电能，足以驱动一个大脑植入器发送信号绕开受损大脑组织，或者刺激大脑组织（用于治疗帕金森氏症的方法）。血糖电池是一个较早的概念，最早出现于上世纪70年代，2010年，法国科学家设计了一种类似的电池用于驱动起搏器。这种电池混合了石墨和酶，能够从血糖中分离电子。但这种电池的问题在于酶动力电池无法提供像锂电池一样的电能输出。只要存在血糖和水，麻省理工学院最新研制的电池就能长时间持续工作，提供动能的血糖来自于环绕大脑组织周围的脑脊液。多数血糖并不能被人体使用，而这种电池仅使用很少部分的血糖，并不会影响大脑功能。四、燃料电池的优缺点能源安全性。自1970年代的石油危机后，各大工业国对石油的依赖仍有增无减，而且主要靠石油输出国的供应。美国载客车辆每日可消耗约600万桶油，占油料进口量之85%。若有20%的车辆采用燃料电池来驱动，每日便可省下120万桶油。国防安全性。燃料电池发电设备具有散布性的特质，它可让地区摆脱中央发电站式的电力输配架构。长距离、高电压的输电网络易成为军事行动的攻击目标。燃料电池设备可采集中也可采分散性配置，进而降低了敌人欲瘫痪国家供电系统的风险。高可靠度供电。燃料电池可架构于输配电网络之上作为备援电力，也可独立于电力网之外。在特殊的场合下，模块化的设置（串联安装几个完全相同的电池组系统以达到所需的电力）可提供极高的稳定性。燃料多样性。现代种类繁多的电池中，虽然仍以氢气为主要燃料，但配备「燃料转化器（或译重组器，fuelreformer）」的电池系统可以从碳氢化合物或醇类燃料中萃取出氢元素来利用。此外如垃圾掩埋场、废水处理场中厌氧微生物分解产生的沼气也是燃料的一大来源。利用自然界的太阳能及风力等可再生能源提供的电力，可用来将水电解产生氢气，再供给至燃料电池，如此亦可将「水」看成是未经转化的燃料，实现完全零排放的能源系统。只要不停地供给燃料给电池，它就可不断地产生电力。高效能。由于燃料电池的原理系经由化学能直接转换为电能，而非产生大量废气与废热的燃烧作用，现今利用碳氢燃料的发电系统电能的转换效率可达40~50%；直接使用氢气的系统效率更可超过50%；发电设施若与燃气涡轮机并用，则整体效率可超过60%；若再将电池排放的废热加以回收利用，则燃料能量的利用率可超过85%。用于车辆的燃料电池其能量转换率约为传统内燃机的3倍以上，内燃引擎的热效率约在10~20%之谱。环境亲和性。科学家们已认定空气污染是造成心血管疾病、气喘及癌症的元凶之一。最近的健康研究显示，市区污染性的空气对健康的威胁如同吸入二手烟。燃料电池运用能源的方式大幅优于燃油动力机排放大量危害性废气的方案，其排放物大部份是水份。某些燃料电池虽亦排放二氧化碳，但其含量远低于汽油之排放量（约其1/6）。燃料电池发电设备产生1000仟瓦-小时的电能，排放之污染性气体少于1盎斯；而传统燃油发电机则会产生25磅重的污染物。因此，燃料电池不仅可改善空气污染的情况，甚可能许给人类未来一片洁净的天空。可弹性设置/用途广。燃料电池的迷人之处在于其多样风貌。除了前述的集中分散两相宜的特点外，它还具有缩放性。利用黄光微影技术可制作微型化的燃料电池；利用模块式堆栈配置可将供电量放大至所欲的输出功率。单一发电元所产生的电压约为0.7伏特，刚好能点亮一只灯。将发电元予以串接，便构成燃料电池组，其电压则增加为0.7伏特乘以串联的发电元个数。燃料电池的劣势主要是价格和技术上存在一些瓶颈，摘列如下：燃料电池造价偏高:车用PEMFC之成本中质子交换隔膜(USD300/m2)约占成本之35%;铂触媒约占40%,二者均为贵重材料。反应/启动性能：燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。反应性可藉增加电极活性、提高操作温度及反应控制参数来达到，但提高稳定性则必须避免副反应的发生。反应性与稳定性常是鱼与熊掌不可兼得。碳氢燃料无法直接利用：除甲醇外，其它的碳氢化合物燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后，方可供现今的燃料电池利用。这些设备亦增加燃料电池系统之投资额。FCV的氢燃料是以压缩氢气为主，车体的载运量因而受限，每次充填量仅约2.5~3.5公斤，尚不足以满足现今汽车单程可跑480~650公里的续航力。以-253°C保持氢的液态氢系统虽已测试成功，但却有重大的缺陷：约有1/3的电能必须用来维持槽体的低温，使氢维持于液态，且从隙缝蒸发而流失的氢气约为总存量的5%。氢燃料基础建设不足：氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模，但全世界充氢站仅约70站，仍值示范推广阶段。此外，加气时间颇长，约需时5分钟，尚跟不上工商时代的步伐。五、前景与展望便携式电子设备厂家多年来受LIB的困扰，苦于没有出路，汽车领域里燃料电池的曙光激发出开发小巧燃料电池,一发不可收拾。最先投入研究与开发的是欧美风险企业,日本便携式电子设备制造商跟随其后，紧追不舍，这些厂家参与燃料电池开发，各自大胆采用新材料，并且相继获得突破性进展，于2001年里分别发表小巧燃料电池