燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為同時(shí)沒有機(jī)械傳動(dòng)部件，故沒有噪原料，排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

 

基本介紹

 

將燃料與氧化劑的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運(yùn)行，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。目前實(shí)際運(yùn)行的各種燃料電池，由于種種技術(shù)因素的限制，再考慮整個(gè)裝置系統(tǒng)的耗能，總的轉(zhuǎn)換效率多在45%～60%范圍內(nèi)，如考慮排熱利用可達(dá)80%以上。此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組安靜。另外電化學(xué)反應(yīng)清潔、完全，很少產(chǎn)生有害物質(zhì)。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發(fā)展前途的能源動(dòng)力裝置。 [2] 

 

燃料電池是一種電化學(xué)的發(fā)電裝置,等溫的按電化學(xué)方式,直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不必經(jīng)過熱機(jī)過程,不受卡諾循環(huán)限制,因而能量轉(zhuǎn)化效率高,且無噪音,無污染,正在成為理想的能源利用方式。同時(shí),隨著燃料電池技術(shù)不斷成熟,以及西氣東輸工程提供了充足天然氣源,燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用存在著廣闊的發(fā)展前景。 [3] 

 

原理和發(fā)展

 

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置,它是按電化學(xué)原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,因而實(shí)際過程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成,即陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子,電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場作用下,通過電解質(zhì)遷移到陽極上,與燃料氣反應(yīng),構(gòu)成回路,產(chǎn)生電流。同時(shí),由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻,燃料電池還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導(dǎo)電子外,也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飼r(shí),陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結(jié)構(gòu),以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路,電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。 [3] 

 

技術(shù)原理

 

 

 

燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池

 

氫-氧燃料電池反應(yīng)原理這個(gè)反應(yīng)是電解水的逆過程。電極應(yīng)為： 負(fù)極：H2 +2OH-→2H2O +2e-

 

正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-

 

電池反應(yīng)：H2+1/2O2==H2O

 

另外，只有燃料電池本體還不能工作，

 

 

 

必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

 

燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。

 

在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H+）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：

 

燃料極：H2==2H++2e-（1）

 

空氣極：2H++1/2O2+2e-==H2O（2）

 

全體：H2+1/2O2==H2O（3）

 

在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-，H+移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。 引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應(yīng)面積成比。

 

PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進(jìn)反應(yīng)，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應(yīng)用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是對(duì)于低溫工作的PEMFC更應(yīng)嚴(yán)格地加以限制。

 

磷酸燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進(jìn)入燃料堆的負(fù)極(燃料極)，同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。

 

相對(duì)PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應(yīng)用，而且還具有易于利用其高質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點(diǎn)。

 

MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)（通常是為Li與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。

 

MCFC工作原理?？諝鈽O的O2（空氣）和CO2與電相結(jié)合，生成CO32-（碳酸離子），電解質(zhì)將CO32-移到燃料極側(cè)，與作為燃料供給的H+相結(jié)合，放出e-，同時(shí)生成H2O和CO2?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下：

 

燃料極：H2+CO32-==H2O+CO2+2e-（4）

 

空氣極：CO2+1/2O2+2e-==CO32-（5）

 

全體：H2+1/2O2==H2O（6）

 

在這一反應(yīng)中，e-同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點(diǎn)是，必須要有有助于反應(yīng)的CO32-離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)部直接生成H2的方法也已開發(fā)出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應(yīng)生成H2，因此，可以等價(jià)地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。

 

SOFC是以陶瓷材料為主構(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構(gòu)成了O2-的導(dǎo)電體Y2O3（氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同，電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開發(fā)出了為避免應(yīng)力集中的圓筒型。SOFC的反應(yīng)式如下：

 

燃料極：H2+O2-==H2O+2e-（7）

 

空氣極：1/2O2+2e-==O2-（8）

 

全體：H2+1/2O2==H2O（9）

 

燃料極，H2經(jīng)電解質(zhì)而移動(dòng)，與O2-反應(yīng)生成H2O和e-?？諝鈽O由O2和e-生成O2-。全體同其他燃料電池一樣由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)成H2加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。

 

組成結(jié)構(gòu)

 

燃料電池的主要構(gòu)成組件為：電極（Electrode）、電解質(zhì)隔膜（Electrolyte Membrane）與集電器（Current Collector）等。 　　1、電極 　　燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所，其性能的好壞關(guān)鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。 　　電極主要可分為兩部分，其一為陽極（Anode），另一為陰極（Cathode），厚度一般為200－500mm；其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應(yīng)的電極表面積，而此也是燃料電池當(dāng)初所以能從理論研究階段步入實(shí)用化階段的重要關(guān)鍵原因之一。 　　目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料制成，例如固態(tài)氧化物燃料電池（簡稱SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（簡稱YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC）的氧化鎳電極等，而低溫燃料電池則主要是由氣體擴(kuò)散層支撐一薄層觸媒材料而構(gòu)成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC）的白金電極等。 [4]  　　2、電解質(zhì)隔膜 　　電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強(qiáng)度，就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質(zhì)，目前主要朝兩個(gè)發(fā)展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內(nèi)，另一則是采用全氟磺酸樹脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。 　　3、集電器 　　集電器又稱作雙極板（Bipolar Plate），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。

 

優(yōu)點(diǎn)

 

燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。從理論上來講,只要連續(xù)供給燃料,燃料電池便能連續(xù)發(fā)電,已被譽(yù)為是繼水力、火力、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。 [5] 

 

發(fā)電效率高

 

燃料電池發(fā)電不受卡諾循環(huán)的限制。理論上,它的發(fā)電效率可達(dá)到85% ～90%,但由于工作時(shí)各種極化的限制,目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%～ 60%。若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供,燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。 [3] 

 

環(huán)境污染小

 

燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時(shí),二氧化碳的排放量比熱機(jī)過程減少40%以上,這對(duì)緩解地球的溫室效應(yīng)是十分重要的。另外,由于燃料電池的燃料氣在反應(yīng)前必須脫硫,而且按電化學(xué)原理發(fā)電,沒有高溫燃燒過程,因此幾乎不排放氮和硫的氧化物,減輕了對(duì)大氣的污染。 [3] 

 

比能量高

 

液氫燃料電池的比能量是鎳鎘電池的800倍,直接甲醇燃料電池的比能量比鋰離子電池(能量密度最高的充電電池)高10倍以上。目前,燃料電池的實(shí)際比能量盡管只有理論值的10%,但仍比一般電池的實(shí)際比能量高很多。 [3] 

 

噪音低

 

燃料電池結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)動(dòng)部件少,工作時(shí)噪聲很低。即使在11MW級(jí)的燃料電池發(fā)電廠附近,所測得的噪音也低于55dB。 [3] 

 

燃料范圍廣

 

對(duì)于燃料電池而言,只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料,例如天然氣、石油、煤炭等化石產(chǎn)物,或是沼氣、酒精、甲醇等,因此燃料電池非常符合能源多樣化的需求,可減緩主流能源的耗竭。 [3] 

 

可靠性高

 

當(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動(dòng)時(shí),它會(huì)很快響應(yīng)。無論處于額定功率以上過載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行,它都能承受且效率變化不大。由于燃料電池的運(yùn)行高度可靠,可作為各種應(yīng)急電源和不間斷電源使用。 [3] 

 

易于建設(shè)

 

燃料電池具有組裝式結(jié)構(gòu),安裝維修方便,不需要很多輔助設(shè)施。燃料電池電站的設(shè)計(jì)和制造相當(dāng)方便。 [3] 

 

應(yīng)用和研究

 

堿性燃料電池(AFC)是最早開發(fā)的燃料電池技術(shù),在20世紀(jì)60年代就成功的應(yīng)用于航天飛行領(lǐng)域。磷酸型燃料電池(PAFC)也是第一代燃料電池技術(shù),是目前最為成熟的應(yīng)用技術(shù),已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用和批量生產(chǎn)。由于其成本太高,目前只能作為區(qū)域性電站來現(xiàn)場供電、供熱。熔融碳酸型燃料電池(MCFC)是第二代燃料電池技術(shù),主要應(yīng)用于設(shè)備發(fā)電。固體氧化物燃料電池(SOFC)以其全固態(tài)結(jié)構(gòu)、更高的能量效率和對(duì)煤氣、天然氣、混合氣體等多種燃料氣體廣泛適應(yīng)性等突出特點(diǎn),發(fā)展最快,應(yīng)用廣泛,成為第三代燃料電池。 [6] 

 

目前正在開發(fā)的商用燃料電池還有質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。它具有較高的能量效率和能量密度,體積重量小,冷啟動(dòng)時(shí)間短,運(yùn)行安全可靠。另外,由于使用的電解質(zhì)膜為固態(tài),可避免電解質(zhì)腐蝕。燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)已取得了重大進(jìn)展,技術(shù)逐漸成熟,并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。作為21世紀(jì)的高科技產(chǎn)品,燃料電池已應(yīng)用于汽車工業(yè)、能源發(fā)電、船舶工業(yè)、航空航天、家用電源等行業(yè),受到各國政府的重視。 [3] 

 

我國燃料電池研究始于20世紀(jì)50年代末,70年代國內(nèi)的燃料電池研究出現(xiàn)了第一次高峰,主要是國家投資的航天用AFC,如氨/空氣燃料電池、肼/空氣燃料電池、乙二醇/空氣燃料電池等.80年代我國燃料電池研究處于低潮,90年代以來,隨著國外燃料電池技術(shù)取得了重大進(jìn)展,在國內(nèi)又形成了新一輪的燃料電池研究熱潮.1996年召開的第59次香山科學(xué)會(huì)議上專門討論了“燃料電池的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展”,鑒于PAFC在國外技術(shù)已成熟并進(jìn)入商品開發(fā)階段,我國重點(diǎn)研究開發(fā)PEMFC、MCFC和SOFC.中國科學(xué)院將燃料電池技術(shù)列為“九五”院重大和特別支持項(xiàng)目,國家科委也相繼將燃料電池技術(shù)包括DAFC列入“九五”、“十五”攻關(guān)、“ 863”、“973”等重大計(jì)劃之中.燃料電池的開發(fā)是一較大的系統(tǒng)工程,“官、產(chǎn)、研”結(jié)合是國際上燃料電池研究開發(fā)的一個(gè)顯著特點(diǎn),也是必由之路.目前,我國政府高度重視,研究單位眾多,具有多年的人才儲(chǔ)備和科研積累,產(chǎn)業(yè)部門的興趣不斷增加,需求迫切,這些都為我國燃料電池的快速發(fā)展帶來了無限的生機(jī). [7] 

 

另一方面,我國是一個(gè)產(chǎn)煤和燃煤大國,煤的總消耗量約占世界的25%左右,造成煤燃料的極大浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染.隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,我國汽車的擁有量(包括私人汽車)迅猛增長,致使燃油的汽車越來越成為重要的污染源.所以開發(fā)燃料電池這種潔凈能源技術(shù)就顯得極其重要,這也是高效、合理使用資源和保護(hù)環(huán)境的一個(gè)重要途徑。 [7] 

 

幾種燃料電池

 

SOFC

 

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置,具有一般燃料電池的結(jié)構(gòu)。固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質(zhì),在高溫800～ 1 000℃下操作,反應(yīng)氣體不直接接觸 [8]  ,因此可以使用較高的壓力以縮小反應(yīng)器的體積而沒有燃燒或爆炸的危險(xiǎn)。

 

目前正在研制開發(fā)的新一代固體氧化物燃料電池,其特征是基于薄膜化制造技術(shù),是典型的高溫陶瓷膜電化學(xué)反應(yīng)器,我們可稱其為陶瓷膜燃料電池。這種提法不同于燃料電池的一般命名法,更著眼于電解質(zhì)材料和構(gòu)型的設(shè)計(jì)。我國已成功研制了中溫(500～ 750℃)陶瓷膜燃料電池的關(guān)鍵材料,發(fā)展了多種薄膜化技術(shù)(流延法、絲網(wǎng)印刷法、懸浮粒子法、靜電噴霧法、化學(xué)氣相淀積法等),獲得了厚度5～ 20μm的薄層固體電解質(zhì),比傳統(tǒng)工藝制造的150～ 200μm電解質(zhì)薄板減薄了一個(gè)數(shù)量級(jí),單電池的輸出功率達(dá)到了500～ 600mW /cm 2。燃料氣除氫氣以外,還可以直接以天然氣、生物質(zhì)氣為原料。最近,西門子-西屋公司已經(jīng)完成了以天然氣為燃料,內(nèi)重整的100kW級(jí)管狀電池的現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)電系統(tǒng),試運(yùn)行了4 000h,電池輸出功率達(dá)127kW,電效率為53% [9]  。

 

隨著對(duì)固體氧化物燃料電池基礎(chǔ)研究的深入,其在各領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了開發(fā)。在發(fā)展大型電站技術(shù)的同時(shí),固體氧化物燃料電池還用于分布式電站和備用電源技術(shù)。固體氧化物燃料電池可作為移動(dòng)式電源,為大型車輛提供輔助動(dòng)力源。第一輛裝有固體氧化物燃料電池輔助電源系統(tǒng)(APU)的汽車,由巴伐利亞發(fā)動(dòng)機(jī)公司與德爾福汽車系統(tǒng)公司合作推出,已于2001年2月16日在德國慕尼黑問世 [10]  。固體氧化物燃料電池還可以作為輪船、艦艇用電源以及宇航等特殊用途的發(fā)電系統(tǒng)。另外,利用固體氧化物燃料電池系統(tǒng)作為碳?xì)錃怏w的重整裝置以制備純氫,再配合質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用也將有著廣闊的發(fā)展前景。 2004年5月,美國能源部投資240萬美元用于固體氧化物燃料電池再生能源項(xiàng)目開發(fā) [11]  。固體氧化物燃料電池的廣泛應(yīng)用前景使其成為目前發(fā)展的熱點(diǎn)。美國政府部門在燃料電池方面的研究投資重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向了固體氧化物燃料電池。

 

RFC

 

氫燃料電池以氫氣為燃料,與氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后透過質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能。氫和氧反應(yīng)生成水,不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物,無污染,發(fā)電效益高。60年代,氫燃料電池就已經(jīng)成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域。“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。 70年代至今,隨著制氫技術(shù)的發(fā)展,氫燃料電池在發(fā)電、電動(dòng)車和微型電池方面的應(yīng)用開發(fā)取得了許多成果。

 

目前,氫燃料電池的發(fā)電熱效率可達(dá)65%～ 85%,重量能量密度500～ 700Wh/kg,體積能量密度1 000～ 1 200Wh/L,發(fā)電效率高于固體氧化物燃料電池 [10]  。氫燃料電池在30～ 90℃下運(yùn)行,啟動(dòng)時(shí)間很短,0～ 20s內(nèi)即可達(dá)到滿負(fù)荷工作,壽命可以達(dá)到10年,無震動(dòng),無廢氣排放,大批量生產(chǎn)成本可降到100～ 200美元/kW [12]  。將氫燃料電池用于電動(dòng)車,與燃油汽車比較,除成本外,各方面性能均優(yōu)于現(xiàn)有的汽車。只要進(jìn)一步降低成本,預(yù)計(jì)不久就會(huì)有實(shí)用的電動(dòng)車問世。

 

基于以上情況,各國都在加緊對(duì)氫氣作燃料的燃料電池開發(fā)。德國已陸續(xù)推出了各種燃?xì)淦?。在冰島政府的支持下,原戴姆勒-克萊斯勒公司和殼牌公司于1999年初公布了把這個(gè)島國變?yōu)槭澜缟系谝粋€(gè)“氫經(jīng)濟(jì)”的國家計(jì)劃———最終用無污染的氫能源取代所有小轎車、公共汽車上使用的柴油和汽油 [13]  。

 

我國在廣東汕頭南澳島建立了電動(dòng)汽車試驗(yàn)區(qū),有近20輛電動(dòng)車和混合動(dòng)力汽車投入試驗(yàn)。從總體水平上看,我國的氫能和氫燃料電池的研究開發(fā)工作與國外一些發(fā)達(dá)國家相比,還有一定差距。

 

氫燃料電池還未完全實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的原因主要有兩方面。首先,如何制造氫氣。制氫的方式是多種多樣的,既可通過化學(xué)方法對(duì)化合物進(jìn)行重整、分解、光解或水解等方式獲得,也可通過電解水制氫,或是利用產(chǎn)氫微生物進(jìn)行發(fā)酵或光合作用來制得氫氣。其中,電解水制氫是一種完全清潔的制氫方式,但這種方法能耗量較大,在現(xiàn)場制氫方面的應(yīng)用受到了一些限制,目前還在進(jìn)一步研究和開發(fā)。生物制氫法采用有機(jī)廢物為原料,通過光合作用或細(xì)菌發(fā)酵進(jìn)行產(chǎn)氫。但目前對(duì)這種方法的產(chǎn)氫機(jī)理了解得尚不深入,在菌種培育、細(xì)菌代謝路徑、細(xì)菌產(chǎn)氫條件等方面的許多問題還有待研究,總的說來還不成熟 [13]  。目前主要的大規(guī)模產(chǎn)氫方式是以煤、石油、天然氣為原料加熱制氫,需要800℃

 

以上的高溫,轉(zhuǎn)化爐等設(shè)備需要特殊材料,且不適合小規(guī)模制氫。近來發(fā)展了甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫,這種制氫方式反應(yīng)溫度低(260～ 280℃),工藝條件緩和,能耗約為前者的50% [14]  。甲醇還具有宜于攜帶運(yùn)輸,可以像汽油一樣加注等優(yōu)點(diǎn)。因此,甲醇轉(zhuǎn)化氫氣已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。另外,金屬氫化物儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫技術(shù)的研究也對(duì)車載儲(chǔ)氫和制氫提供了途徑 [15]  。

 

DMFC

 

直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池通常稱為直接甲醇燃料電池(DMFC)。膜電極主要由甲醇陽極、氧氣陰極和質(zhì)子交換膜(PEM)構(gòu)成。陽極和陰極分別由不銹鋼板、塑料薄膜、銅質(zhì)電流收集板、石墨、氣體擴(kuò)散層和多孔結(jié)構(gòu)的催化層組成。其中,氣體擴(kuò)散層起支撐催化層、收集電流及傳導(dǎo)反應(yīng)物的作用,由具有導(dǎo)電功能的碳紙或碳布組成;催化層是電化學(xué)反應(yīng)的場所,常用的陽極和陰極電極催化劑分別為PtRu/C和Pt/C。

 

直接甲醇燃料電池?zé)o須中間轉(zhuǎn)化裝置,因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,體積能量密度高,還具有起動(dòng)時(shí)間短、負(fù)載響應(yīng)特性佳、運(yùn)行可靠性高,在較大的溫度范圍內(nèi)都能正常工作,燃料補(bǔ)充方便等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,主要分為

 

(1)野外作業(yè)或軍事領(lǐng)域的便攜式移動(dòng)電源;

 

(2)50～ 1 000kW的固定式發(fā)電設(shè)備;

 

(3)未來電動(dòng)汽車動(dòng)力源;

 

(4)移動(dòng)通訊設(shè)備電源。 [3] 

 

由于意識(shí)到DMFC是潛在的移動(dòng)式電源并有可能替代部分軍用電池,各國的多個(gè)科研機(jī)構(gòu)對(duì)此展開了深入研究。 2002年,以色列特拉維夫大學(xué)首先開發(fā)成功了甲醇直接方式的手機(jī)燃料電池 [16]  。2003年日本東芝公司宣布開發(fā)出一種可用于手機(jī)和小型信息終端的以高濃甲醇為發(fā)電原料的燃料電池,這種電池的大小像手掌一樣,輸出的電能卻是現(xiàn)在手機(jī)用鋰電池的6倍[2]。德國SFC燃料電池公司宣稱已開發(fā)出甲醇電池設(shè)備的初期生產(chǎn)樣品,該設(shè)備可創(chuàng)造出40W的電源,未來將被應(yīng)用于筆記本電腦、打印機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)品。

 

近年來,微型DMFC及軍用燃料電池已接近實(shí)用,但陽極催化劑活性差,陽極催化劑層中缺乏合理的甲醇和二氧化碳分流通道以及阻止甲醇從陽極向陰極穿透等方面還存在很多技術(shù)難題 [16]  。針對(duì)這些問題,也提出了一些解決的途徑。在催化劑活性方面,利用貴金屬二元、三元合金催化劑來提高抗CO中毒的能力或?qū)ふ曳琴F金屬催化劑以提高催化劑的活性。對(duì)于部分CH3OH穿過PEM直接與O2反應(yīng)不產(chǎn)生電流的問題,可通過降低CH3OH在PEM中的擴(kuò)散系數(shù)、改進(jìn)或研制新型PEM的方法減少甲醇擴(kuò)散,提高電池效率 [17]  。隨著DMFC的燃料轉(zhuǎn)換效率、功率密度、可靠性的提高和成本的降低,DMFC將會(huì)成為未來理想的燃料電池。 [3] 

 

現(xiàn)狀

 

國內(nèi)現(xiàn)狀

 

在中國的燃料電池研究始于1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開展了MCFC的研究。70年代在航天事業(yè)的推動(dòng)下，中國燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制成功的兩種類型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級(jí)AFC）均通過了例行的航天環(huán)境模擬試驗(yàn)。1990年中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所承擔(dān)了中科院PEMFC的研究任務(wù)，1993年開始進(jìn)行直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備研究所于1991年研制出由7個(gè)單電池組成的MCFC原理性電池。“八五”期間，中科院大連化學(xué)物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所、清華大學(xué)等國內(nèi)十幾個(gè)單位進(jìn)行了與SOFC的有關(guān)研究。到90年代中期，由于國家科技部與中科院將燃料電池技術(shù)列入"九五"科技攻關(guān)計(jì)劃的推動(dòng)，中國進(jìn)入了燃料電池研究的第二個(gè)高潮。

 

 

 

在中國科學(xué)工作者在燃料電池基礎(chǔ)研究和單項(xiàng)技術(shù)方面取得了不少進(jìn)展，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。但是，由于多年來在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來看，與發(fā)達(dá)國家尚有較大差距。我國有關(guān)部門和專家對(duì)燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學(xué)會(huì)議上對(duì)中國燃料電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了專題討論，強(qiáng)調(diào)了自主研究與開發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年中國加強(qiáng)了在PEMFC方面的研究力度。 2000年大連化學(xué)物理研究所與中科院電工研究所已完成30kW車用用燃料電池的全部試驗(yàn)工作?？萍疾扛辈块L徐冠華在EVS16屆大會(huì)上宣布，中國將在2000年裝出首臺(tái)燃料電池電動(dòng)車。此前參與燃料電池研究的有關(guān)概況如下：

 

1：PEMFC的研究狀況

 

 

 

中國最早開展PEMFC研制工作的是長春應(yīng)用化學(xué)研究所，該所于1990年在中科院扶持下開始研究PEMFC，工作主要集中在催化劑、電極的制備工藝和甲醇外重整器的研制已制造出100WPEMFC樣機(jī)。1994年又率先開展直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池的研究工作。該所與美國CaseWesternReserve大學(xué)和俄羅斯氫能與等離子體研究所等建立了長期協(xié)作關(guān)系。 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1993年開展了PEMFC的研究，在電極工藝和電池結(jié)構(gòu)方面做了許多工作，現(xiàn)已研制成工作面積為140cm2的單體電池，其輸出功率達(dá)0.35W/cm2。

 

復(fù)旦大學(xué)在90年代初開始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制備和電極制備工藝。廈門大學(xué)與香港大學(xué)和美國的CaseWesternReserve大學(xué)合作開展了直接甲醇PEMFC的研究。

 

1994年，上海大學(xué)與北京石油大學(xué)合作研究PEMFC(“八五”攻關(guān)項(xiàng)目)，主要研究催化劑、電極、電極膜集合體的制備

 

 

 

工藝。

 

北京理工大學(xué)于1995年在兵器工業(yè)部資助下開始了PEMFC的研究，單體電池的電流密度為150mA/cm2。

 

中國科學(xué)院工程熱物理研究所于1994年開始研究PEMFC，主營使用計(jì)算傳熱和計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)各種供氣、增濕、排熱和排水方案進(jìn)行比較，提出改進(jìn)的傳熱和傳質(zhì)方案。

 

天津電源研究所1997年開始PEMFC的研究,擬從國外引進(jìn)1.5kW的電池，在解析吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開展研究。

 

1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進(jìn)行PEMFC的研制與開發(fā)，5kW的PEMFC樣機(jī)現(xiàn)已研制成功并開始接受訂貨。

 

2：MCFC的研究簡況

 

 

 

在中國開展MCFC研究的單位不太多。哈爾濱電源成套設(shè)備研究所在80年代后期曾研究過MCFC，90年代初停止了這方面的研究工作。

 

1993年中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在中國科學(xué)院的資助下開始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滾壓法和帶鑄法制備出MCFC用的隔膜，組裝了單體電池，其性能已達(dá)到國際80年代初的水平。

 

90年代初，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所也開始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制備方法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽極材料等方面取得了很大進(jìn)展。

 

北京科技大學(xué)于90年代初在國家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下開展了MCFC的研究，主要研究電極材料與電解質(zhì)的相互作用，提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。

 

3：SOFC的研究簡況

 

 

 

最早開展SOFC研究的是中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所他們在1971年就開展了SOFC的研究，主要側(cè)重于SOFC電極材料和電解質(zhì)材料的研究。80年代在國家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下又開始了SOFC的研究，系統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽極材料、單體SOFC結(jié)構(gòu)等，已初步掌握了濕化學(xué)法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術(shù)。吉林大學(xué)于1989年在吉林省青年科學(xué)基金資助下開始對(duì)SOFC的電解質(zhì)、陽極和陰極材料等進(jìn)行研究組裝成單體電池，通過了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計(jì)委和國家計(jì)委450萬元人民幣的資助，先后研究了電

 

 

 

極、電解質(zhì)、密封和聯(lián)結(jié)材料等,單體電池開路電壓達(dá)1.18V，電流密度400mA/cm2，4個(gè)單體電池串聯(lián)的電池組能使收音機(jī)和錄音機(jī)正常工作。

 

1991年中國科學(xué)院化工冶金研究所在中國科學(xué)院資助下開展了SOFC的研究，從研制材料著手制成了管式和平板式的單體電池，功率密度達(dá)0.09W/cm2～0.12W/cm2，電流密度為150mA/cm2～180mA/cm2，工作電壓為0.60V～0.65V。1994年該所從俄羅斯科學(xué)院烏拉爾分院電化學(xué)研究所引進(jìn)了20W～30W塊狀疊層式SOFC電池組,電池壽命達(dá)1200h。他們在分析俄羅斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國Westinghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國Siemens板式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了六面體式新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸收了管式不密封的優(yōu)點(diǎn)，電池間組合采用金屬氈柔性聯(lián)結(jié)，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。

 

華南理工大學(xué)于1992年在國家自然科學(xué)基金會(huì)、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)李嘉誠科研基金、廣東佛山基金共一百多萬元的資助下開始了SOFC的研究，組裝的管狀單體電池，用甲烷直接作燃料，最大輸出功率為4mW/cm2，電流密度為17mA/cm2，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)140h，電池性能無明顯衰減。

 

國際現(xiàn)狀

 

發(fā)達(dá)國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)，已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題，2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級(jí)的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運(yùn)算繪圖及文書處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。燃料電池的高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。