燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀，燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 12:29
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燃料電池是類新型化學(xué)電池。氫氣、氧氣、甲烷等都可以成為它的原料。它具有能量轉(zhuǎn)化率高、無污染、節(jié)約金屬資源等優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。但是，由于這類電池必須用特殊的催化劑，而該類催化劑現(xiàn)在制造困難，價(jià)格昂貴，所以，這類電池還不能普及，僅能應(yīng)用于人造衛(wèi)星、太空站等高科技領(lǐng)域。我們運(yùn)用已學(xué)過的原電池、電解池知識(shí)，在學(xué)校科技活動(dòng)中，制作了可用于演示的所氫氧燃料電池，效果很好。
主要特點(diǎn)
1、產(chǎn)物是水，清潔環(huán)保;
2、容易持續(xù)通氫氣和氧氣，產(chǎn)生持續(xù)電流;
3、能量轉(zhuǎn)換率較高，超過80%（普通燃燒能量轉(zhuǎn)換率30%多）;
4、可以組合為燃料電池發(fā)電站，排放廢棄物少，噪音低，綠色發(fā)電站。
氫氧燃料電池的優(yōu)點(diǎn)
1、清潔環(huán)保，產(chǎn)物是水。
2、容易持續(xù)通氫氣和氧氣，產(chǎn)生持續(xù)電流。
3、能量轉(zhuǎn)換率較高，超過80%（普通燃燒能量轉(zhuǎn)換率30%多）。
4、可以組合為燃料電池發(fā)電站，排放廢棄物少，噪音低，綠色發(fā)電站。
氫氧燃料電池的缺點(diǎn)
是輸出電壓較低，要持續(xù)不斷供給反應(yīng)物，排除生成物，附屬設(shè)備較多，不容易應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品。
氫氧燃料電池
組成結(jié)構(gòu)
以氫氣作燃料、氧氣作氧化劑的一類燃料電池。氫氧從外部通過管道輸入電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)并輸出電能。氫氧燃料電池的理論比能量達(dá)3600瓦·時(shí)/公斤。單體電池的工作電壓一般為0.8～0.97伏，為了滿足負(fù)載所需的工作電壓，往往由幾十個(gè)單體電池串聯(lián)成電池組。
為維持電池的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，須持續(xù)供應(yīng)氫和氧，及時(shí)排除反應(yīng)產(chǎn)物（水）和廢熱。電池組由以下幾部分組成：
?、贇溲豕┙o分系統(tǒng)：航天器攜帶的氫和氧采用超臨界液態(tài)貯存，可縮小貯罐體積，解決失重條件下氣、液態(tài)的分離問題，但要求貯罐絕熱性能好、耐低溫、耐高壓（氧罐為6兆帕、氫罐為3～3.5兆帕）。
?、谂潘窒到y(tǒng)：主要有動(dòng)態(tài)排水和靜態(tài)排水兩種方式。前者把帶有水蒸氣的氫氣循環(huán)輸送到冷卻裝置，使水蒸氣冷凝成水進(jìn)行分離；后者依靠多孔纖維編織材料（如燈芯）將冷凝后的水吸附出來，又稱燈芯排水。電池組排出的水經(jīng)凈化后可供航天員飲用或作冷卻劑。
?、叟艧岱窒到y(tǒng)：電池組通過冷卻劑（如乙二醇水溶液）循環(huán)，將廢熱帶到輻射器向外排放，以維持電池組正常工作的溫度范圍。
?、茏詣?dòng)控制分系統(tǒng)：包括電池組工作壓力、溫度、排水與排氣、電壓、安全和冷卻液循環(huán)等的控制與調(diào)節(jié)。所測(cè)量的參數(shù)傳送到航天員座艙的顯示器或由遙測(cè)設(shè)備發(fā)回地面。當(dāng)電池組出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到備份電池組供電。
如何制作簡(jiǎn)易的氫氧燃料電池
1、制作原理
用多孔碳棒作燃料電池的正、負(fù)極，30%的氫氧化鉀溶液作電解質(zhì)溶液。負(fù)極吸附氫氣，正極吸附氧氣。氫氧燃料電池工作時(shí)，負(fù)極上的氫放出電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上的氧得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。
負(fù)極 2H2 + 4OH－－ 4e === 4H2O
正極 O2 + 2H2O + 4e === 4OH－
總反應(yīng) 2H2 + O2 === 2H2O
2、制作過程
1）多孔碳棒的加工。將石墨碳棒放到酒精噴燈上加熱除去其中的膠質(zhì)，并淬火3～4次，即形成多孔碳棒，也就是多孔碳電極。
2）把多孔碳電極、U形管、分液漏斗、橡皮塞按下圖所示組裝；再通過分液漏斗向U形管中注滿氫氧化鉀溶液，密閉。
3）氫氣、氧氣的制備
調(diào)節(jié)低壓電源的電壓到6伏，并把其正、負(fù)極分別與上圖裝置中的兩個(gè)碳電極相連接；接通電源，電解氫氧化鉀溶液制取氫氣、氧氣，且制得的氫氣與氧氣的體積比為2︰1。去掉電源，下圖所示裝置就成為一只氫氧燃料電池。
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)。
燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀
燃料電池的優(yōu)點(diǎn)
燃料電池作為第四種發(fā)電方式的裝置，與其他幾種發(fā)電方式比較起來有以下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：
?。?）燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，沒有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，因而這種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)50％。還可回收發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱。若把產(chǎn)生的余熱再用于發(fā)電或供暖、供水等，綜合考慮效率能達(dá)到80％。
?。?）燃料電池發(fā)電過程，機(jī)械部件很少，噪聲低；化學(xué)反應(yīng)的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會(huì)污染環(huán)境。在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，燃料電池的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)尤其可貴。
（3）燃料電池中所使用的燃料，既可是天然氣、煤氣和液化燃料，也可以是甲醇、沼氣乃至木柴?？筛鶕?jù)不同地區(qū)的具體情況，選用不同的燃料用于燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，這可廣開燃料來源途徑，緩解能源緊張。
?。?）燃料電池從中斷運(yùn)轉(zhuǎn)到再啟動(dòng)，輸電能力回升速度快，并可在短時(shí)間內(nèi)增加和減少電力輸出。因此將這種發(fā)電系統(tǒng)與其他輸電網(wǎng)連接使用最為有利，可隨時(shí)補(bǔ)充電網(wǎng)在用電高峰時(shí)所需的部分電能。
?。?）燃料電池本身為一個(gè)“組合體”，所用部件可事先在工廠生產(chǎn)，然后組裝；它的體積小，拆裝都很方便，這可節(jié)省建電站的時(shí)間。
燃料電池的工作原理
人們常用的普通電池有堿性干電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。燃料電池和普通電池相比，既有相似，又有很大的差異。它們有著相似的發(fā)電原理，在結(jié)構(gòu)上都具有電解質(zhì)，電極和正負(fù)極連接端子。二者的不同之處在于，燃料電池不是一個(gè)儲(chǔ)存電能的裝置，實(shí)際上是一種發(fā)電裝置，它所需的化學(xué)燃料也不儲(chǔ)存于電池內(nèi)部，而是從外部供應(yīng)。在燃料電池中，反應(yīng)物燃料及氧化劑可以源源不斷地供給電極，只要使電極在電解質(zhì)中處于分隔狀態(tài)，那么反應(yīng)產(chǎn)物可同時(shí)連續(xù)不斷地從電池排出，同時(shí)相應(yīng)連續(xù)不斷地輸出電能和熱能，這便利了燃料的補(bǔ)充，從而電池可以長時(shí)間甚至不間斷地工作。人們之所以稱它為燃料電池，只是由于在結(jié)構(gòu)形式上與電池有某種類似：外特性像電池，隨負(fù)荷的增加，它的輸出電壓下降。
燃料電池實(shí)際上是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器，它把燃料同氧化劑反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它沒有傳統(tǒng)發(fā)電裝置上的原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置，也沒有直接的燃燒過程。燃料和氧化劑從外部不斷輸入，它就能不斷地輸出電能。它的反應(yīng)物通常是氫和氧等燃料，它的副產(chǎn)品一般是無害的水和二氧化碳。燃料電池的工作不只靠電池本身，還需要燃料和氧化劑供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物排放等子系統(tǒng)與電池堆一起構(gòu)成完整的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池可以使用多種燃料，包括氫氣、碳、一氧化碳以及比較輕的碳?xì)浠衔?，氧化劑通常使用純氧或空氣。它的基本原理相?dāng)于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)，即水的合成反應(yīng)。燃料及氧化劑在電池的陰極和陽極上借助催化劑的作用，電離成離子，由于離子能夠通過二電極中間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓。當(dāng)電極同外部負(fù)載構(gòu)成回路時(shí)，就可向外供電（發(fā)電）。圖1是燃料電池的工作原理圖。
燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀
燃料電池發(fā)展歷程
1、139年，英國科學(xué)家Grove 首先介紹了燃料電池的原理性實(shí)。
燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀
2、1889年，L.Mond 和C.Langer 以鉑黑為電催化劑，以鉆孔的鉑為電流收集器組裝出燃料電池，當(dāng)工作電流密度為3.5 mA /cm-2時(shí)電池的輸出電壓為0.73V.O這個(gè)研究已經(jīng)很接近現(xiàn)代的燃料電池了。
燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀
3、20 世紀(jì)60 年代，燃料電池首次應(yīng)用在美國航空航天管理局（NASA）的阿波羅登月飛船上作為輔助電源，為人類登月球做出了積極貢獻(xiàn)。
燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀
4、1959培根制造出能夠工作的燃料電池，也就是一部燃料電池的5kW 的焊接機(jī)。同年，\Allis-Chalmers 公司也推出了第部以燃料電池為動(dòng)力的農(nóng)用拖拉機(jī)。
5、1973研究重點(diǎn)從航天轉(zhuǎn)向地面發(fā)電裝置，磷酸燃料電池（ PAFC ）、熔融碳酸鹽電池（ MCFC） 以及直接采用天然氣、煤氣和碳?xì)浠衔镒魅剂系墓腆w氧化物燃料電池（SOFC） 作為電站或分散式電站相繼問世。
1973 年發(fā)生石油危機(jī)后，世界各國普遍認(rèn)識(shí)到能源的重要性人們研究了以凈化重整氣為燃料的磷酸型燃料電池（PAFC，稱為第一代燃料電池）以凈化煤氣、天然氣為燃料的熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，稱為第二代燃料電池）還有固體氧化物電解質(zhì)燃料電池（SOFC，稱為第三代燃料電池）。
燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀
1993 年，加拿大Ballard 電力公司展示了一輛零排放、最高時(shí)速為72km/ h、以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 為動(dòng)力的公交車［2］，引發(fā)了全球性燃料電池電動(dòng)車的研究開發(fā)熱潮。
6、目前在PEMFC 向商業(yè)化邁進(jìn)的過程中，氫源問題異常突出，氫供應(yīng)設(shè)施建設(shè)投資巨大，氫的貯存與運(yùn)輸技術(shù)以及氫的制備技術(shù)等還遠(yuǎn)落后于PEMFC 自身的發(fā)展，20 世紀(jì)末，以醇類直接為燃料的燃料電池成為了研究與開發(fā)的熱點(diǎn)，受到了世界各國的廣泛重視，并取得了長足的進(jìn)展。
燃料電池的研究現(xiàn)狀
1、AFC
在已開發(fā)的燃料電池中堿性燃料電池是最早獲得實(shí)際應(yīng)用的。美國的阿波羅登月飛船和航天飛機(jī)等軌道飛行器都采用這類燃料電池作為搭載電源，實(shí)際飛行結(jié)果表明電池系統(tǒng)具有很高的可靠性。20世紀(jì)80年代中期以后，隨著一些新材料的應(yīng)用及工藝的不斷改進(jìn)，堿性氫氧燃料電池的性能得到完善，比如工作溫度、工作壓力、電流密度提高，比質(zhì)量（單位功率的質(zhì)量）顯著減小等。
堿性氫氧燃料電池除成功應(yīng)用于空間技術(shù)外，也進(jìn)行了其他用途的開發(fā)。美國UTC公司曾試制過60kW、80kW的深水探查船用電源及30kW深海潛水救助艇用的電源，德國西門子公司曾試制過100kW的潛水艇動(dòng)力電源，但都在樣機(jī)試用以后終止開發(fā)，未投入正式使用。比利時(shí)Elenco公司及美國UCC公司也都進(jìn)行過將堿性氫空氣燃料電池用于電動(dòng)車動(dòng)力電源的開發(fā)，日本的富士電機(jī)公司曾在月光計(jì)劃資助下開發(fā)過kW級(jí)的應(yīng)急用堿性燃料電池。目前，此類燃料電池技術(shù)的發(fā)展已非常成熟并已經(jīng)在航天飛行及潛艇中成功應(yīng)用。國內(nèi)已研制出200W氨一空氣的堿性燃料電池系統(tǒng)，制成了1kW，10kW，20kW的堿性燃料電池。
堿性燃料電池在地面應(yīng)用的最大缺點(diǎn)是對(duì)燃料純度要求太高而且不能使用含C、CO2及CO的燃料氣，使用空氣也必須脫除空氣中的CO2，從而限制了這類電池在地面上的應(yīng)用。
1=燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀
2、PAFC
該型電池技術(shù)成熟，目前這類電池在城市發(fā)電，供氣及其他工業(yè)項(xiàng)目上廣為試用。如在賓館、醫(yī)院、辦公樓、工廠等地方用PAFC來進(jìn)行輔助供電、供熱。還有一種采用生物氣體的PAFC體系已被開發(fā)出來，而在廢棄物質(zhì)的處理方面，含有甲烷的沼氣或其他有機(jī)氣體已經(jīng)被利用。大規(guī)模利用生物沼氣的PAFC可望在將來應(yīng)用于垃圾回收領(lǐng)域，解決一大社會(huì)難題。
美國是最早發(fā)展PAFC電站技術(shù)的國家，而日本是PAFC電站技術(shù)發(fā)展最快的國家，PAFC在日本已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。日本是開發(fā)燃料電池積極而熱情的國家，近年來成果尤為顯著，特別是在PAFC商業(yè)化方面已與美國并駕齊驅(qū)。目前，日本的制造商在電力公司，煤氣公司的通力合作之下，已經(jīng)可以生產(chǎn)50kW，100kW，200kW，1000kW，5000kW，11MW等各種規(guī)格的PAFC電站。英國、德國、荷蘭、比利時(shí)、意大利、丹麥、瑞典、芬蘭等9個(gè)國家22家公司于1989年9月11日成立的歐洲燃料電源集團(tuán)（EFCG）也與美國和日本的公司在這一領(lǐng)域展開競(jìng)爭(zhēng)。事實(shí)上，到目前為止，美日兩國的公司已經(jīng)銷售了數(shù)以百計(jì)的磷酸型燃料電池，正在試驗(yàn)的則為數(shù)更多，可以說，PAFC的基礎(chǔ)研究工作已經(jīng)結(jié)束。商品化階段已經(jīng)開始，正在向工業(yè)化邁進(jìn)。
