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(zhǎng)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(lèi)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(méi)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(méi)有直接的燃燒過(guò)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(wú)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(yáng)極上借助催化劑的作用，電離成離子，由于離子能夠通過(guò)二電極中間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、陽(yáng)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(guó)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3.5mA/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(guó)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(lèi)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(wèn)世。

 

 

 

1973年發(fā)生石油危機(jī)后，世界各國(guó)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(chē)［2］，引發(fā)了全球性燃料電池電動(dòng)車(chē)的研究開(kāi)發(fā)熱潮。

 

 

 

6、目前在PEMFC向商業(yè)化邁進(jìn)的過(guò)程中，氫源問(wèn)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(lèi)直接為燃料的燃料電池成為了研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，受到了世界各國(guó)的廣泛重視，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

 

 

 

燃料電池的研究現(xiàn)狀

 

 

 

1、AFC

 

 

 

在已開(kāi)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(guó)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(lèi)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(kāi)發(fā)。美國(guó)UTC公司曾試制過(guò)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(guó)西門(mén)子公司曾試制過(guò)100kW的潛水艇動(dòng)力電源，但都在樣機(jī)試用以后終止開(kāi)發(fā)，未投入正式使用。比利時(shí)Elenco公司及美國(guó)UCC公司也都進(jìn)行過(guò)將堿性氫空氣燃料電池用于電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電源的開(kāi)發(fā)，日本的富士電機(jī)公司曾在月光計(jì)劃資助下開(kāi)發(fā)過(guò)kW級(jí)的應(yīng)急用堿性燃料電池。目前，此類(lèi)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(guó)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(lèi)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(lèi)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(lái)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(kāi)發(fā)出來(lái)，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(lái)應(yīng)用于垃圾回收領(lǐng)域，解決一大社會(huì)難題。

 

 

 

美國(guó)是最早發(fā)展PAFC電站技術(shù)的國(guó)家，而日本是PAFC電站技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家，PAFC在日本已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。日本是開(kāi)發(fā)燃料電池積極而熱情的國(guó)家，近年來(lái)成果尤為顯著，特別是在PAFC商業(yè)化方面已與美國(guó)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(guó)、德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)、意大利、丹麥、瑞典、芬蘭等9個(gè)國(guó)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(guó)和日本的公司在這一領(lǐng)域展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。事實(shí)上，到目前為止，美日兩國(guó)的公司已經(jīng)銷(xiāo)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(shuō)，PAFC的基礎(chǔ)研究工作已經(jīng)結(jié)束。商品化階段已經(jīng)開(kāi)始，正在向工業(yè)化邁進(jìn)。

 

 

 

3、PEMFC

 

 

 

質(zhì)子交換膜燃料電池以氟磺酸型或非氟磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì)，能量轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)污染，可在室溫下快速啟動(dòng)，特別適合用做動(dòng)力電源。美國(guó)通用電器公司在20世紀(jì)60年代就將PEMFC電池用于雙子星座航天飛機(jī)。

 

 

 

它又是電動(dòng)車(chē)的最佳驅(qū)動(dòng)電源，受到美國(guó)、德國(guó)、加拿大和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家政府及國(guó)際汽車(chē)業(yè)巨頭如德國(guó)奔馳公司和美國(guó)通用汽車(chē)公司等企業(yè)的支持，發(fā)展勢(shì)頭非常強(qiáng)勁。1993年，加拿大Ballard公司研制出世界上第一輛燃料電池公共汽車(chē)。1999年，美國(guó)福特汽車(chē)公司和日本豐田汽車(chē)公司分別研制出質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。汽車(chē)工業(yè)的介入是推動(dòng)PEMFC快速發(fā)展的最主要的動(dòng)力。