质子交换膜燃料电池

燃料电池中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院对许多人来说，“氢能”并不是一个十分熟悉的字眼。事实上，在传统的煤炭、石油和天然气等化石燃料给人类带来环境污染、温室效应等诸多问题的当今，许多国家，尤其是许多发达国家已将“洁净”的氢能作为自己的未来能源而加紧研究。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院氢能被提上人类未来能源的议程是大势所趋。众所周知，当今世界，为了解决能源短缺、环境污染日益严重和经济持续发展等问题，洁净的新能源和可再生能源的开发已是迫在眉睫。对我国来说，交通运输的能耗所占比重愈来愈大，与此同时，汽车尾气污染已经成为大气污染特别是城市大气污染的最重要因素。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院由此可以看出，寻找新的洁净能源无论对整个世界还是对我国的可持续发展都有着特别重要的意义。氢能作为一种洁净的可再生能源，同时又具有可储可输的特点，从长远上看，它的发展可能带来能源结构的重大改变，而在目前它是一种理想的低污染或零污染的车用能源，国际上公认在不远的将来氢燃料汽车将是解决城市大气污染的最重要途径之一。因此，氢能作为解决当前人类所面临困境的新能源而成为各国大力研究的对象便是情理之中的事了。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院氢能开发，大势所趋氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽－不存在枯竭问题氢的热值高，燃烧产物是水－零排放，无污染，可循环利用氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院氢气利用与燃料电池①氢像电一样可以从任何能源中得到，包括可再生的能源；②氢可以由电获得并以相对高的效率转换成电，一些由太阳能直接得到氢的技术已经成功；③获取氢的原材料是水，资源丰富，由于氢使用后的产物是纯水或水蒸气，因此氢是完全可再生的燃料；④氢可以以气态（便于大规模储存）、液态（便于航空航天应用）或以金属氢化物（便于机动车和别的相对小的规模储量需求）形式储存；⑤氢能够借助于管道和钢瓶进行长距离运输（大多数情况下比电更经济和有效）；⑥氢可通过催化燃烧、电化学转换和氢化物，比任何其他燃料有更多的方法和更高的效率转换成为其他形式的能源；⑦氢是对环境无害的能源。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院氢能“喝”氢的汽车中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院燃料电池的概念是由蒙德(Mond)和莱格(Langer)于1889年首先提出来的。就在这时内燃机问世了，内燃机的发明使人们对燃料电池的兴趣推迟了60年。1959年培根研制成功氢氧燃料电池，他对燃料电池的研究工作，奠定了燃料电池发展的基础。20世纪60年代，随着航天技术的发展，美国对培根氢氧燃料电池进行了改进，并分别于1965年和1966年成功的将其应用于双子星座和阿波罗飞船上，为其提供电力。20世纪70年代，因中东战争导致两次世界性石油危机，80年代美国、加拿大、日本和欧洲等的世界发达国家投入大量人力和财力研究开发燃料电池，在90年代燃料电池实现燃料技术上的真正突破，佳能、松下、三星、东芝都发布了自己的产品，燃料电池进入了应用阶段。燃料电池中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。它是利用氢和氧生成水的过程来产生电力的一种装置。燃料电池：被称为连续电池，它在等温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转变为电能。燃料电池在反应过程中不涉及燃烧，能量交换效率不受卡诺循环的限制。工作原理:通过物质发生化学反应时连续地向其供给活物质(起反应的物质)--燃料和氧化剂,促使物质发生化学反应时释出的能量直接将其转换为电能。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。工作时向负极供给燃料(氢H2)，向正极供给氧化剂(空气O2)。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。燃料电池的用途:电动车交通工具（动力车及军舰等）,便携式电源、发电厂及工作电站等中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院燃料电池的应用1、军事上的应用军事应用应该是燃料电池最主要，也是最适合的市场。高效，多面性，使用时间长，以及宁静的工作，这些特点极适合于军事工作对电力的需要。燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置，从战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力。在军事上，微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优越性，其增长的使用时间就意味着在战场上勿需麻烦的备品供应。此外，对于燃料电池而言，添加燃料也是轻而易举的事情。同样，燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中所需的燃料用量，在进行下一次加油之前，车辆可以行驶得更远，或在遥远的地区活动更长的时间。这样，战地所需的支持车辆、人员和装备的数量便可以显著的减少。自20世纪80年代以来，美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院2、移动装置上的应用伴随燃料电池的日益发展，它们正成为不断增加的移动电器的主要能源。微型燃料电池因其具有使用寿命长，重量轻和充电方便等优点，比常规电池具有得天独厚的优势。如果要使燃料电池能在膝上型电脑，移动电话和摄录影机等设备中应用，其工作温度，燃料的可用性，以及快速激活将成为人们考虑的主要参数，目前大多数研究工作均集中在对低温质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的改进。正如其名称所示，这些燃料电池以直接提供的甲醇-水混合物为基础工作，不需要预先重整。使用甲醇，直接甲醇燃料电池要比固体电池具有极大的优越性。其充电仅仅涉及重新添加液体燃料，不需要长时间地将电源插头插在外部的供电电源上。当前，这种燃料电池的缺点是用来在低温下生成氢所需的白金催化剂的成本比较昂贵，其电力密度较低。如果这二个问题能够解决，应该说没有什麽问题能阻挡它们的广泛应用了。目前，美国正在试验以直接甲醇燃料电池为动力的移动电话，而德国则在实验以这种能源为动力的膝上型电脑。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院3、居民家庭的应用对于固定应用而言，设计燃料电池的技术困难就简化得多了。尽管许多燃料电池能生产50kW的电能，但绝大部分商业化的燃料电池目前都是用于固定的。现在，许多迹象表明，燃料电池也可用语人们称做的居民应用（大都小于50kW）。低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池几乎可以满足私人居户和小型企业的所有热电需求。目前，这些燃料电池还不能供小型的应用，美国，日本和德国仅有少量的家庭用质子交换膜燃料电池提供能源。质子交换膜燃料电池的能源密度比磷酸燃料电池大，然而后者的效率比前者高，且目前的生产成本也比前者便宜。这些燃料电池应该能够为单个私人居户或几家居户提供能源，通过设计可以满足居民对能源的所有要求，或者是他们的基本负载，高峰时的需求由电力网提供。为了有利于该技术的应用，可以用天然气销售网作为氢燃料源。当前，许多生产商预测在不久的将来便会出现其它燃料源泉，这有助于进一步降低排放，加速燃料电池进入新的理想市场。新近进入固定燃料电池市场的厂家是汽车大亨GeneralMotors，她于2001年8月成功地开发了一种产品。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院4、空间领域的应用在20世纪50年代后期和60年代初期，美国政府为了替其载人航天飞行寻找安全可靠的能源，对燃料电池的研究给于了极大的关心和资助，使燃料电池取得了长足的进步。重量轻，供电供热可靠，噪声轻，无震动，并能生产饮用水，所有这些优点均是其它能源不可比拟的。GeneralElectric生产的Grubb-Niedrach燃料电池是NASA用来为其Gemini航天项目提供动力的第一个燃料电池，也是第一次商业化使用燃料电池。从20世纪60年代起，飞机制造商Pratt&Whitney赢得了为阿波罗项目提供燃料电池的合同。Pratt&Whitney生产的燃料电池是基于对Bacon专利的碱性燃料电池的改进，这种低温燃料电池是最有效的燃料电池。在阿波罗飞船中，三组电池可产生1.5kW或2.2kW电力，并行工作，可供飞船短期飞行。每组电池重约114kg，装填有低温氢和氧。在18次飞行中，这种电池共工作10，000小时，未发生一次飞行故障。在20世纪80年代航天飞机开始飞行时，Pratt&Whitney的姊妹公司国际燃料电池公司继续为NASA提供航天飞机使用的碱性燃料电池。飞船上所有的电力需求由3组12kW的燃料电池存储器提供，勿需备用电池。国际燃料电池公司技术的进一步发展使每个飞船上使用的燃料电池存储器能提供约等于阿波罗飞船上同体积的燃料电池十倍的电力。以低温氢和氧为燃料，这种电池的效率为70%左右，在截至现在的100多次飞行中，这种电池共工作了80，000多个小时。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院5、固定的应用目前，燃料电池开发得最完善的市场要数热电的固定提供源市场。与传统的矿物燃料相比，燃料电池的高效和低排放量使其对用户具有极大的吸引力。此外，燃料电池技术的独立性对于那些国家电网不能覆盖，或国家电网不够稳定而需要备用电力设备的地区而言，这种能源具有特殊的意义。鉴于这种电池的工作温度可低达80℃，它们可安装在私人家庭，小型的商业活动场所，甚至满足大型企业活动的所有能源需求。截至目前为止，可以说现在的燃料电池生产商的注意力均集中于非居民的应用。当前唯一提供商业化燃料电池的国际燃料电池公司已在学校、办公室和银行设施安装了200多个磷酸燃料电池装置。在不久的将来，诸如溶化的碳酸盐燃料电池和固态氧化物燃料电池等高温燃料电池也将用于大型的工业设施和兆瓦级的发电厂。当工作温度上升到600-1100℃时，这种高温燃料电池可以耐受氢污染源，因此可以使用未加重整的天然气，柴油，或汽油。此外，它们所产生的热能还可用来驱动增器蒸气气轮机再进行发电。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院6、运输上的应用以内燃机提供动力的汽车已成为有害气体排放的主要排放源，在世界各个国家和地方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆，燃料电池可为这种要求带来实质的机遇。位于Alberta的Pembina适当设计研究所指出：当一辆小车使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池，其二氧化碳的排放量可以减少高达72%。，驱动车辆的燃料电池必须能迅速地达到工作温度，具有经济上的优势，并能提供稳定的性能。质子交换膜燃料电池最有条件满足这些要求，其工作温度交低，80℃左右，它们能很快地达到所需的温度。由于能迅速地适应各种不同的需求，与内燃机的效率25%左右相比，它们的效率可高达60%。现在，大多数车辆生产商视质子交换膜燃料电池为内燃机的后继者，GeneralMotors,Ford,DaimlerChrysler,Toyota,Honda，以及其他许多公司都已生产出使用该技术的原型。运用不同车辆和使用不同地区的试验进展顺利，用质子交换膜燃料电池为公共汽车提供动力的