燃料电池技术及应用

燃料电池技术及应用•引言•燃料电池的发明•各种燃料电池的技术•燃料电池的应用引言•１８５４年美国打出了世界上第一口油井，曾在数千年的人类史中闪烁着零星火光的黑色液体，终于点燃了的石油工业。仅仅一百年之后，由石油和煤支撑起的现代文明社会，已经清楚地察觉文明之下的危机：地球历经千万年乃至上亿年历史累积而成的宝藏，在这样的消耗速度下将会迅速枯竭，大气污染和酸雨等环境问题也困扰着人们。“能源革命”的呼声从２０世纪６０年代起就日渐高涨，而那正是石油消费量超过煤炭、成为新一代主体能源的时候。•时至今日，世界经济大体上仍然是化石燃料依赖型的，石油、煤和天然气占世界初级能源消费总量的８５％左右，剩下的部分主要是水电和核电，真正的可再生清洁能源如风能、太阳能等所占比例不到３％。世界能源需求仍在以１．５％～２％的年率增长，而地质学家预测说，石油和天然气价格将大幅度上升，再也不会回落。如果到时候还没有找到真正能够取代石油的新能源，必将出现大面积的经济恐慌，许多国家正为此不断付出政治和资金上的代价。例如美国对伊拉克的战争实际上是为了它的石油，导致萨达姆的下台。燃料电池的优点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；•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。燃料电池的发明•早在１８３９年，英国科学家威廉·格罗夫就提出了氢氧燃料电池的原理。这是一种将化学能直接转换为电能的化学系统，它的主要部件为两个电极和电解液。在正极（燃料电极），氢气在催化剂作用下被拆开成为质子（氢离子）和电子，其中氢离子通过电解液流到负极（氧气电极），而电子不能通过电解液，留在正极，这样就在两极之间形成了电位差。如果接通两极，氢原子分拆出的电子就会沿电路从正极流到负极，在那里同氢离子结合后，与氧气发生反应，生成水并释放出热量。虽然称为燃料电池，其运作过程中并不会产生明火。产生电能的过程也不需要旋转式发动机等运动部件。因此燃料电池构造简单，能量利用率高，噪音小而且稳定。理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的６０～７０％转化为动能，而内燃机只能达到２０～２５％。燃料电池的种类•直接甲醇燃料电池•氢氧燃料电池•固体氧化物燃料电池一直接甲醇燃料电池•直接甲醇燃料电池——简称DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。图为世界最小的甲醇燃料电池。直接甲醇燃料电池世界最小的甲醇燃料电池燃料电池理燃料电池日本则武公司的产品在改进后，达到了160mW/cm2的高功率密度，性能约为原来的1.5倍。据分析，之所以能达到如此高的性能，主要原因在于使用了有机物和无机物的混合技术来制作电解质材料，从而大大减少了甲醇透过电解质膜的“甲醇渗透”现象，并提高了电解质膜的形状稳定性。则武公司从事燃料直接使用液态甲醇的DMFC电解质膜的开发，由于DMFC具有无需燃料改质器、可在低温下工作等优点这种燃料电池以甲醇为能量来源。这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。二氢氧燃料电池•在酸性溶液中负极：H2+2H2O-2e→2H3O+（8-1）•在碱性溶液中负极：H2+2OH--2e→2H2O（8-3）•因此，无论采用酸性还是碱性电解液，氢氧燃料电池的总反应可表示为：2H2+O2---H2O•这一反应的实质是氢的燃烧反应，氢是一种燃料，而氧则是一种氧化剂。所以，在燃料电池中，负极上进行燃料的氧化过程，而正极上进行氧化剂的还原过程。燃料电池的负极常常又被称作“燃料电极”，它是燃料电池的主要工作电极，正极又被称作“氧化剂电极”，燃料电池中常用的氧化剂是空气中的氧。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O2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O2生成的H2O，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。再生氢氧燃料电池将水电解技术（电能＋2H2O2H2＋O2）与氢氧燃料电池技术（2H2＋O2H2O＋电能）相结合，氢氧燃料电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”，起到蓄能作用。三固体氧化物燃料电池•固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上；它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。其工作原理如图所示：固体氧化物燃料电池原理图和一般燃料电池一样，固体氧化物燃料电池也是由阳极、阴极及两极之间的电解质组成,但工作温度相对较高，一般在800~1000℃。在阳极一侧持续通入燃料气，例如H2、CH4、煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体例如氢，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。•固体氧化物燃料电池是一种新型全固体燃料电池，具有以下优点：使用全固体组件，不存在对漏液、腐蚀管理问题；可以用天然气作燃料，通过内部或外部重整利用石化燃料，有利于环境保护；不需要使用贵金属催化剂，从而节约了贵金属；余热温度较高，可以直接利用；可忽略正负极极化损失，极化损失集中在电解质电阻上;电解质的性能较稳定，抗毒性较好；连续供给燃料、氧化物，电池就可连续发电。我国硅酸盐固体氧化物燃料电池取得突破•目前各类燃料电池中能量转化效率最高的“陶瓷电池”，竟是一枚约1毫米薄、巴掌大小的陶瓷片。从中科院上海硅酸盐研究所获悉，该所固体氧化物燃料电池小组在国内率先取得突破进展，有能力将300片“陶瓷电池”层叠串联，功率可满足一户普通家庭用电需求。一块仅10厘米见方的陶瓷电池单片。其关键夹层是一片以氧化锆为主要成分的特种陶瓷，厚度为0.015毫米，比纸还薄。陶瓷薄膜正面涂有黑色的稀土金属复合氧化物，作为正极；反面是一层较厚的绿色“金属陶瓷”，作为负极。燃料电池电子设备应用随着电子产品小型化的进展，当前锂离子电池的能量密度，已经不能满足便携式笔记本电脑、移动电话、PDA等电子设备的要求了。例如：一台新型的P4笔记本电脑平均功耗在100W左右，若工作10h则需1kW·h，用7.4W·h的锂离子聚合物电池供电需140块，重量可达5～6kg；高性能的CPU要求400A/μs的转换速率和100A以上的峰值电流，到2005年，此值将分别达到1000A/μs和150A；当移动电话增加接收地面数字电视功能，采用大型真彩显示屏时，其供电量可增加到现在的（通常为700mA·h）3～4倍，达2A·h以上。这一切都对微电子产品的供电系统提出了新的挑战。燃料电池电子设备•新的水燃料电池将是世界上最小的具备2瓦输出能力的电池。这种电池利用DoCoMo公司的recharger技术和Aquafairy公司的薄膜技术将水中的氢分离出来，而放电时氢也发生化学反应重新变成水。同样尺寸的水燃料电池所能提供的电能是甲醇燃料电池的8倍，也就是说水燃料电池完全可以做得非常小以适应手机的尺寸。与锂离子电池相比，水燃料电池的充电时间相当，容量则大上数倍，因此手机的待机时间也可以延长至数星期乃至一两个月，通话时间也可以不再用小时计算。燃料电池电子设备应用•东芝近年来，在各种展会上都会展出其设计研发的笔记本燃料电池，新型燃料电池采用甲醇作为燃料，通过化学反映产生电能，与采用锂电池的东芝公司自己生产的笔记本电脑相比，50CC的甲醇可以连续使用5小时，超过锂电池两倍以上。燃料电池的另一个好处时只需填充燃料，而不必像锂电池那样再次充燃料电池中的甲醇依靠含二氧化碳的氧气的化学反映产生电能，排出物就是水，属于无公害能源。东芝的燃料电池采用甲醇与氧气直接产生化学反映的“直接反映甲醇”。东芝展示的燃料电池供电的笔记本样机燃料电池电子设备•日前，韩国的第一大化工公司LG化工已成功研制出可持续使用10小时的笔记本燃料电池。LG电子对外揭开了未来在笔记本上使用的甲醇燃料电池的神秘面纱，并宣布在今年的后半旬将全面商业化大规模生产，该燃料电池总体上比较便于携带。燃料电池电子设备•日立终于在近期开发出如AA电池一般大小的燃料电池内藏50立方厘米的甲醇，能让普通的PDA产品坚持使用6-8个小时。而据说日立正在开发能让甲醇浓缩的技术，到时候电池将会有更长的使用时间。燃料电池在汽车上应用布什：美国要戒“石油瘾”在加州力推氢能源汽车•美国总统布什２２日在加利福尼亚州首府发表讲话，呼吁国人改变习惯，尽快从传统的汽车转换到更清洁的氢能源汽车。布什在当天在参观“加州燃料电池伙伴计划”时他说，如今原油价格飞涨，迫使消费者为汽油付出高价，损害了美国经济竞争力，加重了环境污染，也使美国更严重地依赖外国石油资源供应，因此美国必须改变“对石油上瘾”的现状。从２００３年开始，美国在５年内拨款１２亿美元资助氢燃料电池的研究，迄今已取得一定成果。本田的氢动力车FCX本田的ＦＣＸ氢动力车已经在美国加利福尼亚州获准上市。燃料电池在汽车上应用上海神力科技有限公司120KW第三代燃料电池大巴发动机和车上海神力科技有限公司承担了国家863计划“燃料电池发动机”项目神力公司燃料电池车神力公司燃料电池发动机所采用的技术路线，不同于国际知名的大公司如加拿大巴拉德公司(BallardPowerSystems)、美国通用汽车公司(GM)等的高压运行技术，自主开发了常压运行的燃料电池技术，系统更为简单，安全性、可靠性高，且拥有自主知识产权，已申请中国、美国专利102项。•自2002年起，神力公司为清华大学的燃料电池大巴研制了三代(第一代50kw，第二代60kw，第三代100kw)发动机。•净输出功率100KW最大稳定输出功率120KW峰值输出功率150KW电压★300-480V(可以根据用户要求调整)电流★0-400A能量转化效率45%-52%燃料存储方式高压铝内胆、碳纤维缠绕环氧树脂浸渍的储氢罐燃料类型气态氢操作环境环境温度0-50℃相对湿度0-95%工作温度60-80℃工作压力常压物理特性长宽高1040mm×680mm×690mm*2重量560kg(不包括驱动电机)噪声76dB120KW第三代燃料电池大巴发动机结语•燃料电池的出现与发展，将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命，并且还会波及到汽车业，住宅，以及社会各方面的集中供电系统。在21世纪中它将会把人类由集中供电带进一种分散供电的新时代。因为太阳能供电虽然能替代部分能源，但它与天气有关，受气候的制约；核能利用又存在安全问题；唯有燃料电池供电，它没有二氧化碳的排放，可减轻温室效应使全球气候变暖问题，它解决了火力发电使全球环境污染的问题，它是一个纯正的绿色清洁能源。所以，我们要加速实现燃料电池的商品化进程，中国人应该在这场能源革命中有所作为，跟上全球技术发展的步伐。