新型燃料电池的发展前景

新型燃料电池的发展前景化学学院材料化学系０４级崔荣亮摘要：•能源是经济发展的基础。人类为了更有效地利用能源,一直进行着不懈的努力。利用能源的方式历史上有过多次革命性的变革(从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机),每一次变革都极大地推进了社会文明的发展。•二次能源中，蒸汽由于传输距离短，难以储存而应用受限；电能虽然传输快、传输距离远，但存在传输过程中能量损耗大，难于储存的缺点；而氢能既能远距离运输、又能方便储存，因而成为二十一世纪的理想能源，二十一世纪也被称为氢世纪.•多年来,人们一直努力寻找既有较高能源效率又不污染环境的能源方式。因而引导出了燃料电池发电技术。燃料电池是以氢气或含氢化合物如甲醇与氧气或空气进行电化学反应，生成水，放出电子而形成电流，具有高效、环保、静音的优点，使其广泛用于汽车、军事和笔记本电脑等便携场合。燃料电池汽车被业内认为是21世纪昀有发展前途的环保汽车，全球40家主要汽车制造商中有25家投入大量人力物力致力于燃料电池汽车的研发；德国海军去年底两艘燃料电池潜艇的服役拉开了燃料电池大规模军用的序幕；而日本除了开发出大量用于笔记本电脑、数码相机和手机的燃料电池外，还将普及家用燃料电池，预测到2020年其家用燃料电池市场规模将达3075亿日元。燃料电池原理：•燃料电池是一种在等温条件下把燃料的化学能直接转化电能的装置。燃料电池工作时,电解液和电极的化学组成和物质数量不变,燃料和氧化剂不断输入,生成物不断排出,反应物与生成物被两个电极隔开,电极间充有电解液,电功在外部电路中产生。•燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应,燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入,因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。•燃料电池电极上的反应为:阳极反应H2+CO32-=H2O+CO2+2e-。阴极反应1/2O2+CO2+2e-=CO32-。总反应1/2O2+H2=H2O。它与一般燃烧反应不同,燃料电极是利用反应电子的规则运动,直接把电子的结合能转换成电能,使化学能得到充分有效的利用;而在燃烧反应中,这部分能量转化成热能,造成能质的下降。燃料电池的分类：•燃料电池按燃料类型可分为:直接型间接型再生型。•按电解质种类可分为:第一代----碱性燃料电池(AFC)第二代----磷酸盐型燃料电池(PAFC）第三代----质子交换膜电池(PEMFC)第四代----熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)第五代----固体氧化物型燃料电池(SOFC)近几年燃料电池的研究成果：•氢燃料电池:•氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极。•氢燃料电池与普通电池的区别主要在于:干电池、蓄电池是一种储能装置,是把电能贮存起来,需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外,氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成,这是氢燃料电池的一项关键技术,它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面,还要对电池的化学反应起催化作用。•缺点:二次充电很难实现,纯氢很难储存.近几年正在开发研究金属储氢电池.•生物电池：一：微生物燃料电池：是指借助微生物的催化作用直接将燃料(如有机酸,糖类等)的化学能转化为电能的装置。环境中大量的废水、含糖废弃物等皆有可能作为燃料,微生物在降解利用废水废弃物时存在电子传递,基于微生物催化的氧化还原反应原理,可设计新型的微生物燃料电池,从水中沉积物和有机废水中产生电能,且能降解糖类及一些有机污染物,使其转化成二氧化碳以及其它无毒物质。二：细菌电池：其基本原理是通过细菌发酵,把酸或糖类转化为氢气,再将氢导入磷酸燃料电池后发电。1984年美国设计过一种供遨游太空用的细菌电池,原料是宇航员的尿液和活细菌。日本也研制过采用特制糖浆作原料的细菌电池。•直接甲醇燃料电池：以甲醇为燃料,燃料来源丰富,无污染,具有广泛的应用前景.清华大学化学有机光电子与分子工程实验室研究出一种新的催化剂,在在水/AOT/环己烷反胶束体系中,制备的t-Sn/C催化剂.（反胶束法是一种常见的制备纳米颗粒的方法,不仅对设备要求简单,而且可以通过其内部形成的“纳米反应池”来制备大小和形状可控的纳米颗粒,利用反胶束法制备的催化剂明显提高了传统催化剂抵抗中毒的能力。）•缺点:1)反应中间产物极易使催化剂中毒失效.2)甲醇通常会使聚合物膜发生溶胀,所以在电池阳极的甲醇活性物质很容易穿过聚合物膜电解质到达阴极,产生自发电现象,降低了电性能.3)甲醇是一种高度挥发的易燃液体,它的毒性很大,侵入人体途径主要经呼吸道和胃肠道吸收,皮肤也可部分吸收,一旦进入人体,就不易排出。聚合物膜燃料电池•聚合物膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将燃料和氧化剂中的化学能转换为电能的高效发电装置．主要构件为双极板．其材质应该具有良好的导电性能、热传导性能、阻气性能以及一定的机械强度。•双极板按材质可分为：无孔纯石墨板金属板复合材料板直接硼氢化钠燃料电池•直接硼氢化钠燃料电池(DBFC)以硼氢化钠溶液作为负极燃料，结构与直接甲醇燃料电池(DMFC)十分相似，由于比能量高（9.3Wh/gNaBH4），它越来越受到人们的重视．燃料电池的应用前景•大型发电厂•电能---热能耦合设备•小型供能设备•交通工具发电设备:•发电设备功率在若干兆到2000兆之间.对于发电厂的燃料电池系统而言,不仅要求其经济性好,而且还要求其发电效率高,放射低,对燃料电池纯度要求低,连续运行寿命长,结构简单等.高温燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池和氧化陶瓷燃料电池)用天然气做燃料和内部重整,发电效率可以达到65%,一次特别使用大型发电厂.电能—热能耦合设备:•热电站的电能—热能耦合设备可同时提供电能和可利用热,总利用效率可达到90%,比单独生产这两种能量可节约燃料15%--30%.将燃料电池用于热电站,替代了传统热电站的热力机和发电机.用于小型功能设备:•原则上是利用过剩电流,将水电解制取氢和氧,并储存起来,作为燃料电池的燃料和氧化剂.如利用太阳能生产的过剩电流制取电解氢和氧,需要是再供燃料电池生产电能和热能.开发小型燃料电池还可以用于电器设备,,如将燃料电池生产工具的直流电直接提供给计算机或空调器的电器设备,以避免通过交换器引起的损耗.此外,小型质子交换膜燃料电池作为家用和办公用的可携带电源也有良好的应用前景.用于交通工具•交通污染已经成为人类污染源的重要组成部分,这是一个起劲为止未能解决的环境问题.实行无污染交通,原则上可通过电动机代替传统的燃料发动机来实现,而低温和中温燃料电池非常适合用于交通车辆的电动马达.•目前研究的重点是质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池.•目前,在所有可选择的汽车驱动系统中,燃料电池动力装置以其零尾气排放和对能源的独立性,具有良好的经济、环保和节能效益,实现了汽车工业长期以来的目标,并向世人展示了其光明的发展前景.如今,燃料电池汽车已从模糊的概念走向商业示范。•二十世纪将是一个能源紧缺的世纪，可以说谁掌握了能源这把杀手锏谁将是未来世界的统领者，而燃料电池是解决能源问题昀有效和昀有发展规律前景的领域．所以燃料电池的研究必将成为解决能源问题的焦点．虽然燃料电池的实际应用中还存在很多问题，但它将它将是解决能源问题的必经途径．