燃料电池发展简介

2.质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换 膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转 换效率高，无污染，可室温快速启动。质子 交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用 特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应 用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它 已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。
三 工作原理
• 燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”。 工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂 （空气）。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。 • 利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地 向外部输电，所以也可称它为一种 "发电机"。
但是在维森特博士研制的燃料电池中既没有 铂催化剂，也没有交换膜片，而是利用两种廉价 的酶：一种取自细菌的氢化酶，另一种是取自真 菌的虫漆酶，它们能参加与催化剂相同的反应。 每个电极上覆盖有这两种酶中的一种。由于每一 种酶能加速自身的反应，因此这种生物燃料电池 不需要膜片，因为“燃烧”的两种成分———空 气和氢气在燃料电池中能自由混合。 其实，试验样品是一个带有两个电极的简单 玻璃瓶，电极上覆盖有酶，研究人员在试验样品 上加上空气和少量（百分之几）氢气混合物时， 即成功地获得了电流。
二
燃料电池的历史
燃料电池的历史可以追溯到第19世纪英国法官 和科学家William Robert Grove 爵士的工作。1839 年，Grove所进行的电解作用实验——使用电将水分 解成氢和氧——是人们后来称之为燃料电池的第一 个装置。人们很快发现，如果要将这一技术商业化， 必须克服大量的科学技术障碍。因此，人们对Grove 发明的早先兴趣便开始淡漠了。直到上个世纪末， 内燃机的出现和大规模使用矿物燃料使得燃料电池 被论为仅仅是一次科学上的奇特事例。
3.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔 陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的 燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。 反应原理示意图如下： 阴 极： O2 + 2CO2 + 4e - →2CO32阳 极： 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e– 总反应： O2 ＋ 2H2 → 2H2O
电解体 燃料 氧化剂 系统的电效率
氢氧化钾溶液 纯氢 纯氧 60-90％
锂和碳酸钾 天然气．煤气沼 气 大气中的氧气 ＞50%
五 重要燃料电池简介
1.固体氧化物燃料电池（SOFC)
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。
美国陆军已经试验了9台已开发的氢发生器/50 瓦燃料电池组合原型。目前这种系统成本过高， 所需化合物稀少，并且难以实现再充电。目前所 取得的积极成果是所产生的氢不需要在低温或高 压的环境中存储，而可在常温常压下永远保持稳 定，直到你开启燃料电池使之发生作用。但是,就 像许多新技术一样，它走向实用还有许多工作要 做，包括进一步提高产氢率的许多研究，大量的 工程化发展工作和对制造技术的投资。从基础研 究通向一种可以实际使用的系统是一条漫长的路， 通常需要20年甚至更久"。
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1.什么是燃料电池 2.燃料电池的历史 3.燃料电池的工作原理 4.燃料电池的分类 5.重要燃料电池简介 6.最新研究成果 7.未来展望
一 什么是燃料电池
燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释出的能 量，直接将其变换为电能。是通过连续供给燃料从而能连续获得电力 的发电装置。其电池单体是由正负两个电极(负极即输入燃料的电极， 阳极；正极即输入氧化剂的电极，阴极)以及电解质组成。不同的是一 般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料 电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃 料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换设备。电池工作 时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。燃料电池本体通常由形成 离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴 极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气 （氧化剂气体）能在流路中通过。原则上只要反应物不断输入，反应 产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。另外，只有燃料电池本体 还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排 热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
1932年，Bacon想到了Mond 和Langer发明的装置， 并对其原来的设计作了多次修改，包括用比较廉价的镍 网代替白金电极, 以及用不易腐蚀电极的硫酸电解质代替 碱性的氢氧化钾。Bacon将这种装置叫做Bacon电池，它 实际上就是第一个碱性燃料电池（alkaline fuel cell, AFC）。 不过，在经历27年后，Bacon才真正制造出能工作 的燃料电池。1959年，他生产出一台能足够供焊机使用 的5 kW机器。不久，人们很快发现，除Bacon之外， Allis-Chalmers公司的农业机械生产商Harry Karl Ihrig也 在这一年的晚期制造出第一台以燃料电池为动力的车辆。 将1008块他生产的这种电池连在一起，这种能产生15 kW的燃料电池组便能为一台20马力的拖拉机供电。上述 发展为今天人们所知的燃料电池的商业化奠定了基础。
• 【1】 杨英慧.现代材料动态【M】.2008（7） • 【2】 彭茂公.燃料电池的开发和利用的必要性【J】.能源研 究与信息，2000，3 • 【3】 钱伯章 燃料电池的发展现状与展望【J】.节能，2004 • 【4】 杨遇春 燃料电池及其相关材料新进展【J】.稀有金属， 1999，23（2），121-124 • 【5】 王信禧 ， 孟黎青 燃料电池的历史及现状【J】.电力学 报，2002，17（2），99-104 • 【6】 王金全，王春明，张永等 氢能发电及其应用前景 【J】.解放军理工大学学报（自然科学版），2002
燃料电池汽车
燃料电池无人机
燃料电池笔记本电脑
燃料电池手机
七 未来展望
燃料电池可在一秒钟之内迅速提供满负 荷动力，并可承受短时过负荷（几秒钟）。 其特性很适合作为备用电源或安全保证电源。 为实现这些动态特性，在供电侧必须有独立 的氢气来源。除了将燃料电池用于空间飞行， 移动式和固定式设备外，开发小型化的燃料 电池系统的工作也正在开展，作为便携式电 源系统用于笔记本电脑和摄象机等装置。
在其后的40年中，燃料电池又有了新的发展。1955 年，就职于通用电器公司（GE）的化学家Willard Thomas Grubb进一步改进了原来的燃料电池设计，使 用磺化的聚苯乙烯离子交换膜作为电解质。三年后，另 一位GE的化学家Leonard Niedrach发明了一种将白金 存放在这种膜山上的方法，从而制造出人们所知的 “Grubb-Niedrach燃料电池”。此后，GE继续与NASA 合作开发这一技术，终于使其在Gemini空间项目中得到 应用。这便是第一次商业化使用燃料电池。 1973年的 石油禁运引发了人们对燃料电池动力在地面应用的重新 兴趣，在整个20世纪的70年代和80年代，大量的研究工 作都致力于开发所需的材料，探索最佳的燃料源，以及 迅速降低这种异乎寻常技术的成本 。最后，直到20世纪 90年代，一种廉价的，清洁的，可再生的能源最终变成 了事实。
开发可用于车辆的移动式燃料电池是发展这 项技术的主要驱动力。通过在汽车工业大量使用 燃料电池而带来预期的成本下降，将使固定式发 电受益非浅，反之亦然。这些专门的应用领域意 味着燃料电池技术是今后几年中可获得突破的几 项未来技术中的一项，而且不需要耗费大量的政 府投资。 目前影响燃料电池商业化的关键问题是成本 太高。PAFC和PEAFC是近期最有希望商业化的 燃料电池。如影响PEAFC制作成本的在于电极， 电解质膜和电极板上。如何有效降低铂的用量， 开发新型的廉价的催化剂是燃料电池研究的重要 课题。在燃料电池燃料的选取，车载，储存，安 全等方面需要做大量的工作。现在较多的是以纯 氢作燃料，由于纯氢的高危险性，如何方便有效 地储存，车载，装灌还存在许多的障碍。
六 最新研究成果
1.生物燃料电池 牛津大学凯利· 维森特博士及其同事在酶基础上 研制成一种燃料电池，它比传统结构燃料电池便宜 很多倍。以酶为基础的第一个氢燃料电池样品目前 虽然只能输出0.7伏电压和微小电流—足以使电子表 行走，还能确保各种袖珍电子装置的用电。在普通 燃料电池中氧气和氢气从交换膜片两面通过，膜片 分开带有电极的小室，膜片能自由通过质子。在一 个电极上氢气被分解成质子和电子，电子不能通过 膜片，在外电路接通时只能抵达燃料电池对面的小 室，在那里参与通过膜片的氧气与质子的水合成。 镀在电极表面上的催化剂保持燃料电池中发生的两 种反应，通常使用铂，铂催化剂和交换膜片是燃料 电池最昂贵的组分，难以推广应用。
熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600～ 700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污 染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料 等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多 优点，是下一世纪的绿色电站。
4.再生氢氧燃料电池
再生氢氧燃料电池将水电解技术(电能 +2H2O→2H2+O2)与氢氧燃料电池技术 (2H2+O化剂O2可通过水电解过程得以 “再生”, 起到蓄能作用。可以用作空间站电 源。
稀土材料吸氢技术已经较为成熟。我国稀土资源 丰富，在此方面有较大的发展前景。利用碳纳米材料 储氢效率更高，但目前仍停留在实验阶段。另外需要 建立新的灌充网络，巨大的基建投入也限制了她的发 展。随着燃料电池关键技术的不断得以解决，各种燃 料电池的应用将逐渐步入人们的生活。