燃料电池论文

对燃料电池的再认识非常有幸，这学期能够聆听来自海外高材生，海归博士林俊老师的燃料电池课。

我对化学有着别样的情节非常愿意也主动的去听老师讲课，对于选修课我敢说我没有像其他任何一门选修课一样为了学分而是完全凭着自己的一分兴趣，一份对化学的热爱。

期末了，林俊老师让我们去用论文的方式用自己的观点去重新回顾一下所学过的内容。

我查认真查阅了资料，浏览了许多文献，让我对燃料电池有了更加理性的了解。

下面我就谈谈我对它的认识。

首先谈到燃料电池，个人觉得不得不提一下能源，新能源的发展，各我国的能源状况。

这也算是发展燃料电池的一个原因吧。

我国能源的现状我们形容祖国经常会用到“地大物博”一词，但事实表明我们的能源和资源总量并不丰富，由于我国人口众多，人均资源能源的占有量从世界整体水平看存在着明显的差距。

严峻的形势让人触目惊心。

从能源总量来看，我国是世界第二大能源生产国和第二能源消费国。

据资料显示，截止到2004年底，我国石油剩余可采储量23亿吨，占世界总量的1.4%；天然气剩余可采储量2.23万亿立方米，占世界天然气可采储量总量的1.2%；煤炭剩余可采储量1145亿吨，占世界总量的12.6%等。

就可采储量而言，有关专家估计，若按目前的开采水平，我国石油资源和东部的煤炭资源将在2030年耗尽，水力资源的开发也将达到极致。

就质量而言，我国能源资源以煤炭为主，按各种燃料的热值计算，在目前的探明储量下，世界能源资源中，固体燃料和液体、气体燃料的比例为4：1，而我国则远远落后于这一比值。

目前，在世界能源产量中，高质量的液、气体能源所占比例为60.8%，而我国仅为19.1%。

2004年，中国一次能源消费总量19.7亿吨标准煤，比上年增长15.2%。

其中，煤炭消费量18.7亿吨，原油2.9亿吨，天然气415亿立方米。

从人均水平来看，2004年中国人均一次能源消费量1.08吨油当量，为世界平均水平1.63吨油当量的66%，是美国人均8.02吨油当量的13.4%，日本人均3.82吨油当量的28.1%。

从能源结构来看，2004年一次能源消费中，煤炭占67.7%，石油占22.7%，天然气占2.6%，水电等占7.0%。

这些只是部分能源消费情况，其形势不容乐观。

面对国家这样的能源现状，触目惊心的数据，提醒着我们应更冷静、更客观地面对中国的能源问题。

人们不能再大手大脚的对待现有的能源，从现在开始我们应该树立节约能源、适度消费的观念。

完全可以看得出来不仅是我国全世界范围内在短短100年时间的高速发展带来了巨大的能源危机，新能源也因此运营而生。

新能源的分类与应用所谓能源是指煤炭、太阳能、风能、水能、天然气、地热能、核能等等。

能源家族的成员分类：从能源产生的方式可分为一次能源和二次能源。

所谓一次能源，是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源，它包括：原煤、天然气、太阳能、水能、风能、地热等；为了满足生产和生活的需要，有些能源要加工转换后使用，成为二次能源，指由一次能源经过加工转换以后得到的另一种形态的能源产品，例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油等。

从能源是否可再利用的角度，一次能源可再次被分为再生能源和非再生能源两大类。

可再生能源，是指在自然界中可不断再生并可以持续利用的资源，它主要包括太阳能、风能、水能、地热能、生物质能等；而非再生能源，是指经过亿万年的，短期内无法恢复的能源，包括原煤、原油、天然气、油页岩、核能等。

随着我们使用越来越多，它就会变得越来越少,直到用到枯竭为止，在自然界中它们将不会再生。

根据能源消耗后是否造成环境污染可分为非清洁型能源和清洁型能源。

对环境污染大的能源称为非清洁型能源，包括煤炭、石油等；对环境无污染或污染小的能源称为清洁型能源，包括水能、太阳能、风能和核能等。

根据使用的类型又可分为常规能源和新型能源。

常规能源是指经过相当长的历史时期已经被人类长期广泛利用的能源。

它包括一次能源中的可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源。

新型能源是指采用新的科学技术才能开发和利用并有发展潜力的能源，包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及用于核能发电的核燃料等。

能源家族成员种类繁多，而且新成员的不断加入也使这个大家庭得到不断的更新和扩充。

新能源的建设与开发越来越受大大家的重视。

而具有众多有点的燃料电池自然成为人们的宠儿。

那我们就来看看燃料电池的一些基本知识。

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。

Grove推想到，如果将氧和氢反应就有可能使电解过程逆转产生电。

为了证实这一理论，他将二条白金带分别放入二个密封的瓶中，一个瓶中盛有氢，另一个瓶中盛有氧。

当这二个盛器浸入稀释的硫酸溶液时，电流开始在二个电极之间流动，盛有气体的瓶中生成了水。

为了升高所产生的电压，Grove将几个这种装置串联起来，终於得到了他所叫做的“气体电池”。

“燃料电池”一词是1889年由Ludwig Mond 和Charles Langer 二位化学家创造的，他们当时试图用空气和工业煤气制造第一个实用的装置。

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。

接下来, 燃料电池历史的主要一章是由剑桥大学的工程师Francis Thomas Bacon博士完成的。

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。

燃料电池的现代发展史可以论为起始于20世纪60年代初期。

当时，美国政府的新机构国家航空和宇宙航行局（NASA）正寻找为其即将进行的一系列无人航天飞行提供动力的方法。

由于使用干电池太重，太阳能价格昂贵，而核能又太危险，NASA业已排除这几种现有的能源，正着手探索其它解决办法。

燃料电池正好吸引了他们的视线，NASA便资助了一系列的研究合同，从事开发实用的燃料电池设计。

这种研究获得了第一个质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）。

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，终于在Gmini空间项目中得到应用。

这便是第一次商业化使用燃料电池。

20世纪初期，飞机制造商Pratt&Whitney获得使用Bacon的碱性燃料电池专利的执照，并着手对原来的设计进行修改，试图减轻其重量。

Pratt&Whitney成功地开发了一种电池，其使用寿命比GE的质子交换膜的寿命长得多。

正因为如此，Pratt&Whitney获得了NASA 的几项合同，为其阿波罗航天飞机提供这种燃料电池。

从此，这种碱性电池便用于随后的大多数飞行任务，包括航天飞机的飞行。

使用燃料电池作为能源的另一好处就是它能产生可饮用水作为副产品。

尽管在空间应用方面获得了令人感兴趣的发展，然而截至目在地面应用方面却有鲜为人知的进展。

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，因为许多政府期望降低对石油进口的依赖性。

不计其数的公司和政府部门开始认真地研究解决燃料电池大规模商业化的障碍的方法。

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，也就是Grove试验之后的150多年，正如第一个燃料电池揭开其面纱那样，一种廉价的，清洁的，可再生的能源最终变成了事实。

在这十年中，技术上的突破包括加拿大公司Ballard在1993年推出的第一辆以燃料电池为动力的车辆。

二年后，Ballard和Daimler Benz公司都生产出每升1 kW的燃料电池组。

在过去的几年中，许多医院和学校都安装了燃料电池，大多数汽车公司也已设计出其以燃料电池为动力的原型车辆。

在北美和欧洲的许多城市，如芝加哥，温哥华等，以燃料电池为动力的公共汽车正在投入试用，人们正期望在不久的将来能将这种车辆投放市场。

在未来的几十年中，鉴于人们对耗竭现有库存自然资源的担心，以及愈来愈多的人意识到大量焚烧矿物燃料对环境的破坏，必将促使燃料电池在移动和静态能源的发展。

19世纪所显露的科学上的奇特事例将成为21世纪以及以后年代的能源。

由此可见燃料电池的历史是既年轻又古老的，年轻在于它毕竟是新能源相对于煤炭等等来说他它在这个世界上亦不过百年，说它古老他却又贯穿了整个工业革命。

下面我们就走近它看看它的真面貌。

燃料电池技术与分类。

燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。

它的种类可以多种多样，但都基于一个基本的设计，即它们都含有二个电极，一个负阳极和一个正阴极。

这二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。

在电极上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。

燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。

本文后面的部分将以质子交换膜燃料电池为例介绍燃料电池概念的科学技术发展，同时也讨论一些其它主要设计的特点和应用。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）该技术是General Electric公司在20世纪50年代发明的，被NASA用来为其Gemini空间项目提供动力。

目前这种燃料电池是汽车公司最喜欢使用的一类燃料电池，用来取代原来使用的内燃机。