题目名称：姓名：班级：学号：日期：机电工程学院燃料电池发电技术摘要: 介绍了各种类型燃料电池( 碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及质子交换膜燃料电池) 的技术进展、电池性能及其特点。

其中着重介绍了当今国际上应用较广泛、技术较为成熟的磷酸燃料电池。

对燃料电池的应用前景进行探讨, 并对我国的燃料电池研究提出了一些建议。

关键词: 燃料电池; 磷酸燃料电池;燃料电池有多种类型, 按使用的电解质不同来分类, 主要有碱性燃料电池(AFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 、磷酸燃料电池( PAFC)等。

燃料电池的发展过程：1889：L.Mond和nger以多孔非传导材料为隔膜，组装出采用氢气-氧气的燃料电池，接近现代的FC1923：A.Schmid提出多孔气体扩散电极的概念，在此基础上：1950：培根(Francis Bacon)研制成功碱性燃料电池，并被NASA确定为其太空计划的动力源.——成功作为60年代Apollo登月飞船的主电源1960：美国通用电气研制出采用聚苯乙烯磺酸膜的质子交换膜燃料电池PEMFC，且于1960年10月首次用于双子星座(Gemini)飞船的主电源——由于膜的降解，缩短了电池寿命，污染了宇航员的饮用水1962：杜邦（Du Pond）公司开发成功全氟磺酸膜，并被通用组装成长寿命（57000h）的PEMFC，并在卫星上做了小电池的搭载实验。

解决了以上问题——因价格原因，未能中标美国航天飞机电源，导致PEMFC研究停滞——让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池1970年代：其它燃料电池陆续面世——磷酸(Phosphoric Acid) PAFC、溶融碳酸盐 (Molten Carbonate) MCFC、固体氧化物(Solid Oxide) SOFC1983：Ballard在加国防部支持下，研制成功新型全氟磺酸膜，实现“电极-膜-电极”三合一组建（MEA）各种燃料电池发展状况1. 1 碱性燃料电池(AFC)20 世纪50 年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究, 并在60 年代中期成功地用于Apollo 登月飞行。

AFC 的优点在于除贵金属外, 银、镍以及一些金属氧化物都可以作电极催化剂, 它的阴极性能也比酸性体系要好, 而且电池的结构材料也较便宜。

缺点在于对CO2 和N2 十分敏感, 故不适用于地面。

在国外, 将AFC 用于潜艇及汽车的尝试已不再继续, 目前AFC 主要用作短期飞船和航天飞机的电源。

中科院长春应用化学研究所1958 年就开始研究培根型燃料电池。

60 年代初开展碱性石棉膜型燃料电池的研究, 1968 年承担航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制。

中科院大连化学物理研究所在60 年代初也开始研究碱性石棉膜型燃料电池。

70年代初承担了航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制, 研制成两种类型的电池。

80 年代初, 研制了潜艇用20kW的大功率碱性石棉模型燃料电池样机。

1. 2 熔融碳酸盐燃料电池( MCFC)MCFC 的电解质由Li2CO3 和K2CO3 组成, 工作温度在650 e 左右, 阴极、阳极电化学反应快, 无需贵金属催化剂。

由于在较高温度工作, 可以对天然气、煤炭气化燃料进行内部重整, 直接加以利用。

不需要复杂昂贵的外重整设备。

另外, 燃料转换效率高, 余热利用效率也较高。

但MCFC 在高温下长期工作时电解质损失造成的电池失效、隔板腐蚀对电池寿命的影响, 以及镍电极缓慢溶解所造成的性能下降都是有待解决的课题。

由美国能源研究公司(ERC) 建造, 使用内部重整的2MWMCFC 装置已经安装在加利福尼亚并入电网运行了720h, 供电1710MWh, 1997 年3 月停运,为建造和运行这类电站提供了宝贵经验。

日本熔融碳酸盐研究协会在日本月光计划和新日光计划的支持下, 一个1000kW系统正在组装以评价此技术。

长春应用化学研究所于90 年代初开始研究MCFC, 在LiAlO2 微粉的制备方法和利用金属间化合物作MCFC 的阳极材料等方面取得了很大的进展。

大连化学物理所从1993 年起在中科院资助下开始研制, 自制LiAlO2 微粉制造的MCFC 单体电池性能已达国际80 年代初的水平。

1. 3 固体氧化物燃料电池( SOFC)SOFC 工作温度高达1000 e , 反应速度快, 不需要贵重金属做催化剂, 不存在电解质腐蚀金属问题。

碳氢化合物燃料可自动在燃料电池内部重整, 并迅速地在电极上被氧化, 燃料中杂质对电池的性能、寿命影响均很小。

其燃料转换效率高, 高温余热可很好利用, 从而提高燃料的总利用效率。

SOFC 可以与燃气轮机相结合, 即用燃料电池的动力代替燃气轮机的燃烧段, 总效率可望达到60%~70% 。

SOFC 的主要问题是固体氧化物电解质所用的陶瓷材料脆性大, 目前仍很难制造出大面积的固体电解质膜, 这严重制约了建造大功率SOFC。

另外, SOFC 还存在诸如电流密度小、电压降高、制造工艺复杂、成膜设备昂贵等问题。

美国、丹麦、荷兰、日本等国都很重视SOFC, 其中美国西屋(Westinghouse) 公司的研究工作较为突出, 研制的25kW的SOFC 电池组已经通过了长期示范试验, 建造在荷兰的100kW示范装置也已于1997年启用, 250kW至7MW发电装置的建设正规划中。

中科院上海硅酸盐研究所1971 年就开始进行了SOFC 电极材料和电解质材料的研究。

吉林大学于1995 年在吉林省计委和国家计委的资助下进行SOFC的研究, 研制成功的单体电池电压达到1.18V, 电流密度400mA/ cm2。

1. 4 磷酸燃料电池( PAFC)磷酸燃料电池采用H3PO4 液体做电解质, 发电效率为35% ~ 43%, 工作温度180 e 。

由于工作温度降低, 反应速度慢, 因此需要使用贵重金属Pt 做催化剂。

PAFC 基本元件有阳极、阴极和电解质, 单电池之间由隔板连接。

磷酸燃料电池的特点如下:( 1) 发电效率在35% ~ 43% 之间, 大容量电站效率较高些。

热电联供时, 总效率为71%~ 85% 。

( 2) 洁净、对环境污染小, 没有( 或很小) 转动部件, 振动和噪声污染也很小。

( 3) 随着技术不断改进, PAFC 电站, 特别是50kW和200kW 电站, 其无故障连续运行时间不断加长。

例如美国ONSI 公司的200kWPC225 发电装置投运时间已超过37000h, 可用率超过95% , 接近商业化目标要求的40000h。

( 4) 满负荷运行可达到40000h, 电池的输出电压的降低不大于10%。

( 5) 装置紧凑, 检修空间小, 维修困难。

( 6) PAFC 电站可以使用各种气态或液态燃料,主要是使用天然气或液化天然气, 也可以使用液化石油气、甲醇、煤油、沼气等。

(7) 降低造价与技术的改进、标准化和大规模生产分不开。

ONSI 公司1995 年推出的PC25C 型PAFC 装置的制造成本为3000$ / kW, 而后推出的PC25D型的成本降至1500$ / kW, 体积减小1/ 4, 重量仅为14t。

但PAFC 电站造价的进一步降低仍需长期努力。

美国最早在60 年代后期就开始对PAFC 进行评价研究, 是最早发展PAFC 电站技术的国家, 而日本是PAFC 电站技术发展最快的国家, 它仅用10~15a 时间就与美国并驾齐驱。

1991 年东京电力公司在五井火力发电厂内建成了当时世界上功率最大的12MW PAFC 发电站。

目前PAFC 技术已公认为可用于热电联供的、具有高度可靠性的发电装置, 特别在象医院、监狱、旅馆等对安全供电要求特别高的场合有着很好的应用前景。

而在国内PAFC 的研究工作目前尚处于空白状态。

2.燃料电池的发电原理燃料电池按电化学原理将化学能转化成电能，但是它的工作方式却与内燃机相似。

它在工作（即连续稳定的输出电能）时，必须不断地向电池内部送入燃料与氧化剂（如氢气和氧气）；与此同时，它还要排出与生成量相等的反应产物，如氢氧燃料电池中所生成的水。

目前燃料电池的能量转化效率仅达到40%～60%，为保证电池工作温度的恒定，必须将废热排放出去。

如果有可能，还要将该热能加以再利用，如高温燃料电池可与各种发电装置组成联合循环，以提高燃料的利用率。

燃料电池是一种能量转换装置。

它按电化学原理，即原电池（如日常所用的锌锰干电池）的工作原理，等温的把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。

在电池中增湿后的氢气(H2(H2O)n)通过双极板上的气体通道穿过扩散层，到达阳极催化剂层，并吸附于电催化剂层中，然后在铂催化剂作用下，发生如下反应：H 2→2H++2e-或nH2O+1/2H2→H+·nH2O+e-随后，H+或H+·nH2O进入质子交换膜，与膜中磺酸基（-SO3H）上的H+发生交换，使氢离子到达阴极。

与此同时，阴极增湿的氧气也从双极板通过阴极扩散层，吸附于阴极电催化剂层中，并与交换而来的H+在铂的催化作用下发生反应，即：1/2O2+2H++2e-→H20或1/2O2+ H+·nH2O+2e-→(n+1)H2O生成的水随着尾气排出电池。

对于一个氧化还原反应，如：[O]+[R]→P式中，[O]代表氧化剂，[R]代表还原剂，P代表反应产物。

原则上可以把上述反应分为两个半反应，一个为氧化剂[O]的还原反应，一个为还原剂[R]的氧化反应，若e-代表电子，即有：[R] →[R]++ e-[R]++ [O]+ e-→P[R]+ [O] →P以最简单的氢氧反应为例，即为：H2→2 H ++2e-1/2O2+2H++2e-→H 2 OH 2+1/2O2→H2O图1 燃料电池工作原理示意图如图1所示，氢离子在将两个半反应分开的电解质内迁移，电子通过外电路定向流动、做功，并构成总的电的回路。

氧化剂发生还原反应的电极称为阴极，其反应过程称为阴极过程，对外电路按原电池定义为正极。

还原剂或燃料电池发生氧化反应的电极称为阳极，其反应过程成为阳极过程，对外电路定义为负极。

燃料电池与常规电池不同，它的燃料电池和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐中。

当它工作（输出电流并做功）时，需要不断地向电池内输入燃料和氧化剂，并同时排出反应物。

因此，从工作方式上看，它类似于常规的汽油或柴油发电机。

由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料电池使用的燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体（即气体和液体）。

最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体（如重整气）和某些液体（如甲醇水溶液）。

常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和硝酸的水溶液等）。