燃料電池介紹

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高;另外，燃料電池用燃料和氧氣作為同時(shí)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故沒(méi)有噪原料，排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見(jiàn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

燃料電池作為第四種發(fā)電方式的裝置，與其他幾種發(fā)電方式比較起來(lái)有以下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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（1）燃料電池是通過(guò)燃料與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，沒(méi)有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，因而這種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)50％。還可回收發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的余熱。若把產(chǎn)生的余熱再用于發(fā)電或供暖、供水等，綜合考慮效率能達(dá)到80％。

（2）燃料電池發(fā)電過(guò)程，機(jī)械部件很少，噪聲低；化學(xué)反應(yīng)的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會(huì)污染環(huán)境。在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，燃料電池的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)尤其可貴。

（3）燃料電池中所使用的燃料，既可是天然氣、煤氣和液化燃料，也可以是甲醇、沼氣乃至木柴。可根據(jù)不同地區(qū)的具體情況，選用不同的燃料用于燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，這可廣開(kāi)燃料來(lái)源途徑，緩解能源緊張。

（4）燃料電池從中斷運(yùn)轉(zhuǎn)到再啟動(dòng)，輸電能力回升速度快，并可在短時(shí)間內(nèi)增加和減少電力輸出。因此將這種發(fā)電系統(tǒng)與其他輸電網(wǎng)連接使用最為有利，可隨時(shí)補(bǔ)充電網(wǎng)在用電高峰時(shí)所需的部分電能。

（5）燃料電池本身為一個(gè)“組合體”，所用部件可事先在工廠生產(chǎn)，然后組裝；它的體積小，拆裝都很方便，這可節(jié)省建電站的時(shí)間。

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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燃料電池的工作原理

人們常用的普通電池有堿性干電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。燃料電池和普通電池相比，既有相似，又有很大的差異。它們有著相似的發(fā)電原理，在結(jié)構(gòu)上都具有電解質(zhì)，電極和正負(fù)極連接端子。二者的不同之處在于，燃料電池不是一個(gè)儲(chǔ)存電能的裝置，實(shí)際上是一種發(fā)電裝置，它所需的化學(xué)燃料也不儲(chǔ)存于電池內(nèi)部，而是從外部供應(yīng)。在燃料電池中，反應(yīng)物燃料及氧化劑可以源源不斷地供給電極，只要使電極在電解質(zhì)中處于分隔狀態(tài)，那么反應(yīng)產(chǎn)物可同時(shí)連續(xù)不斷地從電池排出，同時(shí)相應(yīng)連續(xù)不斷地輸出電能和熱能，這便利了燃料的補(bǔ)充，從而電池可以長(zhǎng)時(shí)間甚至不間斷地工作。人們之所以稱它為燃料電池，只是由于在結(jié)構(gòu)形式上與電池有某種類(lèi)似：外特性像電池，隨負(fù)荷的增加，它的輸出電壓下降。

燃料電池實(shí)際上是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器，它把燃料同氧化劑反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它沒(méi)有傳統(tǒng)發(fā)電裝置上的原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置，也沒(méi)有直接的燃燒過(guò)程。燃料和氧化劑從外部不斷輸入，它就能不斷地輸出電能。它的反應(yīng)物通常是氫和氧等燃料，它的副產(chǎn)品一般是無(wú)害的水和二氧化碳。燃料電池的工作不只靠電池本身，還需要燃料和氧化劑供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物排放等子系統(tǒng)與電池堆一起構(gòu)成完整的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池可以使用多種燃料，包括氫氣、碳、一氧化碳以及比較輕的碳?xì)浠衔?，氧化劑通常使用純氧或空氣。它的基本原理相?dāng)于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)，即水的合成反應(yīng)。燃料及氧化劑在電池的陰極和陽(yáng)極上借助催化劑的作用，電離成離子，由于離子能夠通過(guò)二電極中間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、陽(yáng)電極間形成電壓。當(dāng)電極同外部負(fù)載構(gòu)成回路時(shí)，就可向外供電（發(fā)電）。圖1是燃料電池的工作原理圖。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

燃料電池發(fā)展歷程

1、139年，英國(guó)科學(xué)家Grove首先介紹了燃料電池的原理性實(shí)。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

2、1889年，L.Mond和C.Langer以鉑黑為電催化劑，以鉆孔的鉑為電流收集器組裝出燃料電池，當(dāng)工作電流密度為3.5mA/cm-2時(shí)電池的輸出電壓為0.73V.O這個(gè)研究已經(jīng)很接近現(xiàn)代的燃料電池了。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

3、20世紀(jì)60年代，燃料電池首次應(yīng)用在美國(guó)特種航天管理局（NASA）的阿波羅登月飛船上作為輔助電源，為人類(lèi)登月球做出了積極貢獻(xiàn)。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

4、1959培根制造出能夠工作的燃料電池，也就是一部燃料電池的5kW的焊接機(jī)。同年，\Allis-Chalmers公司也推出了第部以燃料電池為動(dòng)力的農(nóng)用拖拉機(jī)。

5、1973研究重點(diǎn)從航天轉(zhuǎn)向地面發(fā)電裝置，磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）以及直接采用天然氣、煤氣和碳?xì)浠衔镒魅剂系墓腆w氧化物燃料電池（SOFC）作為電站或分散式電站相繼問(wèn)世。

1973年發(fā)生石油危機(jī)后，世界各國(guó)普遍認(rèn)識(shí)到能源的重要性人們研究了以凈化重整氣為燃料的磷酸型燃料電池（PAFC，稱為第一代燃料電池）以凈化煤氣、天然氣為燃料的熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，稱為第二代燃料電池）還有固體氧化物電解質(zhì)燃料電池（SOFC，稱為第三代燃料電池）。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

1993年，加拿大Ballard電力公司展示了一輛零排放、最高時(shí)速為72km/h、以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為動(dòng)力的公交車(chē)［2］，引發(fā)了全球性燃料電池電動(dòng)車(chē)的研究開(kāi)發(fā)熱潮。

6、目前在PEMFC向商業(yè)化邁進(jìn)的過(guò)程中，氫源問(wèn)題異常突出，氫供應(yīng)設(shè)施建設(shè)投資巨大，氫的貯存與運(yùn)輸技術(shù)以及氫的制備技術(shù)等還遠(yuǎn)落后于PEMFC自身的發(fā)展，20世紀(jì)末，以醇類(lèi)直接為燃料的燃料電池成為了研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，受到了世界各國(guó)的廣泛重視，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

燃料電池的研究現(xiàn)狀

1、AFC

在已開(kāi)發(fā)的燃料電池中堿性燃料電池是最早獲得實(shí)際應(yīng)用的。美國(guó)的阿波羅登月飛船和航天飛機(jī)等軌道飛行器都采用這類(lèi)燃料電池作為搭載電源，實(shí)際飛行結(jié)果表明電池系統(tǒng)具有很高的可靠性。20世紀(jì)80年代中期以后，隨著一些新材料的應(yīng)用及工藝的不斷改進(jìn)，堿性氫氧燃料電池的性能得到完善，比如工作溫度、工作壓力、電流密度提高，比質(zhì)量（單位功率的質(zhì)量）顯著減小等。

堿性氫氧燃料電池除成功應(yīng)用于空間技術(shù)外，也進(jìn)行了其他用途的開(kāi)發(fā)。美國(guó)UTC公司曾試制過(guò)60kW、80kW的深水探查船用電源及30kW深海潛水救助艇用的電源，德國(guó)西門(mén)子公司曾試制過(guò)100kW的潛水艇動(dòng)力電源，但都在樣機(jī)試用以后終止開(kāi)發(fā)，未投入正式使用。比利時(shí)Elenco公司及美國(guó)UCC公司也都進(jìn)行過(guò)將堿性氫空氣燃料電池用于電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電源的開(kāi)發(fā)，日本的富士電機(jī)公司曾在月光計(jì)劃資助下開(kāi)發(fā)過(guò)kW級(jí)的應(yīng)急用堿性燃料電池。目前，此類(lèi)燃料電池技術(shù)的發(fā)展已非常成熟并已經(jīng)在航天飛行及特種中成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)已研制出200W氨一空氣的堿性燃料電池系統(tǒng)，制成了1kW，10kW，20kW的堿性燃料電池。

堿性燃料電池在地面應(yīng)用的最大缺點(diǎn)是對(duì)燃料純度要求太高而且不能使用含C、CO2及CO的燃料氣，使用空氣也必須脫除空氣中的CO2，從而限制了這類(lèi)電池在地面上的應(yīng)用。

1=燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

2、PAFC

該型電池技術(shù)成熟，目前這類(lèi)電池在城市發(fā)電，供氣及其他工業(yè)項(xiàng)目上廣為試用。如在賓館、醫(yī)院、辦公樓、工廠等地方用PAFC來(lái)進(jìn)行輔助供電、供熱。還有一種采用生物氣體的PAFC體系已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，而在廢棄物質(zhì)的處理方面，含有甲烷的沼氣或其他有機(jī)氣體已經(jīng)被利用。大規(guī)模利用生物沼氣的PAFC可望在將來(lái)應(yīng)用于垃圾回收領(lǐng)域，解決一大社會(huì)難題。

美國(guó)是最早發(fā)展PAFC電站技術(shù)的國(guó)家，而日本是PAFC電站技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家，PAFC在日本已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。日本是開(kāi)發(fā)燃料電池積極而熱情的國(guó)家，近年來(lái)成果尤為顯著，特別是在PAFC商業(yè)化方面已與美國(guó)并駕齊驅(qū)。目前，日本的制造商在電力公司，煤氣公司的通力合作之下，已經(jīng)可以生產(chǎn)50kW，100kW，200kW，1000kW，5000kW，11MW等各種規(guī)格的PAFC電站。英國(guó)、德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)、意大利、丹麥、瑞典、芬蘭等9個(gè)國(guó)家22家公司于1989年9月11日成立的歐洲燃料電源集團(tuán)（EFCG）也與美國(guó)和日本的公司在這一領(lǐng)域展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。事實(shí)上，到目前為止，美日兩國(guó)的公司已經(jīng)銷(xiāo)售了數(shù)以百計(jì)的磷酸型燃料電池，正在試驗(yàn)的則為數(shù)更多，可以說(shuō)，PAFC的基礎(chǔ)研究工作已經(jīng)結(jié)束。商品化階段已經(jīng)開(kāi)始，正在向工業(yè)化邁進(jìn)。

3、PEMFC

質(zhì)子交換膜燃料電池以氟磺酸型或非氟磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì)，能量轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)污染，可在室溫下快速啟動(dòng)，特別適合用做動(dòng)力電源。美國(guó)通用電器公司在20世紀(jì)60年代就將PEMFC電池用于雙子星座航天飛機(jī)。

它又是電動(dòng)車(chē)的最佳驅(qū)動(dòng)電源，受到美國(guó)、德國(guó)、加拿大和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家政府及國(guó)際汽車(chē)業(yè)巨頭如德國(guó)奔馳公司和美國(guó)通用汽車(chē)公司等企業(yè)的支持，發(fā)展勢(shì)頭非常強(qiáng)勁。1993年，加拿大Ballard公司研制出世界上第一輛燃料電池公共汽車(chē)。1999年，美國(guó)福特汽車(chē)公司和日本豐田汽車(chē)公司分別研制出質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。汽車(chē)工業(yè)的介入是推動(dòng)PEMFC快速發(fā)展的最主要的動(dòng)力。

總部位于加拿大溫哥華的BalardPowerSystem公司被公認(rèn)為是世界開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和營(yíng)銷(xiāo)零排放質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池的領(lǐng)先者。國(guó)內(nèi)從事PEMFC研究的單位主要有中科院大連物理化學(xué)研究所，北京世紀(jì)富源公司，北京綠能公司，上海神力公司等。目前，我國(guó)已具備研制50kW以上，可用于電動(dòng)汽車(chē)的燃料電池動(dòng)力模塊的能力。

PEMFC的研究涉及到電化學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬等各個(gè)方面。目前制約PEMFC發(fā)展的問(wèn)題有很多，主要是解決催化劑的中毒問(wèn)題和提高其活性，保證電解質(zhì)膜的成型能力及機(jī)械強(qiáng)度以及密封的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)有很多單位都在對(duì)催化劑做大量的研究工作并取得了顯著成果。如華南理工大學(xué)的廖世軍采用Si-Mo酸共沉積制備催化劑，所得催化劑比E-TEK公司的催化活性要高，用他們自己制備的催化劑組裝的DMFC的電壓為0.38V，電流大約在幾十個(gè)mA.北京有色金屬研究總院的張向軍等采用浸演還原法，進(jìn)行浸演—還原—干燥的步驟，改變了C的表面官能團(tuán)從而得到了高擔(dān)載量高分散性的PVC催化劑，有效減少了催化劑用量，優(yōu)化了催化劑層的結(jié)構(gòu)，降低了催化劑的制備成本。北京交通大學(xué)的朱紅等采用原位還原法制得了PVC催化劑。

4、MCFC

美國(guó)是從事熔融碳酸鹽燃料電池最早和技術(shù)高度發(fā)展的國(guó)家之一，美國(guó)對(duì)熔融碳酸鹽電池的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)在大容量的MW級(jí)機(jī)組的開(kāi)發(fā)，從事熔融碳酸鹽燃料電池研究和開(kāi)發(fā)的主要單位為煤氣技術(shù)研究所（IGT），該所已于1987年組建了M—C動(dòng)力公司和能量研究所（ERC），這兩個(gè)單位現(xiàn)在均具有熔融碳酸鹽燃料電池電站的生產(chǎn)能力。日本從1981年開(kāi)始研究發(fā)展熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)，在完成1kW，10kW，30kW和100kW熔融碳酸鹽燃料電池系統(tǒng)的試驗(yàn)后，于1988年由23家公司成立了熔融碳酸鹽燃料電池研究協(xié)會(huì)，目的是發(fā)展1000kW的熔融碳酸鹽燃料電池分散電站。1993年，大連化物所由所長(zhǎng)基金資助10萬(wàn)元開(kāi)展了MCFC研究，1994年中科院將MCFC列為院重點(diǎn)項(xiàng)目，投資50萬(wàn)元加以支持，目前大連化物所已完成LiAlO2隔膜材料的制備，小電池設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)裝置的建立。單電池性能已達(dá)到日本20世紀(jì)80年代中期水平、正準(zhǔn)備開(kāi)展百W級(jí)MCFC裝置的研制。

研究表明，成本和壽命是影響MCFC的主要障礙，陰極溶解、陽(yáng)極蠕變、高溫腐蝕和電解質(zhì)損失是主要影響因素。因此，研制新的電極材料，改進(jìn)密封技術(shù)將是今后一段時(shí)期的研究關(guān)鍵。

燃料電池發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

5、SOFC

美國(guó)對(duì)SOFC的研究處于世界領(lǐng)先地位，2001年8月更又投資5億美元進(jìn)行SOFC的研制開(kāi)發(fā)。目前美國(guó)國(guó)內(nèi)進(jìn)行該項(xiàng)目的單位主要有西屋動(dòng)力公司，霍尼韋爾公司，Delphi自動(dòng)系統(tǒng)公司等幾家。作為日本“月光計(jì)劃”的一部分，日本國(guó)內(nèi)的三菱重工業(yè)公司在這一方面發(fā)展迅速，計(jì)劃2010年將SOFC推入實(shí)用化水平。國(guó)內(nèi)SOFC的主要研制單位有大連化物所，中科院上海硅酸鹽研究所，吉林大學(xué)，中國(guó)科技大學(xué)，中科院北京化冶所等單位。目前我國(guó)已具備了研制數(shù)kW級(jí)SOFC發(fā)電系統(tǒng)的能力。

SOFC在高溫下工作也給其帶來(lái)一系列材料、密封和結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題，如電極的燒結(jié)，電解質(zhì)與電極之間的界面化學(xué)擴(kuò)散以及熱膨脹系數(shù)不同的材料之間的匹配和雙極板材料的穩(wěn)定性等，這些也在一定程度上制約著SOFC的發(fā)展，成為其技術(shù)突破的關(guān)鍵方面。

總的來(lái)說(shuō)，美國(guó)、日本、加拿大以及一些歐洲國(guó)家介入燃料電池的研發(fā)較多，特別是美國(guó)和日本是研究投入較多的國(guó)家，開(kāi)發(fā)應(yīng)用也處于世界前列。對(duì)燃料電池的研究，我國(guó)也投入了相當(dāng)大的人力物力。在燃料電池的基本理論研究方面，我們與世界先進(jìn)國(guó)家的差距不太大，但在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料應(yīng)用，關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)方面有一定差距。

1997年，國(guó)家科委批準(zhǔn)將“燃料電池技術(shù)”列為國(guó)家“九五”計(jì)劃中重大科技攻關(guān)項(xiàng)目之一。1999年國(guó)家電力總公司成立了燃料電池課題組，并于1999年3月召開(kāi)了中國(guó)燃料電池電站技術(shù)路線研討會(huì)。在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、“863”計(jì)劃和國(guó)家科委等的支持下，國(guó)內(nèi)參與燃料電池研究的單位主要集中在中科院系統(tǒng)和大學(xué)。中科院上海硅酸鹽研究所、上海冶金研究所、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所和大連化學(xué)物理研究所，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京科技大學(xué)和華南理工大學(xué)等從事了MCFC、SOFC和PEMFC燃料電池的基礎(chǔ)性研究。中科院大連化學(xué)物理研究所對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行了詳盡的研究，并開(kāi)發(fā)出多種功率等級(jí)的PEMFC。近年來(lái)，隨著研究機(jī)構(gòu)和經(jīng)費(fèi)投入的不斷增加，我國(guó)對(duì)燃料電池催化劑的研究取得了可喜的成果，從事質(zhì)子交換膜燃料電池原材料及半成品制造的公司開(kāi)始出現(xiàn)，相信我國(guó)的燃料電池研究將出現(xiàn)一個(gè)嶄新的局面。