化学电源论文
0808030317
刘玉涛
燃料电池发展及应用
刘玉涛0808030317
摘要:介绍了燃料电池的性能特点，简述了日本、美国和中国燃料电池研究发展状况，展望了燃料电池在电站、微型电源及车辆、航天航空和海洋潜艇动力源等领域的应用前景。
关健词: 燃料电池、性能、应用前景
燃料电池是继火力发电、水力发电和核电之后的第四种发电方式，是电力能源领域的革命性成果，其显著特点是发电效率高，可长时间连续工作，无污染，无噪声，特别是质子交换膜燃料电池发电系统还具有工作温度低、无烟雾排放、伪装性能优良等特点，在军事方面有很好的应用前景。随着工业的发展和人类物质生活及精神文明的提高，能源的消耗也与日俱增。开发新能源须考虑到能源的高效使用和尽可能降低对环境的污染。燃料电池发电效率高，不产生C02等温室气体，是一种比较理想的清洁能源。目前，许多国家都在积极开发这一技术。
1燃料电池的特点
燃料电池(Fuel Cell )是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、连续地转变为电能的发电装置。由于大多数电池包括各种原电池、蓄电池和储备电池等，都只能用于短时间、小范围、低电压、小电流的局部供电，不可能发展成发电设备;而燃料电池却展现特殊的发展前景，其燃料和氧化剂分别储存在电极之外，使用时只要连续不断地将燃料和氧化剂分别供给燃料电极和氧化剂电极，它就可以不断工作，将化学能转变为电能。用作，将化学能转变为电能。用作燃料电池的燃料主要有氢、甲醇、联氨、甲醛、煤气、丙烷和碳氢化合物等，用作氧化剂的有氧、空气以及氯溴等卤族元素。
燃料电池由阳极、阴极、电解质和外部电路等组成。它的主要优点是:1)不受“卡诺循环”的限制，其能量转换效率高达60%一80%; 2)洁净，无污染，噪音低，隐蔽性强; 3)模块结构，适应不同功率要求，灵活机动; 4)比功率大，比能量高，对负载的适应性能好;5)可实现热、电、纯水联产。
燃料电池的分类，按工作温度可分低温型(低于120摄氏度)、中温型(120一260摄氏度)、高温型( 260-750摄氏度)及超高温型(750一1200摄氏度);按燃料来源分为直接型和间接型;按使用电解质的不同，可分为碱燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC) ,磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸型燃料电池。
2燃料电池的种类
2. 1质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells-PEMFC)
该电池的电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂(如白金)，其两侧分别供应氢气及氧气。由于PEM燃料电池的唯一液体是水，因此腐蚀问题很小，且操作温度介于80℃一100℃之间，安全上的顾虑较低;其缺点是，作为催化剂的白金价格昂贵。PEMFC是轻型汽车和家庭应用的理想电力能源，它可以替代充电电池。
2. 2碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cells-AFC)
碱性燃料电池的设i卜y质子交换膜燃料电池的设公基本相似，但其电解质为稳定的氢氧化钾基质、操作时所需温度并不高，转换效率好，可使用的催化剂种类多且价格便宜，例如银、镍等。但是，在最近各国燃料电池开发中，却无法成为主要开发对象，其原因在于电解质必须是液态，燃料也必须是高纯度的氢才可以了目前，这种电池对于商业化应用来说过于昂贵，其主要为空间研究服务，包括为航天飞机提供动力和饮用水。
2. 3磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cel ls-PAFC )
因其使用的电解质为100%浓度的磷酸而得名操作温度大约在150 - 220℃之间，因温度高所以废热可回收再利用。其催化剂为白金，因此，同样面临自金价格昂贵的问题〔到目前为止，该燃料电池大都使用在大型发电机组上，而且已商业化生产，但是，成本偏高是其未能迅速普及的主要原因
2. 4熔融碳酸盐燃料电池(( Molten Carbonate Fuel Cells-MCF'C)
其电解质为碳酸铿或碳酸钾等碱性碳酸盐几在电极方面，无论是燃料电极还是空气电极，都使用具有透气性的多孔质镍操作温度约为600-700℃，因温度相当高，致使在常温下呈现白色固体状的碳酸盐熔解为透明液体，此燃料电池，不需要贵金属当催化剂,因为操作温度高，废热可回收再利用，适用于中央集中型发电厂，目前在日本和意大利已有应用。
2. 5固态氧化物燃料电池(Solid Oxide FuPI Cell-SOF)
其电解质为氧化锆，因含有少量的氧化钙与氧化忆，稳定度较高，不需要催
化剂。一般而言，此种燃料电池操作温度约为1000℃，废热可回收再利用。液态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性，由于使用固态的电解质，这种电池比熔融碳酸盐燃料电池更稳定.其效率约为60%左右，可供用来发电和取暖，同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。缺点是构建该型电池的耐高温材料价格昂贵。
2. 6直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cells-DMFC)
直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，然后如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢再与氧反应。这种电池的工作温度为120℃,比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约在40%左右其使用的技术仍处于研发阶段，但已成功地显示出可以用作移动电话和笔记本电脑的电源，其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。
2. 7再生型燃料电池(Regenerative Fuel Cells- RFC)
再生型燃料电池的概念相对较新，但全球已有许多研究小组正在从事这方面的工作。这种电池构建了一个封闭的系统，不需要外部生成氢，而是将燃料电池中生成的水送回到以太阳能为动力的电解池中分解成氢和氧，然后将其送回到燃料电池目前，这种电池的商业化开发仍有许多问题尚待解决，例如成本，太阳能利用的稳定性等。美国航空航天局(NASA)正在致力于这种电池的研究。
2. 8锌空燃料电池(Zin air Fuel Cells-ZAFC)
利用锌和空气在电解质中的化学反应产生电，锌空燃料电池的最大好处是能量高。与其他燃料电池相比，同样的重量，锌空电池可以运行更长的时间。另外，地球上丰富的锌资源使锌空电池的原材料很便宜它可用于电动汽车、消费电子和军事领域，前景广阔目前Metallic Power和PowerZinc公司正在致力于锌空燃料电池的研究和商业化。
2. 9质子陶瓷燃料电池(f'rotonic Ceramic Fuel Cells-PCFC)
这种新型燃料电池的机理是:在高温下陶瓷电解材料具有很高的质子导电率。ProtonetiesInternational Inc.正在致力于这种电池的研究。
3燃料电池的发展状况
20世纪90年代初，国外燃料电池发展迅速。日本燃料电池的发展基本上由政府计划导向，他们计划2005年之前，开发燃料电池的关键技术，并进行可行性试验,2010年普及燃料电池。日本1981年开始进行PAFC基础研究。目前研究
