现代化学 文献综述

现代化学 燃料电池 文献综述

燃料电池的概况与发展

能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明，人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。现在我们赖以生存的能源体系中，80%都依靠化石燃料——煤和石油。煤和石油是不可再生资源，会很快被用尽。而且随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病：一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，这种转化受卡诺循环及材料的限制，效率很低，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声污染。

随着世界化石燃料储藏量的不断减少，地球生态环境的日益恶化，人类正面临有史以来最严重的环境危机。由于人口急剧增加，资源消耗日益扩大，人口与资源的矛盾越来越尖锐；此外，人类的物质生活随着工业化而不断改善的同时，大量排放的工业污染物及生活污染物使人类的生存环境更迅速恶化。因此，燃料电池越来越被重视。多年来人们一直在努力寻找既有较高能源利用率又不污染环境的能源利用方式，燃料电池发电技术就是其中的一种。早在内燃机问世之前，1839年英国人威廉·格罗夫（Willian Grove）就展示了世界第一台以稀硫酸为电解质，氢气和氧气为燃料的电化学电能转化装置。然而在20世纪50年代之前，由于电极过程动力学理论的落后以及内燃机这种相对简单的能量转化装置的应用，燃料电池的发展一直处于停滞状态。直到20世纪60年代，美国用燃料电池为阿波罗等宇宙飞船提供电源。在宇航工业发展的推动下，常温氢氧燃料电池技术有了长足的发展，但由于当时燃料电池系统造价昂贵，因此只应用在航天、军事等特殊场合。近年来，由于矿物资源的日趋贫乏和生态环境问题日益受到重视，为此人们迫切希望发展高效的、既可节省有限矿物资源同时又可减少CO2排放的发电技术。燃料电池发电技术正好能够满足以上要求，因此重新受到了人们的重视。燃料电池（FC）是继火力、水力和核能之后的第四种发电方式，传统的发电方式是通过燃烧过程将燃料的化学能转化为热能，再通过一系列的转换，最终转化为电能。由于热机循环受到“卡诺定律”的限制，因而转换效率很低，一般在30%～40%。再加上电厂离用户比较远，长距离输电过程中电能又会损失一部分，所以一次能源的利用效率很低。燃料电池是将储存在燃料和氧化剂的化学能通过电化学过程，直接转化为电能，同时释放出热量。因为不经过燃烧过程，因而能量转换效率不受“卡诺循环”限制，因此发电效率可达60%～80%以上，实际使用效率是内燃机的2～3倍。若充分利用余热回收，燃料电池的总效率可达85%，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。燃料电池的组成与一般电池基本相同，其单体电池是由正负两个电极（负极为燃料电极，正极为氧化剂电极）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，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机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，原则上只要反应物不断输入，

现代化学 燃料电池 文献综述

反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。氢-氧燃料电池中的化学反应是电解水的逆过程，具体电极反应为：

负极 H +2OH-→2H2O +2e

正极 0.5O +H2O +2e →2OH-

电池反应 H +0.5O2→H2O

另外，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，燃料电池才能工作。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板及其两侧配置的燃料极（阳极）、空气极（阴极）和气体流路构成，气体流路的作用是给燃料电池输送燃料气体和空气（氧化剂气体）。实用的燃料电池中因电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：

+燃料极 H2=2H +2e (1)

气极 2H++0.5O2+2e =H2O (2)

总反应 H2+0.5O2+2e =H2O (3)

在燃料极中，供给的燃料气体中的H2变为H+和自由电子；H+移动到电解质中与空

气极一侧供给的O2发生反应；自由电子经由外部的负荷回路，再返回到空气极

一侧，参与空气极一侧的反应。从反应式(3)可以看出，H2和O2生成H2O，除此以外没有其他反应，H2所具有的化学能转变成了电能。

依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。目前，以上几类燃料电池都有了很大程度的发展。燃料电池的研究现状

1。碱性燃料电池(AFC)

这种电池用35%~45% KOH为电解液，渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中，工作温度小于100℃。该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度比在酸性液中大，因此有较大的电流密度和输出功率。但氧化剂应为纯氧，电池中贵金属催化剂用量较大，而利用率不高。目前，此类燃料电池技术的发展已非常成熟，并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。国内已研制出200 W氨-空气的碱性燃料电池系统，制成了1 kW、10 kW、20 kW的碱性燃料电池，20世纪90年代后期在跟踪开发中取得了非常有价值的成果。

发展碱性燃料电池的核心技术是要避免二氧化碳对碱性电解液成分的破坏，不论是空气中百万分之几的二氧化碳成分还是烃类的重整气使用时所含有的二氧化碳，都要进行去除处理，这无疑增加了系统的总体造价。此外，电池进行电化学反应生成的水需及时排出，以维持水平衡。因此，简化排水系统和控制系统也是碱性燃料电池发展中需要解决的核心技术。

2、磷酸型燃料电池(PAFC)

这种电池采用磷酸为电解质，工作温度200℃左右。其突出优点是贵金属催化剂用量比碱性氢氧化物燃料电池大大减少，还原剂的纯度要求有较大降低，一氧化碳含量可允许达5%。该类电池一般以有机碳氢化合物为燃料，正负电极用聚四氟乙烯制成的多孔电极，电极上涂Pt作催化剂，电解质为85%的H3PO4。在100~200℃范围内性能稳定，导电性强。磷酸电池较其他燃料电池制作成本低，

现代化学 燃料电池 文献综述

已接近可供民用的程度。目前，国际上功率较大的实用燃料电池电力站均用这种燃料的电池。美国将磷酸型燃料电池列为国家级重点科研项目进行研究开发，向全世界出售200 kW级的磷酸型燃料电池，日本制造出了世界上最大的(11 MW)磷酸型燃料电池。到2002年初，美国已在全世界安装测试了200 kWPAFC发电装置235套，累计发电4 …… 此处隐藏：4765字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……