鉅大LARGE | 點擊量：3094次 | 2018年07月27日
燃料電池的應用和發(fā)展現(xiàn)狀
1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，在結構上都具有電解質(zhì)，電極和正負極連接端子。二者的不同之處在于，燃料電池不是一個儲存電能的裝置，實際上是一種發(fā)電裝置，它所需的化學燃料也不儲存于電池內(nèi)部，而是從外部供應。在燃料電池中，反應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)，那么反應產(chǎn)物可同時連續(xù)不斷地從電池排出，同時相應連續(xù)不斷地輸出電能和熱能，這便利了燃料的補充，從而電池可以長時間甚至不間斷地工作。人們之所以稱它為燃料電池，只是由于在結構形式上與電池有某種類似：外特性像電池，隨負荷的增加，它的輸出電壓下降[4]。
燃料電池實際上是一個化學反應器[5]，它把燃料同氧化劑反應的化學能直接轉化為電能。它沒有傳統(tǒng)發(fā)電裝置上的原動機驅動發(fā)電裝置，也沒有直接的燃燒過程。燃料和氧化劑從外部不斷輸入，它就能不斷地輸出電能。它的反應物通常是氫和氧等燃料，它的副產(chǎn)品一般是無害的水和二氧化碳。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及反應產(chǎn)物排放等子系統(tǒng)與電池堆一起構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氫化合物，氧化劑通常使用純氧或空氣。它的基本原理相當于電解反應的逆向反應，即水的合成反應。燃料及氧化劑在電池的陰極和陽極上借助催化劑的作用，電離成離子，由于離子能夠通過二電極中間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓。當電極同外部負載構成回路時，就可向外供電(發(fā)電)。圖1是燃料電池的工作原理圖[6]。
2燃料電池的發(fā)展簡史、分類及各自特性
1839年，WilliamGrove提出了氫和氧反應可以發(fā)電的原理，并發(fā)明了第一個燃料電池。他把封有鉑電極的玻璃管浸入稀硫酸中，電解產(chǎn)生氫和氧，連接外部裝置，氫和氧就發(fā)生電池反應，產(chǎn)生電流。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
1896年，W.W.Jacques提出了用煤作為燃料電池的燃料，但由于無法解決環(huán)境污染的問題，沒有取得滿意的效果。
1897年，W.Nernst用氧化釔和氧化鋯的混合物作為電解質(zhì)，制作成了固體氧化物燃料電池。
1900年，E.Baur研究小組發(fā)明了熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)。此后，I.Taitelbaum等人就此進行了一些拓展性的研究。
1902年，J.H.Reid等人先后開始研究堿質(zhì)型燃料電池(AFC)。
1906年，F(xiàn).Haber等人用一個兩面覆蓋鉑或金的玻璃圓片作為電解質(zhì)，與供氣的管子相連，做出了固體聚合物燃料電池(SPFC)的雛形。
1952年，英國學者F.T.Bacon在借鑒前人研究經(jīng)驗的基礎上研制出具有實用性的培根電池并獲得專利。它的研制思路是避免采用貴金屬并設法獲得盡可能高的輸出功率。采用雙層孔徑燒結鎳做電極，氫氧化鉀水溶液做電解質(zhì)，以純氫和純氧為燃料及氧化劑。副產(chǎn)物是純水。培根電池是燃料電池由實驗走向實用具有里程碑性質(zhì)的燃料電池[7]。
20世紀60年代以來，燃料電池進入了廣泛的實用性開發(fā)階段。按所使用的電解質(zhì)的不同，燃料電池通?？梢苑譃橐韵聨追N[8]：
2.1堿性燃料電池(alkalinefuelcell簡稱AFC)
這種電池是以氫氧化鉀或氫氧化鈉等堿性溶液為電解質(zhì)，電解液滲透于多孔而惰性的基質(zhì)隔膜材料中，導電離子為OH-，使用的電催化劑主要是貴金屬(如鉑、鈀、金、銀等)和過渡金屬(如鎳、鈷、錳等)或者由它們組成的合金。電池的工作溫度一般在60℃～90℃范圍。它設計簡單，但不耐CO2，所以原則上它必須采用純氫和純氧做為燃料。
2.2磷酸鹽燃料電池(phosphoricacidfuelcell簡稱PAFC)
這種電池一般以Pt/C為電極基材，電解質(zhì)為吸附于SiC上的85%的磷酸溶液，工作溫度范圍在150℃～200℃，其主要優(yōu)點是產(chǎn)生熱量高，產(chǎn)生CO的量少。缺點是電導率較低且有漏液問題。
2.3質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell簡稱PEMFC)
這種電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì)，無電解質(zhì)腐蝕問題，能量轉換效率高，無污染，室溫下快速啟動。
2.4熔融碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell簡稱MCFC)
該型電池采用多孔Ni/Al/Cr作陽極，NiO為陰極，Li2CO3/Na2CO3為電解質(zhì)，并加入LiAlO2做穩(wěn)定劑。MCFC型燃料電池由于反應溫度高，正常工作溫度在650℃左右，電解質(zhì)成熔融態(tài)，電荷移動很快，在陰陽電極處電化學反應快，因此可不用昂貴的貴金屬作催化劑；對燃料適應廣，可直接使用天然氣或煤氣作為燃料使用，降低了投資；可同汽輪發(fā)電機組組成聯(lián)合循環(huán)，進一步提高發(fā)電效率。其優(yōu)點是高效，耐CO.主要缺點是啟動時間長。
2.5固體氧化物燃料電池(solidoxidefuelcell簡稱SOFC)
固體氧化物燃料電池，又稱高溫燃料電池，電解質(zhì)采用ZrO2+Y2O3，陽極為Ni+ZrO2(Y2O3)，陰極為La/SrMnO3。電解質(zhì)允許氧離子自由通過，而不允許氫離子和電子通過。其電子導電性很差，低溫時比電阻很大，因此，工作溫度要維持在800～1000℃才能有較高的發(fā)電效率。從而要求采用高溫密封材料。其優(yōu)點是高效，耐CO，可以不用貴金屬催化劑。缺點是啟動時間長，工作溫度高，帶來材料耐高溫，耐腐蝕問題。
還有一種分類方法是按電池工作溫度對電池進行分類[9]，可分為：低溫燃料電池(工作溫度一般低于100℃)，它包括堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池；中溫燃料電池(工作溫度一般在100℃～300℃)，它包括培根型堿性燃料電池和磷酸型燃料電池；高溫燃料電池(工作溫度在600℃～1000℃)，它包括熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。表1是各種類型燃料電池的結構特性[10-13]。
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