详解燃料电池的工作原理及燃料电池发展历程

燃料电池的工作原理

 

 

 

人们常用的普通电池有碱性干电池、铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池等。燃料电池和普通电池相比，既有相似，又有很大的差异。它们有着相似的发电原理，在结构上都具有电解质，电极和正负极连接端子。二者的不同之处在于，燃料电池不是一个储存电能的装置，实际上是一种发电装置，它所需的化学燃料也不储存于电池内部，而是从外部供应。在燃料电池中，反应物燃料及氧化剂可以源源不断地供给电极，只要使电极在电解质中处于分隔状态，那么反应产物可同时连续不断地从电池排出，同时相应连续不断地输出电能和热能，这便利了燃料的补充，从而电池可以长时间甚至不间断地工作。人们之所以称它为燃料电池，只是由于在结构形式上与电池有某种类似：外特性像电池，随负荷的增加，它的输出电压下降。

 

 

 

燃料电池实际上是一个化学反应器，它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置，也没有直接的燃烧过程。燃料和氧化剂从外部不断输入，它就能不断地输出电能。它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。燃料电池的工作不只靠电池本身，还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整的燃料电池系统。燃料电池可以使用多种燃料，包括氢气、碳、一氧化碳以及比较轻的碳氢化合物，氧化剂通常使用纯氧或空气。它的基本原理相当于电解反应的逆向反应，即水的合成反应。燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用，电离成离子，由于离子能够通过二电极中间的电解质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压。当电极同外部负载构成回路时，就可向外供电（发电）。图1是燃料电池的工作原理图。

 

 

 

燃料电池发展历程及研究现状

 

 

 

燃料电池发展历程

 

 

 

1、139年，英国科学家Grove首先介绍了燃料电池的原理性实。

 

 

 

燃料电池发展历程及研究现状

 

 

 

2、1889年，L.Mond和C.Langer以铂黑为电催化剂，以钻孔的铂为电流收集器组装出燃料电池，当工作电流密度为3.5mA/cm-2时电池的输出电压为0.73V.O这个研究已经很接近现代的燃料电池了。

 

 

 

燃料电池发展历程及研究现状

 

 

 

3、20世纪60年代，燃料电池首次应用在美国航空航天管理局（NASA）的阿波罗登月飞船上作为辅助电源，为人类登月球做出了积极贡献。

 

 

 

燃料电池发展历程及研究现状

 

 

 

4、1959培根制造出能够工作的燃料电池，也就是一部燃料电池的5kW的焊接机。同年，\Allis-Chalmers公司也推出了第部以燃料电池为动力的农用拖拉机。

 

 

 

5、1973研究重点从航天转向地面发电装置，磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐电池（MCFC）以及直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料的固体氧化物燃料电池（SOFC）作为电站或分散式电站相继问世。

 

 

 

1973年发生石油危机后，世界各国普遍认识到能源的重要性人们研究了以净化重整气为燃料的磷酸型燃料电池（PAFC，称为第一代燃料电池）以净化煤气、天然气为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，称为第二代燃料电池）还有固体氧化物电解质燃料电池（SOFC，称为第三代燃料电池）。

 

 

 

燃料电池发展历程及研究现状

 

 

 

1993年，加拿大Ballard电力公司展示了一辆零排放、最高时速为72km/h、以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为动力的公交车［2］，引发了全球性燃料电池电动车的研究开发热潮。

 

 

 

6、目前在PEMFC向商业化迈进的过程中，氢源问题异常突出，氢供应设施建设投资巨大，氢的贮存与运输技术以及氢的制备技术等还远落后于PEMFC自身的发展，20世纪末，以醇类直接为燃料的燃料电池成为了研究与开发的热点，受到了世界各国的广泛重视，并取得了长足的进展。

 

 

 

燃料电池的研究现状

 

 

 

1、AFC

 

 

 

在已开发的燃料电池中碱性燃料电池是最早获得实际应用的。美国的阿波罗登月飞船和航天飞机等轨道飞行器都采用这类燃料电池作为搭载电源，实际飞行结果表明电池系统具有很高的可靠性。20世纪80年代中期以后，随着一些新材料的应用及工艺的不断改进，碱性氢氧燃料电池的性能得到完善，比如工作温度、工作压力、电流密度提高，比质量（单位功率的质量）显著减小等。

 

 

 

碱性氢氧燃料电池除成功应用于空间技术外，也进行了其他用途的开发。美国UTC公司曾试制过60kW、80kW的深水探查船用电源及30kW深海潜水救助艇用的电源，德国西门子公司曾试制过100kW的潜水艇动力电源，但都在样机试用以后终止开发，未投入正式使用。比利时Elenco公司及美国UCC公司也都进行过将碱性氢空气燃料电池用于电动车动力电源的开发，日本的富士电机公司曾在月光计划资助下开发过kW级的应急用碱性燃料电池。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200W氨一空气的碱性燃料电池系统，制成了1kW，10kW，20kW的碱性燃料电池。

 

 

 

碱性燃料电池在地面应用的最大缺点是对燃料纯度要求太高而且不能使用含C、CO2及CO的燃料气，使用空气也必须脱除空气中的CO2，从而限制了这类电池在地面上的应用。

 

 

 

1=燃料电池发展历程及研究现状

 

 

 

2、PAFC

 

 

 

该型电池技术成熟，目前这类电池在城市发电，供气及其他工业项目上广为试用。如在宾馆、医院、办公楼、工厂等地方用PAFC来进行辅助供电、供热。还有一种采用生物气体的PAFC体系已被开发出来，而在废弃物质的处理方面，含有甲烷的沼气或其他有机气体已经被利用。大规模利用生物沼气的PAFC可望在将来应用于垃圾回收领域，解决一大社会难题。

 

 

 

美国是最早发展PAFC电站技术的国家，而日本是PAFC电站技术发展最快的国家，PAFC在日本已进入产业化阶段。日本是开发燃料电池积极而热情的国家，近年来成果尤为显著，特别是在PAFC商业化方面已与美国并驾齐驱。目前，日本的制造商在电力公司，煤气公司的通力合作之下，已经可以生产50kW，100kW，200kW，1000kW，5000kW，11MW等各种规格的PAFC电站。英国、德国、荷兰、比利时、意大利、丹麦、瑞典、芬兰等9个国家22家公司于1989年9月11日成立的欧洲燃料电源集团（EFCG）也与美国和日本的公司在这一领域展开竞争。事实上，到目前为止，美日两国的公司已经销售了数以百计的磷酸型燃料电池，正在试验的则为数更多，可以说，PAFC的基础研究工作已经结束。商品化阶段已经开始，正在向工业化迈进。

 

 

 

3、PEMFC

 

 

 

质子交换膜燃料电池以氟磺酸型或非氟磺酸型质子交换膜为固体电解质，能量转换效率高，无污染，可在室温下快速启动，特别适合用做动力电源。美国通用电器公司在20世纪60年代就将PEMFC电池用于双子星座航天飞机。

 

 

 

它又是电动车的最佳驱动电源，受到美国、德国、加拿大和日本等发达国家政府及国际汽车业巨头如德国奔驰公司和美国通用汽车公司等企业的支持，发展势头非常强劲。1993年，加拿大Ballard公司研制出世界上第一辆燃料电池公共汽车。1999年，美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司分别研制出质子交换膜燃料电池电动汽车。汽车工业的介入是推动PEMFC快速发展的最主要的动力。