燃料电池技术及应用

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1、燃料电池技术及应用引言燃料电池的发明各种燃料电池的技术燃料电池的应用引言１８５４年美国打出了世界上第一口油井，曾在数千年的人类史中闪烁着零星火光的黑色液体，终于点燃了的石油工业。仅仅一百年之后，由石油和煤支撑起的现代文明社会，已经清楚地察觉文明之下的危机：地球历经千万年乃至上亿年历史累积而成的宝藏，在这样的消耗速度下将会迅速枯竭，大气污染和酸雨等环境问题也困扰着人们。“能源革命”的呼声从２０世纪６０年代起就日渐高涨，而那正是石油消费量超过煤炭、成为新一代主体能源的时候。时至今日，世界经济大体上仍然是化石燃料依赖型的，石油、煤和天然气占世界初级能源消

2、费总量的８５％左右，剩下的部分主要是水电和核电，真正的可再生清洁能源如风能、太阳能等所占比例不到３％。世界能源需求仍在以１．５％～２％的年率增长，而地质学家预测说，石油和天然气价格将大幅度上升，再也不会回落。如果到时候还没有找到真正能够取代石油的新能源，必将出现大面积的经济恐慌，许多国家正为此不断付出政治和资金上的代价。例如美国对伊拉克的战争实际上是为了它的石油，导致萨达姆的下台。燃料电池的优点由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发

3、电效率。同时还有以下一些特点：不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率；具有很强的过负载能力；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。燃料电池的发明早在１８３９年，英国科学家威廉·格罗夫就提出了氢氧燃料电池的原理。这是一种将化学能直接转换为电能的化学系统，它的主要部件为两个电极和电解液。在正极（燃料电极），氢气在催化剂作用下被拆开成为质子（氢离子）和电子，其中氢离子通过电解液流到负极（氧气电极），而电子不能通过电解液，留在正极，这样就在两极之

4、间形成了电位差。如果接通两极，氢原子分拆出的电子就会沿电路从正极流到负极，在那里同氢离子结合后，与氧气发生反应，生成水并释放出热量。虽然称为燃料电池，其运作过程中并不会产生明火。产生电能的过程也不需要旋转式发动机等运动部件。因此燃料电池构造简单，能量利用率高，噪音小而且稳定。理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的６０～７０％转化为动能，而内燃机只能达到２０～２５％。燃料电池的种类直接甲醇燃料电池氢氧燃料电池固体氧化物燃料电池一直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池——简称DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃料，

5、通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。图为世界最小的甲醇燃料电池。直接甲醇燃料电池世界最小的甲醇燃料电池燃料电池理燃料电池日本则武公司的产品在改进后，达到了160mW/cm2的高功率密度，性能约为原来的1.5倍。据分析，之所以能达到如此高的性能，主要原

6、因在于使用了有机物和无机物的混合技术来制作电解质材料，从而大大减少了甲醇透过电解质膜的“甲醇渗透”现象，并提高了电解质膜的形状稳定性。则武公司从事燃料直接使用液态甲醇的DMFC电解质膜的开发，由于DMFC具有无需燃料改质器、可在低温下工作等优点这种燃料电池以甲醇为能量来源。这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。二氢氧燃料电池在酸性溶液中负极：H2+2H2O-2e→2H3O+（8-1）在碱性溶液中负极：H2+2OH--2e→2H2O　　　　　　　　　　　　　　（8-3）因此，无论采用酸性还是碱性电解液，氢氧燃料电池的总反应可表示

7、为：2H2+O2---H2O这一反应的实质是氢的燃烧反应，氢是一种燃料，而氧则是一种氧化剂。所以，在燃料电池中，负极上进行燃料的氧化过程，而正极上进行氧化剂的还原过程。燃料电池的负极常常又被称作“燃料电极”，它是燃料电池的主要工作电极，正极又被称作“氧化剂电极”，燃料电池中常用的氧化剂是空气中的氧。在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以

8、看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。再生氢氧燃料电池将水电解技术（电能