燃料电池及在大连化物所的发展

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1、燃料电池及在大连化物所的发展衣宝廉张华民明平文（中国科学院大连化学物理研究所）衣宝廉张华民明平文（中国科学院大连化学物理研究所大连116023）FuelCellsandtheActivitiesinDalianInstituteofChemicalPhysics,CASBaolianYI.HuaminZHANG.PingwenMING(DalianInstituteofChemicalPhysics,CAS,Dalian116023P.R.China)AbstractTheprinciples,types,andstatusoffuelcellareintroduce

2、dinbrief.DalianInstitueofChemicalPhysics(DICP)beganthefuelcellresearchforAlkalineFuelCell(AFC)from1960s.In9th5-yearPlan,DICPactedasaleadshipmemberinNationalKeyProject,"FuelCellTechnology".Asetoftechnologywastakenoutindependently.NowadaysDICPfocusonProtonExchangeMembraneFuelCell(PEMFC),S

3、olidOxideFuelCell(SOFC),MoltenCarbonateFuelCell(MCFC)andDirectMethanolFuelCell(DMFC).Recentlyanewcorp.namedDalianSunrisePowerCo.,Ltd.wasfoundedforthecommercializationoffuelcells,especiallyforthatofPEMFC.DICPisthemainshareholderofSunrisePowerforitsfuelcelltechnology.　　　一．原理，分类与技术现状　　1.原理

4、　　燃料电池（FC）是一种等温进行、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效（50-70%），环境友好地转化为电能的发电装置[1]。它的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧等的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。但是FC的工作方式又与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断的向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维持电池工作温度的恒定。FC本身只决定

5、输出功率的大小其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。图1为石棉膜型氢氧燃料电池单池（singlecell）的结构和工作原理图。  氢气在阳极与碱中的OH在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子：　　H2+2OHH2O+2e-0=-0.828V电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：　　O2+H2O+2e-2OH0=0.401V生成的OH通过饱浸碱液的多孔石棉膜迁移到氢电极。　　为保持电池连续工作，除需与电池消耗氢、氧气等速地供应氢、氧气外，还需连续、等速地从阳极（氢极）排出电池反应生成的水，以维持电解液碱浓度的恒定；排除电池反

6、应的废热以维持电池工作温度的恒定。　　　　图2为燃料电池单池伏安特性曲线。　　图中η0称为开路极化，即当电池无电流输出时的电池电压与可逆电势的差值，其产生原因是氧的电化学还原交换电流密度太低，从而产生混合电位。　　ηr为活化极化，它为电极上电化学反应的推动力，ηD为浓差极化，它为电极内传质过程的推动力。ηΩ为电池内阻引起的欧姆极化，它包括隔膜电阻、电极电阻与各种接触电阻，伏安曲线的直线部分的斜率由它决定，电池电流密度的工作区间就选在此段，通称这一段斜率为电池的动态内阻。　　燃料电池的效率按下式计算　　式中fT为热力学效率，即，等于0.83；fV为电压效率，为电池工作电

7、压与可逆电势（1.229）之比；fi为电流效率，对石棉膜型电池，由前所述，接近100%；fg为反应气利用效率，对采用纯氢、纯氧为燃料的电池，一般而言，fg≥98%。由图可知，当i=100mA/cm2时，电池工作电压V=0.95V，取fg=0.98，代入上式计算得f=57.5%。　　一个单池，工作电压仅0.6～1.0伏，为满足用户的需要，需将多节单池组合起来，构成一个电池组（stack）。首先依据用户对电池工作电压的需求，确定电池组单池的节数，再依据用户对电池组功率的要求，和对电池组效率及电池组重量与体积比功率的综合考虑，确定电池的工作面积。　　以燃料