燃料電池材料及其儲能技術姓名：李浩杰學號：姓名：李浩杰學號：2014050101018摘要：出于對環(huán)境友好、高轉換效率、高功率、高能量密度的能源技術的需求，世界各國紛紛開展對于性能優(yōu)良的燃料電池的研究。其研究重點主要集中在四個方面：電解質膜、電極、燃料、系統(tǒng)結構。其中又以前三個為熱點。目前，由于在燃料大規(guī)模制備上的困難以及其在工作時需要的一些昂貴的貴金屬，燃料電池大規(guī)模商業(yè)應用受到一定限制。關鍵字：燃料電池、電解質膜、儲能一、燃料電池原理燃料電池是一種使用燃料進行化學反應產生電能的裝置。所用的燃料主要包括氫氣、甲醇、乙醇、天然氣、汽油以及一些含氫有機物。氫氣可以直接作為燃料電池的燃料，其他氣體一般需要處理為含氫氣的重整氣。由于其燃料來源廣泛，發(fā)電后產生純水和熱，能量轉換效率高達80%~90%，對環(huán)境無污染，所以廣泛受到各國科學家的關注，被認為是繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式。0!vO2011OHHOHH嚴山燃料電池是一種使用燃料進行化學反應產生電能的裝置。所用的燃料主要包括氫氣、甲醇、乙醇、天然氣、汽油以及一些含氫有機物。氫氣可以直接作為燃料電池的燃料，其他氣體一般需要處理為含氫氣的重整氣。由于其燃料來源廣泛，發(fā)電后產生純水和熱，能量轉換效率高達80%~90%，對環(huán)境無污染，所以廣泛受到各國科學家的關注，被認為是繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式。0!vO2011OHHOHH嚴山U—-■氫電極■-r0：\?氧電極二屜浸KOH的石棉膜燃料電池的工作原理圖如上所示。在陽極，氫氣與堿中氫氧根的在電催化劑的作用下，發(fā)生氧化反應生成水和電子：Hi+2OH--^HiO+2e-牡=-0.828V電子通過外電路到達陰極，在陰極電催化劑的作用下，參與氧的還原反應：+□：+H:0+2e >2011 ^=0.401V生成的氫氧根通過多孔石棉膜遷移到氫電極。為保持電池連續(xù)工作，除需與電池消耗氫氣、氧氣等速地供應氫氣和氧氣外，還需連續(xù)、等速地從陽極（氫電極）排出電池反應生成的水，以維持電解液濃度的恒定；排除電池反應的廢熱以維持電池工作溫度的恒定。容易看出，與其他電池相比，燃料電池內部并不儲能，它只是高效地將從外部源源不斷通入的燃料轉換成電能，所以，它更像是一個微型的發(fā)電站。二、燃料電池發(fā)展歷程1、國外1839年，格羅夫發(fā)表世界上第一篇關于燃料電池的報告。初期的燃料電池使用氣體為氧化劑和燃料，但因為氣體在電解質溶液中溶解度很小，導致電池的工作電流密度極低。后來，多孔氣體擴散電極和電化學反應三相界面概念的提出以及實際材料的突破，使燃料電池具備了走向實用化的必備條件。60年代，由于載人航天器對于大功率、高比功率與高比能量電池的迫切需求，燃料電池開始引起一些國家與軍工部門的高度重視。其典型成果為阿波羅登月飛船上的主電源—培根型中溫氫氧燃料電池。70~80年代，由于出現(xiàn)世界性的能源危機和燃料電池在航天上成功應用及其高的能量轉化效率，促使世界上以美國為首的發(fā)達國家大力支持民用燃料電池的開發(fā)，進而使磷酸型及熔融碳酸鹽型燃料電池發(fā)展到兆瓦級試驗電站的階段。20世紀90年代以來，出于可持續(xù)發(fā)展、保護地球、造福子孫后代等目的，基于質子交換膜的燃料電池開始高度發(fā)展。特別是在電動車行業(yè)，世界上所有的大汽車公司與石油公司均已介入燃料電池汽車的開發(fā)?？偟膩碚f，燃料電池主要經歷了經歷了第1代堿性燃料電池（AFC）,第2代磷酸燃料電池（PAFC）,第3代熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC丿后，在20世紀80年代迅速發(fā)展起了新型固體氧化物燃料電池（SOFC）。2、國內中國燃料電池的研究始于1958年。1970年前后,開始了燃料電池產品開發(fā)工作并在70年代形成了燃料電池產品的研制高潮。主要開發(fā)項目是由國家投資的航天用堿性氫氧燃料電池,該產品的研制目標是為了配合中國航天技術發(fā)展計劃的一個項目。到70年代末,由于總體計劃的變更而中止。但與該項計劃實施的同時,一些由地方政府投資與使用部門合作的應用堿性燃料電池項目也進行了開發(fā)，只是尚未形成應用。80年代初、中期,中國燃料電池的研究及開發(fā)工作處于低潮。進入90年代以來,在國外先進國家燃料電池技術取得巨大進展,一些產品已進入準商品化階段的形勢影響下,中國又一次掀起了燃料電池研究開發(fā)熱潮。三、幾種燃料電池簡介1、分類（1） 按燃料電池的運行機理可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。（2） 按電解質的種類不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等。在燃料電池中，磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池可以冷起動和快起動，可以作為移動電源，滿足特殊情況的使用要求，更加具有競爭力。（3） 按燃料類型分，有氫氣、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然氣等氣體燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有機液體燃料。有機液體燃料和氣體燃料必須經過重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。（4丿按燃料電池工作溫度分，有低溫型，工作溫度低于200T；中溫型，工作溫度為

200?750°C；高溫型，工作溫度高于750°C。懣型電解盛導電離弓1*燃料M刑可隴的臉川浪或鹹性KGII0H-5^-2(X3匯純亂胡度就書取骯天.特雉抱面應川頂子交換腔全阪確醸膜H_室ifl-咂%:包氣，巫密氣空氣閒度克膽，業(yè)動汽車，潛想椎勢再功功力源WiftIIP6U*100-200化空弋商度發(fā)聯(lián)用肚高,條熱利II.沖直低特殊需求，代域供電碳醜鹽(LUKKlOjco/&50-7001訕化煤％;天悠氣：貳整気空弋正在辿疔理場實X或供電的知化時tF-WWJ■-]WUOX沏化煤“：空r咆池估利址岸.F扯嵐價制備扯不區(qū)燉供電,欣臺菊環(huán)扯豈上圖為幾種常見燃料電池各種性能，應用環(huán)境的簡單對比，現(xiàn)主要以電解質分類形式介紹幾種常見的燃料電池。2、質子交換膜燃料電池質子交換膜燃料電池是最接近商業(yè)化的一種燃料電池，最有希望作為未來電動汽車的發(fā)動機。在各種燃料電池中，它的工作溫度是最低的，也是目前發(fā)展規(guī)模最大的一種。(珈Djifhi即洞lLfiycrE3i|k山npl；H卍思山帥皿甌址制 /i'LM5LU（ojireAnsfcetDipolnrplnlsLa_y凹上圖為典型的單結質子交換膜燃料電池結構。由質子交換膜、催化層、氣體擴散層、密封圈、雙極板等關鍵部件組成。通常以全氟磺酸型質子交換膜為電解質膜，用Pt/C或者PtRu/C作為催化劑。以陰陽極催化劑層和電解質膜所組成的三合一組件統(tǒng)稱為膜電極，是它的核心部件。實際應用的燃料電池電站是一個很復雜的系統(tǒng)，它包括燃料供應、氧化劑供應、電池反應、水熱管理等多個子系統(tǒng)。它的工作原理是是氫氣和氧化劑分別由燃料電池的陽極和陰極流道進入電池內部，經過氣體擴散層后到達電極催化層。陽極側的氫氣在催化劑的作用下，解離成氫離子和電子，氫離子穿過質子交換膜到達陰極側，電子則經過外電路形成電流后到達陰極；在陰極催化劑的作用下，氧氣接受質子和電子生成水分子，在整個過程中，外電路的電子流動形成電流。目前限制質子交換膜燃料電池進入商業(yè)化的最主要原因是成本和壽命兩大問題，尋找和開發(fā)新型材料成為解決這兩大問題、推進商業(yè)化進程的必然選擇，也是質子交換膜燃料電池近些年來的研究重點和熱點。3、熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池］MCFC丿在高溫下工作（約650°C）,可以利用排氣余熱和燃氣輪機混合發(fā)電，發(fā)電效率通常高達50%以上，,可用多種燃料（如天然氣和煤），不需要用鉑等貴重金屬作為催化劑，有望應用到中心電站，工業(yè)化或商業(yè)化聯(lián)合發(fā)電，是目前燃料電池研

究的主流之一，"X.氫優(yōu)刊流,Y/ 刁究的主流之一，"X.氫優(yōu)刊流,Y/ 刁"増外流隔喪PT-IHuiulIl電畔貞tics：miiylc陰梅calhudc上圖為平板式熔融碳酸鹽燃料電池單體結構示意。它由電極-電解質、燃料流通道、氧化劑流通道和上下隔板組成。目前,MCFC的主要技術問題已經基本解決。美國、日本等正在進行十萬瓦和兆瓦級的實用演示試驗,預計距商業(yè)化為期不遠。4、固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池是20世紀八九十年代燃料電池研究的成果，該燃料電池具有諸多優(yōu)點。比如避免了使用液態(tài)電解質所帶來的腐蝕和電解質流失等問題，反應迅速，無須貴金屬催化劑，能量利用率高達80%以上，燃料廣泛，可以承受較高濃度的硫化物和CO的毒害,因此對電極的要求大大降低?；诖耍壳笆澜绺鲊荚诜e極投入SOFC技術的研發(fā)。eAir2CO+2O3'^2CO3+4e因此對電極的要求大大降低。基于此，目前世界各國都在積極投入SOFC技術的研發(fā)。eAir2CO+2O3'^2CO3+4eFuelelectrode01Airdedrode。汁空—erI3'SolidelectiolTte上圖為固體氧化物燃料電池的工作原理圖。它主要由陰極、陽極、電解質和連接材料組成。在陽極和陰極分別送入還原、氧化氣體后，氧氣在多孔的陰極上發(fā)生還原反應，生成氧負離子。氧負離子在電解質中通過氧離子空位和氧離子之間的換位躍遷達到陽極，然后與燃料反應，生成水和二氧化碳，因而形成了帶電離子的定向流動。四、燃料電池的應用1、航天領域早在上個世紀60年代，燃料電池就成功地應用于航天技術，這種輕質、高效的動力源一直是美國航天技術的首選。比如，以燃料電池為動力的Gemini宇宙飛船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了8天的飛行。后來在Apollo宇宙飛船采用了堿性電解質燃料電池，從此開啟了燃料電池航天應用的新紀元。中國科學院大連化學物理研究所早在70年代就成功研制了以航天應用為背景的堿性燃料電池系統(tǒng)。A型額定功率為500W，B型額定功率為300W，燃料分別采用氫氣和肼在線分解氫，整個系統(tǒng)均經過環(huán)境模擬實驗，接近實際應用。這一航天用燃料電池研制成果為我國此后燃料電池在航天領域應用奠定了一定的技術基礎。2、潛艇燃料電池作為潛艇AIP動力源，從2002年第一艘燃料電池AIP潛艇下水至今已經有6艘在役。FC-AIP潛艇具有續(xù)航時間長、安靜、隱蔽性好等優(yōu)點，通常柴油機驅動的潛艇水下一次潛航時間僅為2天，而FC-AIP潛艇一次潛航時間可達3周。3、電動汽車隨著汽車保有量的增加，傳統(tǒng)燃油內燃機汽車造成的環(huán)境污染日益加劇，同時，也面臨著對石油的依存度日益增加的嚴重問題．燃料電池