燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀分析綜述1.1燃料電池的背景及發(fā)展在人類發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，燃料電池在十九世紀(jì)四十年代才開始出現(xiàn)，肖恩本在偶然做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)燃料有電化學(xué)反應(yīng)，他現(xiàn)在一個(gè)電極上通入氫氣燃料，而在另一個(gè)電極通入氧氣，居然在兩個(gè)電極分別發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩極的閉合回路中產(chǎn)生電流，于是提出了燃料電池的反應(yīng)理論，這是開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的時(shí)代。然而在學(xué)術(shù)界認(rèn)為第一個(gè)燃料電池裝置是由英國(guó)人格羅夫在十九世紀(jì)三十年代末期發(fā)明的。然而并沒有因燃料電池這一名詞的出現(xiàn)而深入研究并廣泛應(yīng)用。在后來的研究者中英國(guó)人格羅夫，孟德在格羅夫的基礎(chǔ)上進(jìn)一步又發(fā)明了一種新的氣體電池，但這并不完美，這裝置仍需進(jìn)一步完善。實(shí)驗(yàn)中會(huì)生成一氧化碳，而一氧化碳會(huì)使鉑催化劑失效的問題。，降低了實(shí)驗(yàn)的效率。隨著人類在研究燃料電池中投入的力度越來越大，這種新型的發(fā)電技術(shù)也越來越趨于成熟化。在進(jìn)入二十世紀(jì)六十年代，美國(guó)的通用電氣公司（GE）與美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）合作研發(fā)出了第一個(gè)可實(shí)際應(yīng)用的燃料電池堆，將其應(yīng)用于發(fā)展太空技術(shù)的航天器的電力來源。在一九六五年燃料電池技術(shù)首次應(yīng)用于美國(guó)的航天器-雙子星五號(hào)上，由于有了這樣的成功案例，很多國(guó)家效仿在航空航天領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了重要作用，很多學(xué)者考慮將燃料電池運(yùn)用于其他的方面，例如精密儀器以及高科技含量的設(shè)備。1.2燃料電池的簡(jiǎn)介及分類燃料電池是一般時(shí)是以氫氣和甲烷、丙烷等作為燃料，燃料電池的工作原理是將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。區(qū)別于以前的傳統(tǒng)電能裝置在于過程中不需要進(jìn)行燃燒，這樣可以避免了反應(yīng)中的卡諾循環(huán)損失，大大提高了轉(zhuǎn)化效率，最大可高達(dá)百分之八十。燃料電池的類型包括以下：分為氫氧燃料電池和有機(jī)化合物燃料電池；其中氫氧燃料電池依據(jù)電解質(zhì)性質(zhì)又可分為不同又分為：酸性、堿性、熔融鹽燃料電池三類；依據(jù)溫度的不同又將燃料電池分為：低中溫和高溫型燃料電池。依據(jù)又將燃料電池中的電解質(zhì)和工作原理的不同：可將其分為固體氧化物燃料電池（SOFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）和熔融碳酸燃料電池（MCFC）。這五種燃料電池的比較如圖1.1所示。通過我們的了解可知：現(xiàn)階段運(yùn)用技術(shù)上最穩(wěn)定電池是堿性燃料電池（AFC），堿性燃料電池主要用于航空設(shè)備；其中磷酸燃料電池（PAFC）的商業(yè)化應(yīng)用程度是以上燃料電池中最高，但弊端在于造價(jià)高和工作時(shí)需要鉑催化劑的催化（但可能會(huì)產(chǎn)生一氧化碳使鉑催化劑中毒）；熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）發(fā)展相對(duì)于其他的發(fā)展比較成熟，然而質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用化比較低，又受到電解質(zhì)膜成本過高的制約。最主要的與其他的燃料電池相比，固體氧化物燃料電池（SOFC）具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，主要是由于S固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料相對(duì)易獲得，并且價(jià)格不貴，再比其他類型的燃料相比，固體氧化物電池制造和維護(hù)的成本價(jià)格低廉、壽命長(zhǎng)、無電極毒化、噪音小。依據(jù)燃料電池中電解質(zhì)材料類型的劃分將燃料電池分為五種類型燃料電池的比較：堿性燃料電池(AFC)電解液的導(dǎo)電離子是氫氧根離子，故水溶液呈現(xiàn)堿性水，電解質(zhì)一般是NaOH和KOH水溶液。氫氧根離子導(dǎo)電性好，在設(shè)備中極化現(xiàn)象明顯小，故應(yīng)主要用于航空設(shè)備即使在常溫下也能正常工作。但弊端問題是堿性水溶液的腐蝕性較強(qiáng)，故對(duì)其材料的要求比較高。啟動(dòng)的時(shí)間相對(duì)來說比較短。二氧化碳會(huì)與堿性電解液發(fā)生反應(yīng)生成鹽，這類因此燃料電池要求原料氣和助燃?xì)庵胁荒芎卸趸迹瑢?duì)裝置的密封性要求也比較高。磷酸型燃料電池(PAFC)電解液的導(dǎo)電離子是磷酸根離子。水溶液呈現(xiàn)酸性，同樣采用酸性電解液可克服氣體中二氧化碳生成鹽化學(xué)反應(yīng)，降低了對(duì)原料氣、助燃?xì)饧兌鹊囊螅沟闷胀ǖ目諝饩涂梢杂脕碜鳛橹細(xì)怏w。但弊端問題是酸的腐蝕性很強(qiáng)，因此對(duì)電池中電極材料、電池材料都提出了更高的耐腐蝕要求。磷酸根離子在常溫下的解離度較小，但隨著溫度升高會(huì)使其解離度而提高其導(dǎo)電性能。這類燃料電池的操作溫度一般要求比較高。三、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)采用熔融的碳酸鹽是以碳酸根離子作為導(dǎo)電離子，電解液中沒有水。MCFC燃料電池用一氧化碳作為原料氣，這樣導(dǎo)致以固態(tài)煤作為原料，將煤進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)化成煤氣，然后輸人到MCFC中發(fā)電。這對(duì)于煤炭資源豐富的國(guó)家來說，MCFC是一種高效利用價(jià)值的發(fā)電方式。MCFC操作溫度在600°C~750"C范圍內(nèi)。溫度高有利于提高電化學(xué)反應(yīng)的活性，，大大提高了化學(xué)反應(yīng)效率，也同樣降低了對(duì)催化劑的要求，可以使用非貴金屬材料作為催化劑。但高溫下的液態(tài)電解質(zhì)對(duì)電極材料有嚴(yán)重腐蝕。四、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）質(zhì)子交換膜作為燃料電池導(dǎo)電離子是氫離子。PEMFC是最新開發(fā)成熟的能量密度最高的一種燃料電，被稱為第五代燃料電池。其膜其質(zhì)子導(dǎo)電性較好，而且耐腐蝕性極好，使用壽命很長(zhǎng)。五、固體氧化物燃料電池（SOFC）固體氧化物電池是第四代燃料電池，SOFC的導(dǎo)電離子是O2?，SOFC是一種在高溫下將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有能量密度高、效率高的化學(xué)發(fā)電裝置。固體氧化物燃料電池是屬于化學(xué)能高、環(huán)境友好型的轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置，是現(xiàn)階段以有的燃料電池中，所有能量密度中最高的一種，也是理論上認(rèn)為廣泛應(yīng)用的一種燃料電池。操作壓力是常壓，腐蝕性比較低，是現(xiàn)有的燃料電池中效率最高的，SOFC燃料電池中在高溫下有些固體氧化物具有良好的導(dǎo)電性，可以用作燃料電池中的電解質(zhì)。SOFC通常是氧化鋯作為固體電解質(zhì)，氧化鈷固體電解質(zhì)不會(huì)腐蝕電極材料.依照對(duì)燃料的處理方式不同，可將燃料電池分為直接式和重整式兩種。直接式是指對(duì)燃料不進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，直接送入燃料電池內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，如氫燃料電池和氨氣燃料電池等等。重整式是指將難以直接進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的燃料先進(jìn)行化學(xué)處理，轉(zhuǎn)化成氫氣或一氧化碳后再送入電池內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，如乙醇或煤等等。有些燃料既有直接式的，也有重整式的，。不同類型燃料電池的比較類型SOFCPEMECPAECMCFCAFC導(dǎo)電離子OHHCO工作溫度600℃?1000℃20℃?80℃180℃—220℃650℃—700℃80℃—230℃電解質(zhì)氧化鋯全氟磺酸膜正磷酸碳酸鈉氫氧化鈉操作壓力常壓<