燃料电池的发展研究应用概况_精品文档Word格式文档下载.docx

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能源是国民经济的动力，也是衡量综合国力和人民生活水平的重要指标。

随着世界范围内工业的高速发展，全世界对能源的需求日益增加。

另外，能源的使用以化石燃料为主，排放了大量CO2、N2O及硫化物等污染物，造成了环境污染，严重危害人民健康。

因此，采用清洁、高效的能源利用方式，积极开发新能源，有利于国家和社会经济的可持续发展。

燃料电池是一种电化学的发电装置，等温的按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，正在成为理想的能源利用方式。

同时，随着燃料电池技术不断成熟，以及西气东输工程提供了充足天然气源，燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景。

一、燃料电池的原理

燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应，其工作原理如下图所示。

燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。

燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。

燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。

离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。

同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。

电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。

当燃料为碳氢化合物时，阳极要求有更高的催化活性。

阴、阳两极通常为多孔结构，以便于反应气体的通入和产物排出。

电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。

为阻挡两种气体混合导致电池内短路，电解质通常为致密结构。

燃料电池工作原理示意图

二、燃料电池的应用

2.1航天领域

早在上个世纪60年代，燃料电池就成功地应用于航天技术，这种轻质、高效的动力源一直是美国航天技术的首选。

以燃料电池为动力的Gemini宇宙飞船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了8天的飞行。

由于这种聚苯乙烯磺酸膜稳定性较差，后来在Apollo宇宙飞船采用了碱性电解质燃料电池，从此开启了燃料电池航天应用的新纪元。

在Apollo宇宙飞船1966年至1978年服役期间，总计完成了18次飞行任务，累积运行超过了10000h，表现出良好的可靠性与安全性。

除了宇宙飞船外，燃料电池在航天飞机上的应用是航天史上又一成功的范例。

美国航天飞机载有3个额定功率为12kW的碱性燃料电池，每个电堆包含96节单电池，输出电压为28V，效率超过70%。

单个电堆可以独立工作，确保航天飞机安全返航，采用的是液氢、液氧系统，燃料电池产生的水可以供航天员饮用。

从1981年首次飞行直至2011年航天飞机宣布退役，在30年期间里燃料电池累积运行了101000h，可靠性达到99%以上。

中国科学院大连化学物理研究所早在70年代就成功研制了以航天应用为背景的碱性燃料电池系统。

这一航天用燃料电池研制成果，为我国此后燃料电池在航天领域应用奠定了一定的技术基础。

2.2潜艇方面

燃料电池作为潜艇AIP（Air-IndependentPropulsion，AIP）动力源，从2002年第一艘燃料电池AIP潜艇下水至今已经有6艘在役，还有一些FC-AIP潜艇在建造中。

2009年10月意大利军方订购的2艘改进型FC-AIP潜艇开始建造，潜艇水面排水量为1450吨，总长为56m，最大直径为7m，额定船员24名，水下最大航速为20节，计划在2015～2016年开始服役。

FC-AIP潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水下一次潜航时间仅为2天，而FC-AIP潜艇一次潜航时间可达3周。

这种潜艇用燃料电池是由西门子公司制造，采用镀金金属双极板。

212型艇装载了额定功率为34kW的燃料电池模块，214型艇装载了120kW燃料电池模块，，额定工况下效率接近60%。

2.3电动汽车

随着汽车保有量的增加，传统燃油内燃机汽车造成的环境污染日益加剧，同时，也面临着对石油的依存度日益增加的严重问题。

燃料电池作为汽车动力源是解决因汽车而产生的环境、能源问题的可行方案之一，近20年来得到各国政府、汽车企业、研究机构的普遍重视。

燃料电池汽车示范在国内外不断兴起，较著名的是欧洲城市清洁交通示范项目（CleanUrbanTransportforEurope，CUTE），第1期共有27辆车在9个欧洲城市运行2年；

并于2006～2009年进行第2期示范（Hy-Fleet:

CUTE），33辆燃料电池客车在包括北京的10个城市运行；

整个项目累计运行140000h，行驶备用电源与家庭电源约2100000km，承载乘客约850万；

目前，正在着手进行第3期（CleanHydrogeninEuropeancitiesproject，CHIC）示范。

代表性的车型是由Daimler公司制造的燃料电池客车Citaro，分别采用纯燃料电池、燃料电池与蓄电池混合动力，加拿大Ballard公司提供燃料电池模块，电堆采用模压石墨双极板，具有较好的操作弹性。

通过示范，车用燃料电池技术取得了长足的进展。

近年来，燃料电池汽车在性能、寿命与成本方面均取得一定的突破。

在性能方面，美国GM公司的燃料电池发动机体积比功率已与传统的四缸内燃机相当，德国Daimler公司通过3辆B型Mercedes-Benz燃料电池轿车F-Cell的环球旅行向世人展示了燃料电池汽车的可使用性，其续驶里程、最高时速、加速性能等已与传统汽油车相当，计划2014年开始实施批量生产；

在寿命方面，美国UTCPower公司的燃料电池客车至2011年8月已经累积运行了10000h，寿命指标已达到商业化目标；

在成本方面，各大汽车公司都致力于降低燃料电池Pt用量，经过不断地技术改进，美国GM公司一台94kW的发动机，Pt用量从上一代的80g降低到30g，并计划2015年Pt用量再降低至1/3，达到每辆车Pt用量10g。

日本Toyota公司也宣布燃料电池发动机催化剂Pt用量降低到原来的1/3，预计2015年单车成本降低至50000美元，并计划于2015年实现燃料电池汽车商业化。

目前，燃料电池发动机技术明显提升，在中国科技部支持下，国产PEMFC关键材料和部件的开发取得了重大进展，研制成功了高导电性及优化孔结构的碳纸、增强型复合质子交换膜、高稳定性/高活性Pt-Pd复合电催化剂及薄型全金属双极板等。

2.4备用电源与家庭电源

与现有的柴油发电机比较，燃料电池作为不间断备用电源，具有高密度、高效率、长待时及环境友好等特点，可以为电信、银行等重要部门或偏远地区提供环保型电源。

家庭与一些公共场所大多采用1～5kW小型热电联供装置，家庭电源通常以天然气为燃料，这样可以兼容现有的公共设施，提供电网以外的电，废热可以以热水的形式利用，备用电源也可采用甲醇液体燃料。

在燃料电池电源产品研发方面，日本的Ebara-Ballard公司1kW家庭型燃料电池电源，其产品已经在700多个场所试验，并建立了年产4000台的生产基地；

美国Idatech公司研制的5kWUPS已于2008年拿到印度ACME集团30000台的订单；

美国PlugPower公司已实现近千台的5kW电源的销售，主要用于通讯、军事等方面；

此外，Relion与Altergy公司也开拓了燃料电池备用电源市场。

我国也已研制了10kW的供电系统，以家庭用电为示范，已经运行了2500h。

三、燃料电池的应用前景

燃料电池的特点决定了它具有广阔的应用前景。

它可以用作小型发电设备；

作为长效电池；

应用在电动汽车上。

燃料电池用作发电设备，是因为其价格有可能与一般的发电设备相竞争。

但燃料电池在电动汽车上的商业应用前景是远期的，因为汽车需要的是发电机，发电机的价格远比燃料电池要便宜，因此在短期内，燃料电池汽车在价格上难以与其他汽车相竞争。

目前燃料电池研究与开发集中在4个方面：

（1）电解质膜；

（2）电极；

（3）燃料；

（4）系统结构。

日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池，尤其重视

（1）~（3）方面的材料研究与开发。

第4方面的研究课题是燃料电池的系统结构，前3个方面是构成燃料电池的必要准备，而系统结构是燃料电池的最终结果。

燃料电池，特别是固体氧化物燃料电池的开发研究以及商业化，是解决世界节能和环保的重要手段，受到了包括美国、欧洲、日本、澳大利亚、韩国等世界诸多国家的普遍重视。

尽管目前固体氧化物燃料在应用中还存在一些问题，如电极材料、制造成本、操作温度过高等等问题，但瑕不掩瑜，加快固体氧化物燃料电池发展必然是世界能源发展的总趋势。

降低电池操作温度和微型化是固体氧化物燃料电池的发展趋势。

其关键部件的材料制备成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。

应突破的关键技术主要有：

（1）高性能电极材料及其制备技术；

（2）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术；

（3）电池结构优化设计及其制备技术；

（4）电池的结构、性能与表征的研究。

四、结语

燃料电池经过近半个多世纪的发展，已经实现了在航天飞机、宇宙飞船及潜艇等特殊领域的应用，而民用方面由于受寿命与成本的制约，至今在电动汽车、电站、便携式电源或充电器等各行业还处于示范阶段。

未来我国应大力推进燃料电池在特殊领域的应用，增强我国的国防军事实力；

同时，要集中解决寿命与成本兼顾问题，从材料、部件、系统等3个层次进行技术改进与创新，加快燃料电池民用商业化步伐，提供高能效、环境友好的燃料电池发电技术，为建立低碳、减排、不依赖于化石能源的能量转化技术新体系做贡献。

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