燃料电池在移动式和固定式应用方面的研究现状Word文件下载.docx

1、将在后文对这6种类型作简单的介绍。于世界范围内主要研究PEMFC和SOFC这两种燃料电池，因此文本主要讨论这两种电池类型。 碱性燃料电池，AFC。AFC电解质通常为浓KOH。工作温度为80左右，也能高达200。目前主要用于航天器上的能量供应。于它只能以纯氢气作为燃料，空气也需要除去CO2，极大的限制了它在日常生活中的应用。AFC的能量密度范围为/cm。碱性燃料电池在kW级范围特别适用。 质子交换膜燃料电池，PEMFC。PEMFC的电解质为阳离子交换膜。工作温度为80左右，在0以下低温启动。PEMFC在运输应用方面具有很大潜力，固定式应用方面发展也很好。PEMFC对燃料中的杂质灵敏度非常高。能量

2、密度范围为/cm2。质子交换膜燃料电池正向1W250kW范围内发展。 直接甲醇燃料电池，DMFC。直接甲醇燃料电池属于PEMFC中的一类，采用相同类型的电解质。但甲醇溶液取代了氢气，直接被氧化成CO2。DMFC的能量密度比PEMFC的低。当电池电压为时，得到最大的能量密度/cm2。与PEMFC相比，它采用了高级的贵金属填充，/cm2或者更高。DMFC主要向1100W范围的便携式应用方向发展。甲醇的高能量密度使其有潜力发展为微型燃料电池体系的蓄电池组。 磷酸型燃料电池，PAFC。PAFC电解质为浓磷酸。工作温度大约200。PAFC可采用CO浓度大于12%重整油作为燃料。它是目前商业上应用最为成功

3、的燃料电池。2003年，245台200kW级的电池安装成功。PAFC能量密度范围为/cm2。 熔融碳酸盐型燃料电池，MCFC。以碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾的熔融混合物作为MCFC的电解质。工作温度为600700。于工作温度较高，电池内部可能发生碳氢化合物燃料的重整。MCFC的能量密度范围为/cm2。MCFC体系的能量在50kW5MW范围内。 固体氧化物燃料电池，SOFC。钇稳定化的氧化锆通常作为SOFC中的固体电解质。根据电解质和电极材料的组成，SOFC的操作温度一般在6001000之间。燃料可以是氢气、天然气，或碳氢化合物。SOFC主要朝1kW5MW范围的固定式能源方向发展，也可以用于5kW范围

4、的交通工具的辅助能源。 燃料电池装置：从单电池到系统 单电池。电解质除了起传递离子作用，也作为气体的分离器和电子绝缘体。在电极上发生电化学反应。除了要选择合适的催化剂外，电极的构造也应该满足一定要求，如使反应物、催化剂与电解质内表面的产物尽可能以最大的速率传递。 单体燃料电池如图2所示。产生的能量，等于电极面积电池的电流密度电池电压。负载条件下，电池电压一般为。实际应用时电压偏低。 图2 单体燃料电池组成 电池堆。于是将多个电池串联起来使用，故而叫燃料电池堆。两个相邻的电池用集流板连接。当单板用在一个电池的阳极面和另一个电池的阴极面时，这种集流板也叫做分流板或双极板，有比较高的电子传导性。电池

5、阳极面的集流板上有流孔，能够将反应物平均分配到电极各处。在电极的另一面，流孔可以将体系中的热量输送到热交换机。电池数目单个电池能量或电压就得到电池堆的能量或电压。图3为三电池堆的示意图。除了图2中展示的重复单元，电池堆还包括两块端板，以及两片电流收集板，用来收集电流。 图3 燃料电池堆示意图 系统。燃料电池是燃料电池系统的核心，还需要一系列的辅助部件。图4为燃料电池系统的示意图。除了燃料电池堆和燃料处理器，其余的部件通常叫做车间平衡部件。这些平衡部件既影响系统的成本，又关系到系统的效率和耐久性。 图4 燃料电池系统的示意图 除了DMFC，低温燃料电池的阳极上，氢氧化成质子。氢气既可以氢气储罐提

6、供，也可以通过燃料处理器从其他的燃料生产出来。通常，把碳氢化合物或醇类作为燃料处理器的原料。燃料处理的复杂性取决于燃料电池的类型以及所用的原料。高温燃料电池，比如MCFC和SOFC，燃料处理可以在电池内部进行。这个过程叫做内部重整。在第4部分的燃料加工中将进一步讨论。 空气压力的控制，取决于整个系统的操作压力和压力降。范围可以从100mbar到几bar。燃料电池堆的能量一般随着压力的升高而增加，但伴随的压力损失同样增加。 燃料电池堆的电压等于电池数目单个电池电压，一般为的DC。对于移动式应用，电压通常要增加到几百伏，并根据电动机的需要调整。对固定式应用，一般为AC电压，因此需要DC/AC交换器

7、。 系统效率 总的系统效率燃料电池堆的效率、氢气产率、氢气的利用率和车间平衡部件的能量消耗共同决定。 Effel,sys?EffH2?EffFC?UtilH2?（1?（PowerBOC/PowerFuelcellsystem） 除了燃料电池系统自身的效率外，还要考虑燃料电池的连锁效率。特别是氢气制造和运输所造成的能量损失。 于氢气具有较高的热值，142MJ/kg，氢氧燃料电池的效率可以用电池电压除以得到。298K，一个大气压下，氢氧燃料电池的最大理论效率为/=。氢氧燃料电池一般在工作，因此电池效率为。通常，文献中提到的效率都是低热值效率。氢气的低热值接近120MJ/kg，因此LHV效率比HHV

8、效率高倍。 2 PEM燃料电池的研究现状 质子交换膜燃料电池是运输领域中应用最广泛的一种燃料电池。自2000年，90%以上的燃料电池电动车安装上了PEMFC。操作温度低和能量密度高使得它成为运输领域最合适的燃料电池。 目前，针对电动车市场，制造商对扩大PEMFC的生产容量和降低成本方面都加大了研究。而PEMFC在固定式应用方面也具有强大吸引力。 质子交换膜 PEMFC曾采用酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜等几种。研究表明，全氟磺酸型膜是目前最适用的PEMFC电解质。 全氟离子交换膜是美国杜邦公司率先研制成功，并以Nafion为其商标，它也是目前PEMFC研

9、制与开发中应用最多的质子膜，具有优良的导电性能和其他一系列优点。全氟离子交换膜的主要基体材料是全氟磺酸型离子交换树脂，是一种与聚四氟乙烯（Teflon）相似的固体磺酸化含氟聚合物水合薄片。 继Nafion膜之后，受PFMFC发展前景的鼓舞，美国Dow化学公司和日本Asahi公司也积极参与有关膜的研究，以期开拓产品市场。Dow化学公司开发了一系列功能性含离子键的聚合物，用这类聚合物制成的产品与Nafion相比，具有较低的EW值，同时能维持定的物理强度。 为降低膜电阻、提高PEMFC的电压和电流密度，必须改进膜的性能，减小膜的厚度。Nafion 110系列膜先后开发出Nafion 117、115和

10、112膜。Ballard 公司在其5kW 的PEMFC 中采用的Dow 膜能在3A/cm2 的高电流密度下工作。 日本氯工程公司研制的质子交换膜也已用于PEMFC的试验，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）采用这种膜的试验结果表明，以EW值900，厚度为125?m的膜制成的PEMPC电池性能与Nafion膜的电池性能相似。另外，加拿大巴拉德公司于其在PEMFC领域后来居上的工作，在PEMFC质子交换膜的开发上也取得了定的进展，据其“商业化PEMFC用低成本膜”计划研究成果报道，他们已成功开发出价廉质优的新型质子交换膜，其目标价格为$110$150m-2，而目前Nafion膜的价格则在$800

11、m-2左右。 电催化剂 目前，PEMFC 使用的是以活性炭、炭黑以及石墨炭材料为载体的铂催化剂。将铂分散于不同的载体中，制成复合电极材料，是提高铂催化剂利用率的有效途径。碳纳米管具有极大的比表面积和良好的导电性，被认为是一种良好的催化剂载体。Rajalakshmi N 等人通过乙烯基乙二醇和铂盐制得了负载量为 %的碳纳米管载铂催化剂，分析发现铂沉积在碳纳米管表面之前用低浓度的硝酸处理碳纳米管，可以增加催化剂的催化活性。 重整碳氢化合物得到的氢气中常常含有CO杂质，CO会使催化剂中毒，使其催化能力大大降低。通过Pt 和Ru 的协同作用，Pt-Ru催化剂对CO具有抗毒能力，使电池维持较高的性能。A

12、dzic等人将Ru沉积在碳载体表面，然后再将Pt 沉积在碳载体上，可以得到催化性能及抗CO性能良好的催化剂，并且铂的用量大大降低。 电极组合件 PEMFC 膜电极是其电化学心脏。目前膜电极（membrane elect rode assembly） 研究进展较快。纷纷采用炭载铂技术，并添加粘结剂，用热压方法将电极与膜压合，使电极与膜中的树脂相结合。主要方法有浸渍还原、铂阴离子溶液电沉积、电化学催化、树脂胶体化等。经过研究，目前已使电极中铂催化剂含量降到/cm2，最低能降到/cm2。膜电极集合体采用喷涂和浸渍法制备，向电极催化层浸入/cm2的Nafion树脂。将用3%5%H2O2水溶液和/L稀硫

13、酸处理的Nafion膜置于两片电极之间，在热压机上压合，热压温度为130135，压力为69MPa，压时为6090s。 美国3M公司研制出一种新型复合膜电极，即膜电极采用复合膜，膜包括多孔膜和离子导电电解质，用离子导电电解质填充多孔膜，制成部分填充的膜，然后将填充膜和电极颗粒压在一起，以除去中间的空隙体积，将电极颗粒包埋在部分填充的膜内。该公司也研制出膜电极组合件。 双极板 目前，PEMFC 主要采用的双极板是表面改性的的薄金属板，如不锈钢板制备的带排热腔和密封结构的双极板。双极板的厚度为左右。美国伊利诺伊州瓦斯技术协会研究人员研制出用于PEMFC的不透气双极性隔板，隔板含一种以上电子传导性材料

14、，质量占50%95%，至少含一种树脂和至少一种亲水剂，质量占约5%，电子传导性材料、树脂和亲水剂基本均匀分散在整个隔板中。 于石墨具有抗腐蚀性，以Ballard公司为代表的PEMFC研究者，已成功开发了采用蛇形流场的石墨双极板。加拿大Ballard公司生产的Mark 500（5kW）、Mark 513（10kW）和Mark 700（2530kw）的PEMFC电池组均是采用这种石墨双极板组装的。 3 固体氧化物燃料电池的研究现状 固体氧化物燃料电池在固定式应用方面具有很大潜力，其工作原理如图5所示。目前SOFC 所使用的燃料主要是氢气、一氧化碳和甲烷，氧化剂气体则为空气或氧气。 图5 SOFC的工作原理 固体氧化物燃料电池具有多燃料适应性、结构简单、能量转化率高等特点，且电池产生的废热可以作为热源供给联合发电系统的其他部分使用，实现了热电联产，从而更有效地提高了整个发电系统的效率，因此SOFC在区域供电方面前景可观。 目前世界各国都在积极投入SOFC技术的研发，与之相应的燃料电池堆的设计从1984年就开始了