武漢理工大學
課程名稱： 材料科學進展
學院： 材料學院
班級： 建材院委培生
學號姓名： 吳帥
摘要: 本文概述了燃料電池發電的研究現狀，對鹼性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽電池、質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池的反應原理、發展過程及技術特點進行了詳細介紹，並對燃料電池發電的應用前景進行了展望。
關鍵詞：清潔能源；燃料電池；發電
隨著社會經濟的高速發展，人們對能源的依賴越來越嚴重，而生存環境的持續惡化又催促人們不斷尋求清潔能源。燃料電池由於其環保性和高效性[1-8]被譽為繼火力發電、水力發電、核電之後的***發電技術，越來越多的國家和地區投入更多的資金對其進行研究並使其產業化。
1 燃料電池簡介
1.1 燃料電池的工作原理
燃料電池是直接將化學能轉化為電能的裝置，只要連續供給燃料，燃料電池就能持續發電。與傳統內燃機的下作原理不同，燃料電池能量轉化效率不受carnot迴圈的限制，而是取決於化學反應的gibbs自由能和反應熱[9]。燃料電池的理論極限效率(,分別為燃料電化學反應的自由能變化和反應焓變化)，由於電極極化損失、內阻和燃料利用率等因素影響，燃料電池的實際發電效率可以達到60％～80％，遠高於傳統的發電方式(發電效率不超過50％)。
1.2 燃料電池的優缺點
燃料電池作為一種新型能源,具有以下優點:
1)能量轉化效率高。燃料電池直接將燃料中化學能轉換為電能,避免了化學能到熱能,再到機械能,然後到電能過程中的能量損失,具有高達45% ~60%的能量轉換效率,如果通過熱電共生同時利用高溫潔淨熱能,能量轉換效率可以達到80%。
2)環境友好。當氫為燃料時,燃料電池的副產物是水。這意味著燃料電池是/零排放0。是燃料電池應用於汽車的最大優點,也是減少汽車尾氣排放和在城市消除廢氣的需要。
3)可靠性高。燃料電池的基本原理非常簡單,除了少數運動部件外,它的可靠性和永續性都很高。模組設計,結構緊湊。裝置可以模組化,尺寸靈活性大,發電量易於調節。
4)低噪音。燃料電池運動部件少,雜訊很低。燃料電池具有上述優點,但並不是說它十全十美。
它還存在以下問題需要進一步解決和完善:
1)減少損耗,提高效率。儘管燃料電池以高效率吸引人,但降低其本身的損耗仍是重要課題。燃料電池的損耗主要包括反應活化能損耗、濃度差損耗、內阻損耗和系統損耗,這些損耗都降低了燃料電池效率,為此需繼續開發高效能、低成本催
化劑和高導電性能的電解質和電極材料,減少系統損耗,從而提高電池效率。
2)開發新材料,改進工藝。燃料電池製造涉及高分子材料、貴重金屬、陶瓷等廣泛領域,同時也涉及脫脂、氧化、燒成等製造工藝。各種優質高效材料的開發和製造工藝的改進影響著燃料電池的效能,決定著燃料電池的發展。
各種燃料電池由於反應過程及燃料、電介質的不同,分別存在著中毒、腐蝕或高溫老化問題,因此需積極研製新裝置,提高電池的穩定性,延長連續執行時間。
3)降低成本。燃料電池要想更快的發展,必須降低成本,除提高功率密度外,還需進一步簡化電池結構,減輕重量,提高價效比,降低與傳統發電方式的成本差價。
1.3 燃料電池的分類
按照燃料電池工作的溫度範圍，可以將燃料電池分為低溫燃料電池和高溫燃料電池。鹼性燃料電池(alkaline fuel cell，afc)、質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)、磷酸型燃料電池(phosphoric acid fuel
cell，pafc)為低溫燃料電池；熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell，mcfc)和同體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，sofc)為高溫燃料電池。本文從燃料電池發電的角度對燃料電池的研究現狀進行分析，並**燃料電池在電力系統中的應用。
2 燃料電池發電的研究現狀
2.1 鹼性燃料電池
鹼性燃料電池(afc)以強鹼(如naoh、koh)溶液為電解質，純h2或nh3、nh4等分解氣為燃料，純02或脫除微量c02的空氣為氧化劑，以***鉑、金、銀和過渡金屬鎳、錳等作為催化劑。afc的反應原理如圖1所示。
圖1 afc的反應原理
陽極反應：h2+20h→2h20+2e—．
陰極反應： 02+h20+2e一→20h一．
總反應： 02+h2→h20．
afc是最先得到應用的燃料電池，20世紀60年代應用於美國的apolo登月計畫[10-11]，之後於2023年應用於美國的航天飛行，為太空梭提供動力的同時，其反應產物為太空飛行員提供飲用水。至今美國國際燃料電池公司生產的第三代太空梭仍使用鹼性石棉膜型氫氧燃料電池。20世紀80年代，德國西門子公司用鹼性燃料電池堆為德國海軍裝備了一艘潛水艇，並於2023年8月至2023年3月進行了水下測試，所用燃料電池功率為166kw，效率高於60％。
afc容易得到較高的功率密度，氧在鹼性條件下的還原反應速度比在酸性環境中快，效率高，啟動速度快，操作溫度低，操作方便[12]。由於電解質呈鹼性，即使微量的c02都會使電解質變質，導致電池效能惡化，所以在地面應用時必須脫除燃料或空氣中的微量c02，因而導致燃料電池系統的複雜化和成本增加[13-14]。c02毒化的問題是鹼性燃料電池面臨的主要技術問題之一，被認為是鹼性燃料電池地面應用的關鍵問題。
20世紀80年代後期質子交換膜型燃料電池(pemfc)得到迅猛發展，除了應用在航天領域外，大部分將afc用於地面民用及潛艇動力的嘗試已不再繼續[15-16]。目前對afc的研究主要集中在電解質的研究及氣體的擴散上[17]引。
2.2 磷酸型燃料電池
磷酸型燃料電池(pafc)，是以磷酸為電解質，氧氣為氧化劑，富氫氣體(如天然氣重整氣)為燃料，陰陽兩極均以鉑合金作為催化劑，電化學反應在由碳黑支撐的催化劑顆粒表面上進行，工作溫度為200℃左右。單個pafc的反應原理如圖2所示。
圖2 pafo的反應原理
以氫氣為燃料、氧氣為催化劑時的反應如下：
陽極反應，h2→2h++2e一．
陰極反應， 02+2e一+2h+→h20．
總反應， 02+h2→h20．
由於磷酸易得，反應溫和，pafc成為所有燃料電池中發展最快、研究最成熟、應用最多的燃料電池[20]。pafc的優點是克服了鹼性燃料電池對c02難以容忍的缺點，可以允許c02的質量分數最大為30％，從而降低了對氧化劑的要求，操作溫度較低，便於操作，又可以與別的發電方式聯合在一起，組成熱電聯產；缺點是由於採用磷酸作為電解質，極板和容器要採用不易發生腐蝕的材料，需要***鉑作為催化劑，**高，且容易發生co和h2s中毒，執行中又可能發生燒結和腐蝕，造成效能下降和壽命縮短，啟動時需要預熱，不能快速啟動。
2.3 熔融碳酸鹽電池
熔融碳酸鹽電池(mcfc)以鹼金屬(li、na、k)的熔融碳酸鹽為電解質，富氫燃料氣(天然氣、甲烷、煤氣等轉化而成)為燃料，氧氣(空氣)加c02為氧化劑，工作溫度約為650℃，餘熱利用價值高，電催化劑以鎳為主，無需使用***，發電效率高。mcfc的反應原理如圖3所示。
圖3 mcfc的反應原理
陰極反應： o2+co2+2e一→co3一．
陽極反應：h2+co3一→co2+h20+2e一．
總反應： o2+h2+co2→2h20+co2．
mcfc單電池是由陰極、電解質、電解質隔膜和陽極組成，若組成電池堆，則還需要雙極板、集流器、氣泡屏等元件，其中，隔膜是mcfc的核心部件，必須強度高、耐高溫熔鹽腐蝕、浸人熔鹽電解質後能夠阻擋氣體通過，並且有良好的離子導電性能(mcfc的導電離子是co3一)。通過對多種材料的篩選和多年的研究，目前已普遍採用偏鋁酸鋰來製備mcfc隔膜。mcfc工作溫度高，餘熱利用價值高，可以與煤氣化聯合迴圈結合組成高效的潔淨煤發電技術。
2.4 質子交換膜燃料電池
質子交換膜燃料電池(pemfc)是以鉑(碳)或鉑一釕(碳)為電催化劑，純氫氣或其他物質(如甲醇、乙醇及其他含氫燃料)為燃料，純氧氣或空氣為氧化劑，固體高分子材料為電解質，其反應原理如圖4所示。
圖4 pemfc工作原理
電解質是一種能夠傳導離子的高分子材料，其兩側粘結有催化作用的多孔電極，氫氣通過管道或導氣板到達陽極，在陽極催化劑的作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子並釋放出帶負電的電子，氫離子穿過質子交換膜到達陰極，電子通過外電路到達陰極。
陽極反應：h2→2h++2e一；
陰極反應： o2+2h++2e一→h20；
總反應：h2+o2→h20．
2.5固體氧化物燃料電池
同體氧化物燃料電池(sofc)以固態氧化釔、氧化鋯為電解質，天然氣、氣化煤氣、碳氫化合物為燃料，氧氣為氧化劑。固態氧化釔、氧化鋯電解質在高溫下有很強的離子傳導功能，能夠傳導02，電解質將電池分隔為燃料極(陽極)和空氣極(陰極)。氧分子在空氣極得到電子，被還原成02，然後通過電解質傳輸到陽極，在陽極與氫氣(或一氧化碳)發生反應。
生成水(或二氧化碳)和電子。在迄今為止人類所發明的能源轉化方式中，sofc的轉換效率是最高的，其反應原理如圖5所示。
陽極反應：h2十o2一→h20+2e一，
co+o2一→co2+2e一．
陰極反應： o2+2e一→o2-．
總反應：h2+o2→h2o，co+o2→co2．
圖5 sofo的反應原理
sofc通常採用的結構型別有平板型和管型，管狀結構可以避免應力集中，同時大大緩解sofc的氣密性及薄層製造方面的難度，管狀sofc是目前最接近商業化的sofc發電技術。在固定電站領域，sofc明顯比pemfc有優勢。sofc很少需要對燃料進行處理，內部重整、內部熱整合、內部集合管使系統設計更為簡單，而且sofc與燃氣輪機及其他裝置也很容易進行高效熱電聯產[21-22]。
3 燃料電池發電的應用前景
目前，美國、加拿大、日本、南韓以及歐洲的很多國家都把燃料電池發電技術提高到事關「國家能源安全」的戰略高度，投入大量資金予以資助和研發。我國是能源消耗大國，以煤和石油為主，能源利用率低，汙染嚴重；同時，近年來我國由於然災害或人為因素導致的大面積停電事故，給社會然災害或人為因素導致的大面積停電事故，給社會如果在電網中有許多分布式電源在供電，則供電的可靠性和供電質量將會大大改善。分布式電源作為我國大電網的有效補充，如m果能夠得到較快的發展，電網抵禦各種災害的能力將會有很大提高。
隨著國民經濟的發展，備用電源需求日益增大，如移動通訊機站、軍用移動指揮系統、野外醫療中心、固定或移動辦公設施等的備用電源，需要配備技術性和經濟性好的備用電源，而燃料電池中的pemfc剛好能實現這個功能。從燃料電池發展的研究現狀來看，我國在燃料電池發電方面的技術與發達國家如美國、加拿大、日本等相距甚遠。我國要發展燃料電池技術，需要引進、消化及吸收國外先進技術，加快完成技術革新。
燃料電池總結
d 正極上發生的反應為o2 4e 2h2o 4oh 2 將兩個鉑電極放置在koh溶液中，然後分別向兩極通入ch4和o2，即可 產生電流。下列敘述正確的是 通入ch4的電極為正極 正極的電極反應式為o2 2h2o 4e 4oh 通入ch4的電極反應式為ch4 2o2 4e co2 2h2o 負極的電極...
燃料電池新聞專題
美國製造商積極開發以燃料電池為動力的無人機 04 11 美國能源部撥款200萬美元助伊頓研究燃料電池 04 07 沃爾沃汽車公司啟動燃料電池開發專案 04 06 蘋果表示其生物氣體燃料電池廠6月投入使用 04 05 美研製出新型微生物燃料電池系統 04 05 美研製出新型微生物燃料電池系統 04 0...
知識點燃料電池
知識點11 化學能轉化為電能 原電池 第3課時 考綱定位 了解常見化學電源的種類及其工作原理。知識回顧 考點燃料電池的工作原理及其應用 燃料電池是一種不經過燃燒而直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉化為電能的裝置。近年來，燃料電池因其具有能量利用率高 可連續使用 環境汙染輕 結構模組化等突出優點已成...