浅析燃料电池研究进展及应用

王静文

摘要: 燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，能将外界提供的燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。本文介绍了原电池的工作原理、特点和分类，并详细阐述了原电池的研究进展和应用。

关键词: 燃料电池工作原理应用

Abstract: Fuel cell is a kind of high efficient and environmentally friendly power generation device, it can transform the outside chemical energy of the fuel and oxidizer directly into electrical energy. This paper introduces the original battery working principle, characteristic and classification, and expounds the research progress and application of the battery.

Keywords: fuel cells work principle is applied

随着全世界对能源的需求日益增加以及人类对环境质量的关注,采用清洁、高效的能源利用方式、积极开发新能源已经是势在必行。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,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。

1. 燃料电池的工作原理

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,其工作原理如图1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（负极）和阴极（正极）通入。燃料气在阳极（负极）上放出电子,电子经外电路传导到阴极（正极）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与氧化气的作用。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。

图1燃料电池工作原理示意图

2燃料电池的分类

目前各国开发的燃料电池种类多,应用范围广泛,分类方法也多种多样。燃料电池有不同的分类方法，本文主要介绍按电解质种类分类中的两种燃料电池。（氢燃料电池和直接甲醇燃料电池)

3燃料电池的优点

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料,燃料电池便能连续发电,被誉为“绿色”发电站。燃料电池的优点:

(1)发电效率高。理论上, 它的发电效率可达到85% ～90% ,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40% ～60%。 (2)环境污染小。 (3)比能量高。 (4)噪音低。 (5)燃料范围广。 (6)负荷调节灵活,可靠性高。当燃料电池的负载有变动时,它会很快响应。由于燃料电池的运行高度可靠,可作为各种应急电源和不间断电源使用。(7)易于建设。燃料电池具有组装式结构,安装维修方便,不需要很多辅助设施。燃料电池电站的设计和制造相当方便。

4燃料电池的应用和研究进展

4. 1氢燃料电池(RFC)

氢燃料电池以氢气为燃料,与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。氢和氧反应生成水,不排放碳化氢、一氧化碳、氮氧化物和二氧化碳等污染物,无污染,发电效益高。60年代,氢燃料电池就已经成功应用于航天领域。“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。70年代至今,随着制氢技术的发展,氢燃料电池在发电、电动车和微型电池方面的应用开发取得了许多成果。目前,氢燃料电池的发电热效率可达65%～85%,重量能量密度500～700 Wh /kg,体积能量密度1 000～1 200Wh /L,发电效率高于固体氧化物燃料电池。将氢燃料电池用于电动车,与燃油汽车比较,除成本外,各方面性能均优于现有的汽车。只要进一步降低成本,预计不久就会有实用的电动车问世。基于以上情况,各国都在加紧对氢气作燃料的燃料电池开发。德国已陆续推出了各种燃氢汽车。我国在广东汕头南澳岛建立了电动汽车试验区,有近20辆电动车和混合动力汽车投入试验。从总体水平上看,我国的氢能和氢燃料电池的研究开发工作与国外一些发达国家相比,还有一定差距。

目前主要的大规模产氢方式是以煤、石油、天然气为原料加热制氢,需要800℃以上的高温,转化炉等设备需要特殊材料,且适合小规模制氢。近来发展了甲醇蒸汽转化制氢,这种制氢方式反应温度低( 260 ～280℃) ,工艺条件缓和,能耗约为前者的50% 。甲醇还具有宜于携带运输,可以像汽油一样加注等优点。因此,甲醇转化氢气已经成为该领域的研究热点。另外,金属氢化物储氢、吸附储氢技术的研究也对车载储氢和制氢提供了途径。

4. 2直接甲醇燃料电池(DMFC)

直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通常称为直接甲醇燃料电池(DMFC) 。膜电极主要由甲醇阳极、氧气阴极和质子交换膜( PEM)构成。阳极和阴极分别由不锈钢板、塑料薄膜、铜质电流收集板、石墨、气体扩散层和多孔结构的催化层组成。其中,气体扩散层起支撑催化层、收集电流及传导反应物的作用,由具有导电功能的碳纸或碳布组成;催化层是电化学反应的场所,常用的阳极和阴极电极催化剂分别为PtRu /C和Pt/C。直接甲醇燃料电池无须中间转化装置,因而系统结构简单,体积能量密度高,还具有起动时间短、负载响应特性佳、运行可靠性高,在较大的温度范围内都能正常工作,燃料补充方便等优点。应用领域非常广泛,主要分为

(1)野外作业或军事领域的便携式移动电源;

(2) 50～1 000 kW的固定式发电设备;

(3)未来电动汽车动力源;

(4)移动通讯设备电源。

5结束语

今天,能源、环保、交通问题已成为全世界关注的焦点，而燃料电池的研究、开发和应用将会为这些问题的解决贡献很大的力量。目前，其研究开发的重点集中在燃料转化用催化剂膜、制氢和储氢技术、降低燃料成本以及安全设施等方面。相信在未来几年里，燃料电池会在发展中得到更好完善，一定能为人类可持续发展,提高燃料利用效率,改善人类生存环境做出显著的贡献.

参考文献

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[ 4 ]课程教材研究所. 化学课程教材研究开发中心,普通高中课程标准实验教科书(化学2) (必修) [M ]. 北京:人民教育出版社, 2004: 44

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。