燃料电池的新进展
作者:高培德(中国科学院上海冶金研究所)
【摘要】由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。
早在1839年，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最早的氢-氧燃料电池(FC)。但直到20世纪60年代初，由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。美国矿物能源部长助理克.西格尔说：“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯.默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国ArthurD.Little公司最新估计，2000年燃料电池在能源系统市场将提供1500～2000MW动力，价值超过30亿美元，车辆市场将超过20亿美元；2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。
燃料电池的工作原理和分类、特点和优势
燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。以熔融碳酸盐型燃料电池为例，图1为燃料电池的结构示意图。
图1熔融碳酸盐燃料电池单电池结构示意图
在燃料电池电极上反应如下：
阳极反应：H2+CO32-＝H2O+CO2+2e-
阴极反应：1/2O2+CO2+2e-＝CO32-
总反应：1/2O2+H2＝H2O
燃料电池多种分类。按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型。按电解质种类又可分为磷酸盐型燃料电池(PAFC)--第一代FC；熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)--第二代FC；固体氧化物型燃料电池(SOFC)--第三代FC。表1列出了几种主要类型燃料电池的燃料、电解质、电极和工作温度等基本特点。
表1燃料电池的分类
类型
磷酸盐型燃料电池(PAFC)
融碳酸盐型燃料电池(MCFC)
固体氧化物型燃料电池(SOFC)
聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)
燃料
煤气,天然气,甲醇等
煤气,天然气,甲醇等
煤气,天然气,甲醇等
纯H2
电解质
磷酸水溶液
KLiCO3溶盐
ZrO2-Y2O3(8YSZ)
离子(Na离子)
阳极
电极
阴极
多孔质石墨
(Pt催化剂)
含Pt催化剂+多孔
质石墨+Tefion
多孔质镍
(不要Pt催化剂)
多孔NiO(掺锂)
Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)
LaxSr1-xMn(Co)O3
多孔质石墨或Ni
(Pt催化剂)
多孔质石墨或Ni
(Pt催化剂)
工作温度
-200℃
-650℃
800-1000℃
-100℃
近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范(表2)。
表2一些国家的燃料电池电厂
磷酸盐燃料电池电厂
ONSI公司建设的200KWPAFC电厂
质子交换膜燃料电池电厂
BallardGenerationSystem建设的250KWPEM燃料电池厂
Avista实验室建造的7.5W民用PEM燃料电池电厂,它具有60W热交换调制.
NorthwestPowerSystem建设的5KW民用PEM燃料电池电厂
PlugPower建造的7KW民用PEM燃料电池电厂
熔融碳酸盐烯料电池电厂
M-CRowerCorporation建造的熔融碳酸盐碳燃电孙电厂
EnergyResearchCorporation建造的250KW熔融碳酸盐燃料电池厂
EnergyResearchCorporation在加州SantaClara建造的2M熔融碳酸盐燃料电池示范电厂
固体氧体物燃料电池电厂
SiemensWestinghouse建设的管状固体氧化物燃料电池电厂
燃料电池电厂所以具有如此大的吸引力，是因为它与传统的火力发电、 《燃料电池的新进展》
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【摘要】由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。
早在1839年，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最早的氢-氧燃料电池(FC)。但直到20世纪60年代初，由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。美国矿物能源部长助理克.西格尔说：“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯.默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国ArthurD.Little公司最新估计，2000年燃料电池在能源系统市场将提供1500～2000MW动力，价值超过30亿美元，车辆市场将超过20亿美元；2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。
燃料电池的工作原理和分类、特点和优势
燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。以熔融碳酸盐型燃料电池为例，图1为燃料电池的结构示意图。
图1熔融碳酸盐燃料电池单电池结构示意图
在燃料电池电极上反应如下：
阳极反应：H2+CO32-＝H2O+CO2+2e-
阴极反应：1/2O2+CO2+2e-＝CO32-
总反应：1/2O2+H2＝H2O
燃料电池多种分类。按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型。按电解质种类又可分为磷酸盐型燃料电池(PAFC)--第一代FC；熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)--第二代FC；固体氧化物型燃料电池(SOFC)--第三代FC。表1列出了几种主要类型燃料电池的燃料、电解质、电极和工作温度等基本特点。
表1燃料电池的分类
类型
磷酸盐型燃料电池(PAFC)
融碳酸盐型燃料电池(MCFC)
固体氧化物型燃料电池(SOFC)
聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)
燃料
煤气,天然气,甲醇等
煤气,天然气,甲醇等
煤气,天然气,甲醇等
纯H2
电解质
磷酸水溶液
KLiCO3溶盐
ZrO2-Y2O3(8YSZ)
离子(Na离子)
阳极
电极
阴极
多孔质石墨
(Pt催化剂)
含Pt催化剂+多孔
质石墨+Tefion
多孔质镍
(不要Pt催化剂)
多孔NiO(掺锂)
Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)
LaxSr1-xMn(Co)O3
多孔质石墨或Ni
(Pt催化剂)
多孔质石墨或Ni
(Pt催化剂)
工作温度
-200℃
-650℃
800-1000℃
-100℃
近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范(表2)。
表2一些国家的燃料电池电厂
磷酸盐燃料电池电厂
ONSI公司建设的200KWPAFC电厂
质子交换膜燃料电池电厂
BallardGenerationSystem建设的250KWPEM燃料电池厂
Avista实验室建造的7.5W民用PEM燃料电池电厂,它具有60W热交换调制.
NorthwestPowerSystem建设的5KW民用PEM燃料电池电厂
PlugPower建造的7KW民用PEM燃料电池电厂
熔融碳酸盐烯料电池电厂
M-CRowerCorporation建造的熔融碳酸盐碳燃电孙电厂
EnergyResearchCorporation建造的250KW熔融碳酸盐燃料电池厂
EnergyResearchCorporation在加州SantaClara建造的2M熔融碳酸盐燃料电池示范电厂
固体氧体物燃料电池电厂
SiemensWestinghouse建设的管状固体氧化物燃料电池电厂
燃料电池电厂所以具有如此大的吸引力，是因为它与传统的火力发电、 《燃料电池的新进展》
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