燃料电池技术.pdf

第4章燃料电池技术 燃料电池(fuel cell，FC)是ー种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为 电能的发电装置。燃料和空气分 别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。在日益 严峻的环境和能源形势下，燃料电池技术显得尤为重要。 4.1概述 在当今世界，能源作为支撑整个社会的三大支柱之一，推动着人类社会向前发 展[1] 。而人口的持续增长和科学技术的进步刺激了过去ー个世纪能源消费的空前增 长。与此对应的就是由能源开采、消耗等所带来的一系列环境问题，由此人类正面临 着严峻的能源与环境挑战。其中，能源短缺与环境污染已成为世界关注的焦点问题， 尤其在化石燃料能源的过量使用造成温室效应的背景下[2] 。而燃料电池的横空出世 带来了新的希望，作为ー种新型清洁能源技术，它具有不受卡诺循环制约的高效率， 相对于涡轮机等设备的高可靠性、良好的环境效益和操作灵活性，对能源结构优化以 及环境保护有重大的作用[3] 。世界上许多国家尤其是日本等发达国家对燃料电池技 术青睐有加，并制定一系列利好政策鼓励其产业化发展。燃料电池技术己经成为当 代最炙手可热的高新技术之ー w 。在我国产业结构转型的战略机遇期内，加快电 カ 结构调整，増加新能源发电比例是节能减排、确保地区能源安全的重中之重，因此发 展燃料电池已成为当务之急。 4.1.1国外燃料电池技术现状 从第一次定义燃料电池到目前，我们正处于的燃料电池商业化发展之路已历经 200多年。具体来说，在1802年，Humphry Davy通过在阳极与阴极上分別使用碳基 燃料和硝酸，成功构建了原始燃料电池，从而有效证明了燃料电池的概念。随后在 1838年，科学家Christ Friedrich Schonbein开始研究燃料电池的ー些基本原理。 1839年，身为化学家、物理学家和律师的William Grove研究了原始氢燃料电池，他 使用充满氢气和氧气的试管以及铂棒充当电极和催化剂，并将其浸入稀硫酸电解液。 分布式能源技术及应用 通过得出的结果，最终证明了在铂催化剂上的氢和氧之间发生电化学反应并产生了 电流。1889年，“燃料电池”一词首次提出，并由德国出生的英国科学家Ludwig Mond及其助理Charles Langer首次使用，该团队创建了具有多孔电极以増加三相边 界的更实用的燃料电池，同时使用空气和煤气作为易商业化的气体来操作设备[5]。 他们还澄清了氧电极的损耗以及内阻的作用。20世纪初,他们进ー步尝试将煤炭直 接转化为电力，但技术仍然有待于发展。 燃料电池发展中最重要的技术贡献出现于1932年，剑桥的教授Francis Bacon 修改了 Mond的设备，开发了第一个碱性电解质燃料电池（AFC)，但直到1959年， Bacon才演示了实用的5 kW燃料电池系统，从而使燃料电池研究向前迈进了一大 步。此后1960年代初期，苏联政府和美国宇航局开始了エ业伙伴合作，开发用于载 人航天任务的燃料电池发电机。作为新技术的聚合物电解质燃料电池(PEMFC)也 由此产生并发展。之后的20世紀七八十年代，由于政府、企业和个人逐步提升的环 保意识以及相应立法的出现， 将燃料电池引入汽车行业，开始试验燃料电池电动车， 増加了燃料电池堆叠的功率密度和开发氢燃料储存系统的积极性。燃料电池在固定 物体和汽车方面的应用显著扩大，由氢气或 氨气供电的车型以及氢燃料内燃机技术 开始大范围研究，磷酸燃料电池(PAFC)技术在性能方面得到重大进步，比如当年主 要的离网电力大型固定式磷酸燃料电池机组有重大现场演示，其中包括由国际金融 公司开发的1MW机组。美国海军也在研究潜艇中可使用的磷酸燃料电池，其高效、 零排放、近无声运行的优势，为海军提供了相当大的运营优势。在20世纪90年代， 世界注意力转向聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和固态氧化物燃料电池(SOFC) 技术，且应用方向转为小型固定应用。由于其单位成本更低，潜在市场数量更多，小 型固定应用具有更迫切的商业可能性。例如，德国、日本和英国等多国政府将其应用 到电信站点，或作为 住宅微型热电联产的备用电力。清洁运输的政府政策也有助于 汽车应用的PEMFC的发展。1990年，美国加州空气