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1、燃料电池进展情况,池玉娟,黑龙江大学化学系物理化学实验室,燃料电池工作原理,第一节 原理 特点 分类及 应用,1.燃料电池（FC）是一种在等温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效（50%-70%）而与环境友好地转化为电能的发电装置。2.发电原理是由电极提供电子转移的场所。阳极进行燃料（如氢）的氧化过程；阴极进行氧化剂（如氧等）的还原过程。导电离子在将阴、阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。,FC的工作方式: 它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。 当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维持电池
2、工作温度恒定。 FC本身只决定输出功率的大小，储存的能量则由储罐内的燃料与氧化剂的量决定。,燃料电池特点,(1) 高效(2) 环境友好(3) 安静(4) 可靠性高,通常可燃性燃料如瓦斯、汽油、甲烷、乙醇、氢等这些可燃性物质都要经过燃烧来加热水，使水沸腾产生水蒸汽并推动涡轮进行发电。这种转换方式大部分的能量通常都转为无用的热能，转换效率相当的低，只有30%左右；而燃料电池则是以特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳和水，因无需推动涡轮机等发电器具，也不需要将水加热成水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效率高达70%左右，比一般的能源利用方式高出40%，且二氧化碳排放量比一般方法低许多，水又是无害
3、的产物，因此也是一种低污染性的能源。,按电池所采用电解质分类：(1) 碱性燃料电池 以氢氧化钾为电解质(2) 磷酸型燃料电池 以浓磷酸为电解质(3) 质子交换膜燃料电池 以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质(4) 熔融碳酸盐型燃料电池 以熔融的锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质(5) 固体氧化物燃料电池 以固体氧化物为氧离子体，如以氧化钇稳定的氧化锆膜为电解质,燃料电池分类,按电池工作温度：(1)低温燃料电池：工作温度低于100 ( 碱性、质子交换膜燃料电池)(2)中温燃料电池：工作温度在100300 (培根型碱性、磷酸型)(3)高温燃料电池：工作温度在6001000 (熔融碳酸盐型、固
4、体氧化物燃料电池),在常温下工作的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池，这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂。燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。不需要废热能量回收装置，体积较小，质量较轻。但催化剂铂会与工作介质中的一氧化碳发生作用后产生“中毒”现象而失效，使燃料电池效率降低或完全损坏，而且铂的价格很高，增加了燃料电池的成本。在高温（6001 000）下工作的燃料电池，例如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，这类的燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大，质量重，只适合用于大功率的发电厂
5、中。,按燃料类型,（1）有氢气、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然气等气体燃料；（2）甲醇、甲苯、汽油、柴油等有机液体燃料。有机液体燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。,燃料电池应用,燃料电池既适用于集中发电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。 以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池已成功地应用于载人航天飞机，作为Apollo登月飞船和航天飞机的船上主电源，证明了燃料电池高效、高比能量、高可靠性。 以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有百台PC125(200kW)作为分散电站在世界各地运行。,质子交换膜燃料电池可在室温快速启动，并可按负载要求快速改变输出功率，它是
6、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源的最佳侯选者。,固体氧化物燃料电池可与煤的气化构成联合循环，特别适宜于建造大型、中型电站中，如将余热也计算在内，其燃烧的总发电效率可达70%80%。,由于碱性氢氧燃料电池（AFC）技术的高度发展，此种电池已成功应用于航天飞行中。AFC用于载人航天飞行时，电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用；供氧分系统还可与生命保障系统互为备份。美国已成功地将Bacon M AFC用于阿波罗（Apollo）登月飞行；石棉膜型AFC用于航天飞机，作为机上主电源。德国西门子公司开发了100 kW AFC并在艇上试验，作为不依赖空气（AIP）的动力源已并获成功。,碱
7、性氢氧燃料电池,我国早在60年代末就进行了AFC研究，70年代经历了研制FC的高潮。 已研制成功两种石棉膜型、静态排水的AFC。A型电池以纯氢、纯氧为燃料和氧化剂，带有水的回收与净化分系统；B型电池以N2H4分解气（H2含量65%）为燃料，空分氧为氧化剂。这两种AFC电池系统均通过了例行的航天环模实验。此外，还进行了Bacon型和石棉膜型动态排水AFC研究，研制成功了动态排水石棉模型AFC电池系统。,我国千瓦级水下用AFC电池组特征,磷酸型燃料电池,磷酸型燃料电池（PAFC）利用天然气重整气体为燃料，空气作氧化剂，以浸有浓H3PO4的SiC微孔膜作电解质，Pt/C为电催化剂，产生的直流电经直交
8、变换以交流形式供给用户。 50 kW200kWPAFC可供现场应用， 1000 kW以上的可在区域性电站应用。日本东京4 500kW PAFC电厂已经成功运行，不但推进了民用FC发展，而且加速了PAFC实用化。据报道，目前有91台200 kW PC 25正在北美、日本与欧洲运行，最长已运行了37 000 h。实际应用表明，PAFC是高度可靠的电源，可作为医院、计算机站的不间断电源。,质子交换膜型燃料电池（PEMFC）是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，以Pt /C或Pt-Ru/C为电催化剂，以氢或净化重整气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂。它特别适于作可移动动力源，是电动汽车和AIP推进潜艇的理想电
9、源之一，也是军民通用的可移动动力源。,质子交换膜型燃料电池,60年代，美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行。但由于结构材料昂贵和铂黑用量大而阻碍了它的发展。直到1983年，加拿大国防部又资助Ballard公司发展PEMFC;，至今已取得突破性进展，电池组的比功率已达1 000 W /L , 700 W /kg，超过了DOE（美国能源部）和PNGV (Partnership for a New Generation Vehicle)制定的电动汽车指标，受到世界各发达国家和各大公司的高度重视，并投巨资发展这一技术。美国三大汽车公司（GM、Ford、Chrysler）均在DOE资助下发展PE
10、MFC,电动汽车，德国的Daimler-Benz和日本的Toyto motor等也在发展PEM电动汽车。加拿大Ballard研制了5 kW(MK5)、10 kW (MK513)电池组。Ballard公司还用MK513组装200 kW (275hp)电动汽车发动机，以高压氢为燃料，装备了“零”排放电动汽车试验样车，最高时速和爬坡能力均与柴油发动机一样，加速性能还优于柴油发动机。,加拿大Ballard公司PEMFC电池性能,我国从1995年开始利用AFC技术积累全面开展了PEMFC研究，先后进行了3 nm - 20 nm Pt电催化剂、Pt/C电催化剂、碳纸、碳布扩散层、电极制备技术的研究，以及膜
11、电极三合一制备条件的优化并建立了模型，还研究了电极内气体分布和膜电极三合一内水分布与传递，并设计了金属双极板，解决了电池组内增湿、密封、组装等技术问题。采用Dupont公司Naf ion117膜组装140cm2单池，当工作电流密度为500 mA/cm2600mA/cm2时，工作电压为0.50V0.65V，输出功率密度大于0.35W/cm2。我国先后组装了4节100W200W，8节200W300W、35节1000W1500 W电池组，经过几十次启动停工循环及近千小时运行，证明电池组性能稳定。35节1 000 W-1 500 W级PEMFC电池组特征见。,熔融碳酸盐型燃料电池,熔融碳酸盐型燃料电池
12、（MCFC）的工作温度在650700，以浸有（K、Li）CO2的LiAlO2隔膜为电解质。电催化剂无需使用贵金属，以雷尼镍和氧化镍为主，可用净化煤气或天然气为燃料。100 kW1000kW电厂试验和发展研究主要在美国、日本和西欧进行。,熔融碳酸盐型燃料电池,应用实例,前景与挑战,目前燃料电池研究与开发集中在4个方面：（1）电解质膜（2）电极（3）燃料；（4）系统结构。 日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池， 尤其重视（1）（3）方面的材料研究与开发。 第4方面的研究课题是燃料电池的系统结构，前3个方面是构成燃料电池的必要准备，而系统结构是燃料电池的最终结果。,燃料电池将结束火力时代美国国
13、家科技委员会人士在2000年指出“燃料电池将结束火力时代”,一、通过示范验证，表明燃料电池汽车各项性能、工作 可靠性及支持其运行的加氢站系统已达到商业化认可 的成熟程度；二、每辆汽车的成本要降低到能实现商业化竞争的水平；三、氢燃料的生产、供应网络及价格已能适应和满足燃 料电池汽车大量使用的要求；四、燃料电池汽车技术本身能为消费者接受和认可；五、适应于该技术的配套政策、法规和标准基本齐全。,商业化要满足五个条件,主要研究成员,目前燃料电池汽车的价格，燃料电池小客车的价格大约为100万美元/辆，大客车价格为250万300万美元/辆，主要原因是燃料电池汽车的研究开发成本太高。 据估计，目前燃料电池的
14、价格为500010000美元/kW，离美国能源部45美元/kW的目标相差太远。 目前，政府是高价格的燃料电池汽车惟一的用户，丰田租给日本3个政府部门和内阁办公室一辆5座的“FCHV”，每月租金为9800美元；本田4座的“FCX”，每月租金为6500美元。,燃料电池汽车的性能还不成熟，需不断改进。 以世界最著名的巴拉德公司为例，他们在2005年2月16日宣称，其燃料电池已经可以在零下20摄氏度下反复低温起动，铂用量从1mg/cm2下降到0.7mg/cm2，耐久性可以达到工作2000小时性能下降不超过5%，而美国能源部的目标是5000小时，因此耐久性还远不能满足要求。 燃料电池技术是一个还在不断发
15、展中的技术，以质子交换膜为例，当前的PEM燃料电池基本上都是用的杜邦公司生产的Nafion膜，这种膜在较低的相对湿度(RH)或高温下使用时，离子传导性就会变差，燃料电池工作温度最好在摄氏80度左右，温度过高，膜就会脱水。作为在车辆上应用的燃料电池，通用汽车公司曾提出使用高温膜的建议，但这种高温膜仍在开发与试验之中，尚未达到实用的程度。,目前在世界上运行的燃料电池汽车，无论是欧洲10国示范的奔驰大客车，还是在美国和日本运行的本田、丰田小客车，都还是试验或示范性质的。2005年2月3日，本田公司在拉斯维加斯宣布：以每月500美元的租金将两辆FCX燃料电池小客车租给拉斯维加斯市政府使用，目的是观察其
16、燃料电池中的聚合物膜在该地区干燥气候条件下的使用情况，因为干燥的空气对聚合物膜的工作不利。本田还有两辆FCX在纽约州进行寒冷地区使用试验。,2004.6东芝发布了世界上最小的燃料电池大约只有拇指大小。该电池使用氢气和氧气的混合物来提供电力，这和阿波罗登月计划中使用的电力供应方法是一样的。,东芝公司的Sean Collins表示：将会有为笔记本设计的更大型的电池以提供更长的续航时间。使用燃料电池的笔记本一次充电能够使用十个小时。而东芝上一代燃料电池采用的是以甲醇为原料的。那款笔记本用燃料电池的输出额为12瓦特，最大可达20瓦特。单片电池可使用5个小时之久。那款电池在03年3月份的德国汉诺威举办的
17、CeBIT大展上曾经亮相。,2004.9.5市场研究公司ABIResearch最近发表的一篇研究报告当我们等待以氢为能源的笔记本电脑、掌上电脑和手机成为商品化的现实的时候，能够在便携式设备中替代电池的微型燃料电池正在取得进展。在燃料电池领域处于领先地位的大多数是日本的公司。,ABIResearch称，主要日本厂商明年将推出数量有限的采用微型燃料电池的便携式设备，试验用户的接受程度。以后，高端消费者将开始采用这种产品，但是，大众市场接受这种产品可能还要等到2008年或者2008年以后,全球消费电子巨头日立、NEC和 东芝等公司在微型燃料电池领域处于领先地位，此外还有一些在国际上知名度不太高的大型
18、企业。不过，日本还没有完全垄断微型燃料电池市场。在美国，MTI微型燃料电池公司、Medis技术公司和其它少数几家公司也在积极开发微型燃料电池。,2004.1月，日产汽车日前宣布，燃料电池车“X-TRAIL FCV”2003年款式已经获得了日本国土交通大臣的认定，将开始限量租赁销售。尚未发表租赁销售对象及数量等。X-TRAIL FCV的2003年款式与2002年款式相比，除了将马达输出功率提高了0.5倍之外，还提高了其它性能，比如通过提高充电电池的输出密度缩小体积等。在最高输出方面，马达为85kW、电池组为63kW。最高速度为145km/h、连续行驶距离为350km以上。采用了超薄层叠型电池，由
19、此提高了车内空间效率。,使用电池：美国UTC Fuel Cells,压缩氢气,固体高分子型输出功率63kW,本田燃料电池轿车“FCX” 2005年正式上市,B-Cell,美国日前开发成功了便携式固体氧化物燃料电池（SOFC：Solid OxideFuelCell）。以丙烷气为燃料，每填充一次燃料，大约可连续24小时输出50W的电力。该电池已在2004年11月1日到5日于德克萨斯州圣安东尼奥(SanAntonio)举行的“FuelCell Seminar”上公开。燃料电池的名称为“Revolution50”。该公司为这种燃料电池设想的用途为“士兵装备的燃料供给、充电电池的便携充电系统、户外照明和
20、广告系统、自动售货机电源以及电动工具等等”,NanoDynamics公司通过在陶瓷材料技术和电池单元的设计上加大研发力度，可以在相对较低一些的600850下的驱动。特性方面，该公司表示,“电池单元的单位面积的输出功率密度为1W/cm2。单位重量的能量密度为3000Wh/kg。薄膜等材料均为该公司自主开发。,美研制出第一种燃料电池越野车(AMV),国防信息中心10月27日报道，美国昆腾燃料系统技术公司近日在美国陆军协议举办的2004年度车展上，展出了该公司最新研制的高性能燃料电池越野车。,“选择性机动车辆（AMV）”的名称为“攻击者”， 是一种燃料电池车，由昆腾公司为美陆军设计、生产。,“攻击者
21、”加装有一台10千瓦的燃料电池，另外还配备了一个能量贮存模块。根据最初的几次测试，与未改进的汽油内燃机越野车相比，“攻击者”具有更好的加速度能力，其速度是前者的2倍。在不受控制的情况下，“攻击者”可以以每小时80英里（约129公里）的速度行驶，而其它越野车的速度则为每小时40英里（约64公里）。 “攻击者”可以在驶到目的地之后，利用无声动力，为无线电通讯、监视、目标瞄准、以及其它作战装备提供电力。在整个的作战模式当中，“攻击者”不会向外散发光热等辐射。,2004.8Honda将汽车领域的燃料电池技术应用到摩托车，开发出搭载摩托车专用的轻量化、小型化Honda燃料电池系统“Honda FC ST
22、ACK”的燃料电池摩托车。Honda将可以在0以下正常启动的高效率、新一代燃料电池“Honda FC STACK”小型化、轻量化，设计成适用于摩托车的尺寸，并利用在汽车领域研究开发的先进技术，使其成为专用于摩托车使用的小型化燃料电池系统。,燃料电池摩托车以在全球受到广泛好评的125cc踏板摩托车为平台，将电动驱动装置集中配置在后轮摇臂上，确保了车体的空间。同时，将“Honda FC STACK”配置在车体中央，并将周边辅助系统高效的配置在其周围，使车辆的外观尺寸与同级别摩托车同样。今后的目标是，进一步实现燃料电池系统模块的小型化、轻量化，确保其具有与发动机摩托车同等的连续行驶距离和实用载物空间
23、。,日本和美国市场有售,一辆燃料电池越野车在科罗拉多州大石城的充电站充电。(自ENS环境新闻网),位于加利福尼亚州的美国首家氢燃料充电站将为洛杉矶地区的燃料电池汽车提供电力。(自ENS环境新闻网),据ENS环境新闻网报道，美国氢燃料电池汽车示范项目显示，美国汽车厂商能在2014至2016年间将氢燃料电池汽车推向市场。国家可再生能源实验室的燃料电池汽车试点项目始于2004年，在七年时间里，美国能源部国家可再生能源实验室共试验183辆汽车，经过50万次测试，行驶近600万公里，积累了15.4万小时的行驶数据。项目同时对25个氢燃料站进行试验，燃料站为试验汽车提供了15.2万公斤燃料。国家可再生能源
24、实验室和氢技术项目的执行经理基斯威普克(Keith Wipke)表示，尽管氢气具有易爆性，安全问题至关重要，但实验过程中没发现任何安全问题。他说：“项目试验结果显示，燃料电池汽车发展迅猛。目前，汽车制造商和研究人员还在测试其成本、持久性、批量生产可行性等问题。未来几年，汽车制造商将氢燃料电池汽车推向市场的前景乐观。”,神力科技研制成功新一代燃料电池游览车,2004.7,上海神力科技有限公司的新一代5-10千瓦燃料电池游览车研制成功，这种新型燃料电池游览车将在国内旅游景点、公园、高尔夫球场等公共场所进行示范运行。,上海神力科技有限公司曾于2000年10月，自行开发出我国首辆质子膜燃料电池电动游览
25、车，并在“上海工业博览会”展出，受到专家的高度评价。此后，神力公司承担了国家十五“863”计划“燃料电池发动机”课题，成功研制多台燃料电池发动机，用于清华大学燃料电池城市大巴和同济大学“超越”系列燃料电池轿车。以“863”计划的燃料电池发动机成熟技术为基础，上海神力科技有限公司开发了新一代燃料电池游览车。,“质子交换膜燃料电池汽车发动机”项目被列入2004年国家级“火炬计划”,神力公司成立于1998年6月，是专门从事质子交换膜燃料电池(PEMFC)产品的研发与产业化的高科技民营企业。六年来，在各级政府的扶持下，在燃料电池工程技术领域取得了许多重要成果，完成了6项国家重点科研攻关任务，开发了5个
26、系列的燃料电池产品，在技术、人才、生产及配套等方面为燃料电池产业化打下了的坚实基础。自2001年起，神力公司承担了国家863计划“燃料电池发动机”项目，其主要任务就是分别为同济大学的燃料电池轿车和清华大学的燃料电池大巴提供大功率的质子交换膜燃料电池发动机。自2002年起，神力公司为同济大学的燃料电池轿车研制了两代(第一代30kw，第二代36kw)发动机；为清华大学的燃料电池大巴研制了三代(第一代50kw，第二代60kw，第三代100kw)发动机。,神力公司研制成功的第三代100KW燃料电池大巴发动机。该燃料电池发动机在许多关键技术方面实现了重大的创新与突破，净输出功率最高达到150千瓦。这使我
27、国成为继加拿大(巴拉德公司)之后第二个可以独立研制超大功率的燃料电池发动机的国家。该发动机在燃料效率、体积、重量、比功率等指标方面处于国际领先的地位。,2004年， 中国研制的燃料电池轿车“超越二号”在上海市工业博览会上现身，它将在明年投入批量生产。 银白色的“超越二号”燃料电池轿车，外壳是型，但核心是燃料电池发动机，用压缩氢气，经过低温燃烧，产生电能从而驱动汽车。燃料电池汽车，利用氢作为能量来源，具有无污染、低能耗、低噪声等独特的优点 。“超越二号”是同济大学继去年研制出中国首辆燃料电池轿车“超越一号”后的又一杰作。而且它的性能超越了前者，实验台驾车的最高时速达公里，从加速到最高时速耗时.秒
28、，续驶里程为公里。“超越二号”在月中旬参加了国际必比登清洁汽车挑战赛，与国外燃料电池轿车同台竞技。经测试该车在污染排放、CO2排放、噪声、蛇行和燃料经济性方面达到级水平，并获得个单项技术奖，这标志着中国燃料电池轿车技术水平已跨入世界先进行列。,科技部国家实验室专家组对化物所拟建大连洁净能源国家实验室进行考察,11月13日星期六,中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心,中国科学院大连化学物理研究所从事燃料电池的研究和开发迄今已有三十余年的历史。 六十至七十年代研制成功两种型号的碱性氢氧燃料电池(AFC)，八十年代研制成功碱性自由介质氢氧燃料电池和大容量氧化还原液流贮能电池，同时进行了燃料电
29、池技术的应用研究；九十年代从事质子交换膜燃料电池(PEMFC)、新型储能电池、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、再生氢氧燃料电池(RFC)和直接醇类燃料电池（DAFC）等方面的研究与开发。为加速燃料电池技术的研究开发及产业化，1998年成立了中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心。,三室：新能源研究室,基础研究领域：薄层金属双极板 具有诸多优点的薄层金属板是最有潜力的极板替换材料，具有成本低、本体电阻小、导热性能适中、机械性能好、可批量生产的优点。但却有电池环境下易腐蚀和氧化膜降低电池性能的缺点。这就决定了薄层金属板在电池中大规模应用时，必须进行表面处理。因
30、而薄层金属板的研究重点集中在表面改性和涂层上。电池内部传递过程实验研究与数值模拟 （1）电池可视化实验（2）电池排水行为动态测定（3）燃料电池模型研究PEMFC用亲水型薄层电极（CCM）的研究与制备 应用一种简易的方法制备PEMFC的亲水型薄层MEA。实验发现, 在小电流密度区, 亲水型MEA的极化性能差于疏水型MEA, 但在大电流密度区，则前者的极化性能优化后者，Pt电化学比活性也明显高于疏水型电极。质子交换膜燃料电池电流密度分布的研究 大功率燃料电池研究中存在的主要问题是电池在放大过程中性能出现大幅度衰减。首次将测定电流密度分布作为一种实验工具，实现对电池关键部件的研究，同时指明了改进电流
31、密度分布的方向。,研究进展,2000年,研制成功30kW氢气/氧气燃料电池发动机,2002年,研制成功75kW氢气/空气燃料电池发动机2003年8月，研制成功90kW氢气/空气燃料电池发动机,2003年10月研制成功100kW氢气/空气燃料电池发动机2004年10月，研制成功150kW氢气/空气燃料电池发动机,2004年12月，中国第一台燃料电池城市客车,完成3000公里试运行,承担项目 国家“863”计划：电动车重大专项“燃料电池发动机”课题国家“973”项目：“燃料电池组流体分配反应及电池组失效机理研究”中国科学院知识创新重大专项：“大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术”,燃料电池的研究与发展，为便携式电子设备带来一场深刻的革命，并且还会波及到汽车业、住宅以及社会各方面的集中供电系统。它将把人们由集中供电带进分散供电的新时代。因为太阳能供电虽然能替代部分能源，但它受天气与气候的制约，核能利用又存在安全问题。而燃料电池供电，没有二氧化碳的排放，解决了火力发电使全球环境污染的问题，是纯正的绿色清洁能源。随着燃料电池关键技术瓶颈得以解决，以及新技术开发研究和商业化运作，发展中的燃料电池技术必将能够加快我国经济建设与可持续化发展步伐。,
