燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)及研究進(jìn)展

蔣清梅

(重慶化工職業(yè)學(xué)院，重慶 400020)

燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)及研究進(jìn)展

蔣清梅

(重慶化工職業(yè)學(xué)院，重慶 400020)

燃料電池是一種直接將化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)器件，是一種綠色能源，可同時(shí)解決節(jié)能和環(huán)保兩大世界難題。本文根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)，綜述了燃料電池(PEMFC)的研究現(xiàn)狀及燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)。

燃料電池；原理；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

1 概述

燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其轉(zhuǎn)化過(guò)程是一種不經(jīng)過(guò)燃燒的電化學(xué)反應(yīng)。燃料電池工作時(shí)，氫氣或者其他燃料輸入到陽(yáng)極，并在電極和電解質(zhì)的界面上發(fā)生氫氣或其他燃料氧化與氧氣還原的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流，輸出電能。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，燃料電池的發(fā)電效率不受卡諾循環(huán)限制，CO、CO2、SO2、NOx及未燃燒盡的有害物質(zhì)排放量低，是繼水電和核電之后的一種清潔發(fā)電方式。

燃料電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極為燃料電極,正極為氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，限制了電池容量，而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是一個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此，燃料電池是名副其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。燃料電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，原則上只要反應(yīng)物不斷的輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷的排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電了[1-2]。

2 燃料電池研究現(xiàn)狀

燃料電池是一種電化學(xué)發(fā)電裝置，等溫地按電化學(xué)方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，它不受卡諾循環(huán)限制，直接高效(40%～60%)，環(huán)境友好，幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物。由于這些突出的優(yōu)點(diǎn)，有關(guān)燃料電池技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到各國(guó)政府與大公司的重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的直接、高效、潔凈的發(fā)電技術(shù)[2]。

到目前為止，燃料電池已經(jīng)出現(xiàn)了很多種技術(shù)和結(jié)構(gòu)類(lèi)型。根據(jù)電解質(zhì)的不同，可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等五大類(lèi)。

2.1 堿性燃料電池(AFC)

AFC采用35%-45% KOH或NAOH溶液作為電解質(zhì)，工作溫度一般為80 ℃，一些新型的設(shè)計(jì)可將其工作溫度降低到23-70 ℃。堿性燃料電池技術(shù)的發(fā)展已非常成熟，并已經(jīng)在航天飛行及潛艇中成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)已研制出200 W氨-空氣的堿性燃料電池系統(tǒng)，制成了1,10 ,20 kW的堿性燃料電池，九十年代后期在跟蹤開(kāi)發(fā)取得了非常有價(jià)值的成果[3]。

2.2 磷酸型燃料電池(PAFC)

PAFC是以磷酸為電解質(zhì)的氫氧燃料電池，他用天然氣重整富氫氣體為燃料，空氣做氧化劑，以浸有濃H3PO4的SiO2微孔膜做電解質(zhì)，Pt-C為催化劑，工作溫度150～220 ℃，發(fā)電效率達(dá)40%～50%。美國(guó)將磷酸型燃料電池列為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，向全世界出售200 kW級(jí)的磷酸型燃料電池，日本制造出了世界上最大的(11 MW)磷酸型燃料電池。國(guó)內(nèi)魏子棟等人進(jìn)行Pt 3(Fe Co)/C氧還原電催化劑的研究上，并提出了Fe/Co對(duì)Pt的錨定效應(yīng)[4]。

2.3 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

MCFC工作溫度為650～700 ℃，以浸有(K/Li)2CO3的LiALO2隔膜為電解質(zhì)，電催化劑無(wú)需使用貴金屬，以雷尼鎳和氧化鎳為主；可用凈化煤氣和天然氣為燃料。MCFC主要是在美國(guó)、日本、和西歐研究和利用較多，2～5 MW外公用管道型熔融碳酸鹽燃料電池已經(jīng)問(wèn)世，在解決MCFC的性能衰減和電解質(zhì)遷移方面已取得突破。我國(guó)已將MCFC正式列入國(guó)家"九五"攻關(guān)計(jì)劃，已研制出1～5 kW的熔融碳酸鹽燃料電池[5]。

2.4 固體氧化物燃料電池(SOFC)

在SOFC的陽(yáng)極一側(cè)通入燃料氣，燃料氣體通過(guò)陽(yáng)極的多空結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。在陰極通入的空氣通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)。目前已開(kāi)發(fā)了管式、平板式[6]和瓦楞式等多種結(jié)構(gòu)形成的固體氧化物燃料電池，這種燃料電池被稱(chēng)為第三代燃料電池。國(guó)內(nèi)大都處于SOFC的基礎(chǔ)研究階段。

2.5 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

PEMFC的電極為多孔氣體擴(kuò)散電極，以純鉑或碳載鉑作電催化劑，電解質(zhì)為全氟磺酸型固體聚合物，氫氣為燃料，氧氣或空氣為氧化劑。是繼AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速發(fā)展起來(lái)的溫度最低、比能最高、啟動(dòng)最快、壽命最長(zhǎng)、應(yīng)用最廣的第五代燃料電池，它是為航天和軍用電源而開(kāi)發(fā)的。國(guó)內(nèi)研制具有代表性的是利用AFC技術(shù)積累全面開(kāi)展PEMFC研究；在以聚苯乙烯磺酸膜為電解質(zhì)的PEMFC、Pt/C電催化劑制備、表征和解析方面也進(jìn)行了廣泛的工作[7-8]。

3 我國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問(wèn)題

目前我國(guó)燃料電池的研究方向主要在燃料電池的應(yīng)用方面，投入的人力、資金大多集中在如何應(yīng)用于汽車(chē)上作為動(dòng)力讓汽車(chē)跑起來(lái)，如何用在通訊機(jī)站上，并能夠快速切換電源；而燃料電池生產(chǎn)企業(yè)在提高燃料電池性能、壽命、降低成本方面的研發(fā)工作也大多集中在如何改善氣道、提高催化劑的均勻性和生產(chǎn)工藝的研究上。目前我國(guó)質(zhì)子交換膜燃料電池尚未實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化，無(wú)論是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、備用電源還是電站，都只是由政府買(mǎi)單的研發(fā)-示范項(xiàng)目的少量應(yīng)用，還談不上商業(yè)化市場(chǎng)運(yùn)行，能真正運(yùn)行測(cè)試的也只有燃料汽車(chē)。要想進(jìn)一步提高性能、提高壽命和降低成本，主要精力應(yīng)該放在燃料電池的四大主材上，如果這四大主材在性能上沒(méi)有新的突破、沒(méi)有新功能材料的出現(xiàn)、沒(méi)有材料的國(guó)產(chǎn)化，那么要想達(dá)到上述目標(biāo)幾乎是不可能的。

首先，從技術(shù)上，新概念的產(chǎn)生、發(fā)展與完善是燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵。其次，材料科學(xué)是燃料電池發(fā)展的基礎(chǔ)。一種新的、性能優(yōu)良的材料的發(fā)現(xiàn)并在燃料電池中的應(yīng)用，將會(huì)促進(jìn)燃料電池的飛速發(fā)展。我國(guó)燃料電池的發(fā)展要向高性能、高壽命、低成本的方向發(fā)展，這就要求我們要加大燃料電池用材料研發(fā)力度，加快燃料電池原材料的國(guó)產(chǎn)化步伐。雖然我國(guó)也有企業(yè)在研制質(zhì)子交換膜、碳纖維材料、催化劑和石墨材料，但由于國(guó)家在這方面的支持力度沒(méi)有像支持燃料電池生產(chǎn)企業(yè)的力度那樣大，所以企業(yè)本身研發(fā)新材料的積極性不高，致使我國(guó)燃料電池企業(yè)生產(chǎn)了10多年還沒(méi)有能夠用上國(guó)產(chǎn)四大主材中的三大主材。近年來(lái)石墨材料已有了很大突破，板厚從3mm降到了現(xiàn)在的1mm，價(jià)格從最早的1元/cm2降到了現(xiàn)在的0.125元/cm2，但仍不能滿(mǎn)足商業(yè)化的要求。影響燃料電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)發(fā)展的因素，除了材料的問(wèn)題，還有配套系統(tǒng)的設(shè)備問(wèn)題。由于燃料電池供氣系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)不能提供足夠壓力和足夠流量的空氣，致使有些廠(chǎng)家犧牲掉燃料電池的效率去配套汽車(chē)的要求。因此為了達(dá)到設(shè)計(jì)功率就勢(shì)必要增加膜電極數(shù)量，所以說(shuō)燃料電池技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)多學(xué)科、多領(lǐng)域共同協(xié)作研發(fā)的系統(tǒng)工程。

4 燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)[10]

隨著生物技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，相信上述幾類(lèi)已經(jīng)商品化的燃料電池[9]在相關(guān)技術(shù)方面也會(huì)發(fā)生日新月異的變化，今后也將進(jìn)行進(jìn)一步的發(fā)展。

4.1 沿生物燃料電池發(fā)展

這種電池是用生物原料生產(chǎn)電能。即將生物原料通過(guò)反應(yīng)器轉(zhuǎn)換成燃料氣體，經(jīng)加工處理后作為燃料電池的原料，應(yīng)用于分散電站，供家庭或城市用電；也可轉(zhuǎn)換成H2，用于電動(dòng)汽車(chē)。這種電池的最大優(yōu)點(diǎn)就是使用時(shí)不但不會(huì)產(chǎn)生污染，而且可以處理一些生活垃圾，美化了環(huán)境，這也是很吸引科學(xué)家的地方。

4.2 沿細(xì)菌燃料電池發(fā)展

燃料電池中另一個(gè)亮點(diǎn)是細(xì)菌電池。其基本原理是通過(guò)細(xì)菌發(fā)酵，把酸或糖類(lèi)轉(zhuǎn)化氫氣，再將氫導(dǎo)入磷酸燃料電池后發(fā)電。美國(guó)設(shè)計(jì)出一種供遨游空用的細(xì)菌電池。

4.3 “巨型化”發(fā)展方向

巨型化，不是說(shuō)增大燃料電池的體積和重量，而是指增加其工作能力，延長(zhǎng)其壽命。80年代以來(lái)，隨著世界各國(guó)對(duì)燃料電池技術(shù)的重視，燃料電池技術(shù)得到了不斷的推進(jìn)和發(fā)展。其性能變得更優(yōu)越，“壽齡”也日益延長(zhǎng)。燃料電池在21世紀(jì)將走向巨型化，將實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化進(jìn)程。

4.4 沿小型化方向發(fā)展

燃料電池今后的發(fā)展方向除了電動(dòng)車(chē)輛，另一方向是燃料電池小型化，替代普通電池在膝上電腦，便攜式電子器件等方面的應(yīng)用。

[1] Chun shan Song. Fuel processing for low temperature and high - temperature fuel cells: Challenges and opportunities for sustainable development in the 21 st century[J].Catalys is Today, 2002, 77(1/2): 17-49.

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TheLatestDevelopmentTrendandResearchProgressofFuelCell

JiangQingmei

(Chongqing Chemical Industry Vocational College ，Chongqing 40020,China)

Fuel cell with the conversion from chemical energy to electrical energy is an electrical-chemical device. As the conversion is high efficiency and environment friendly, it is considers as a green energy. Moreover, fuel cell can solve the problems of saving energy and protection environment. According to the features of fuel cell, the paper summarizes the research progress and developing of fuel cell, including alkalecent fuel cell (AFC), phosphate fuel cell (PAFC), melt carbonte fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC) and proton exchange membrane fuel cell.

fuel cell; mechanism; research progress; develop trends

2017-09-18

蔣清梅(1983—)，女，陜西寶雞人，講師。

TM911.4

A

1008-021X(2017)22-0056-02

(本文文獻(xiàn)格式：蔣清梅.燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)及研究進(jìn)展[J].山東化工，2017，46(22)：56-57.)

紅日化工通過(guò)“三合一”管理體系審核

近日，由專(zhuān)業(yè)審核員趙紅梅率領(lǐng)的方圓標(biāo)志認(rèn)證集團(tuán)有限公司專(zhuān)家審核組蒞臨山東紅日化工股份有限公司，對(duì)紅日化工公司質(zhì)量、環(huán)境、職業(yè)健康安全“三合一”管理體系進(jìn)行換證審核。經(jīng)過(guò)四天的認(rèn)真審核后，專(zhuān)家組確認(rèn)紅日化工公司“三合一”管理體系總體運(yùn)行狀況良好。

本次審核是該公司“三合一”管理體系第三次換證審核，同時(shí)也是質(zhì)量管理體系、環(huán)境管理體系新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后的換版審核。專(zhuān)家組按照《審核計(jì)劃》及標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)公司覆蓋復(fù)混肥料(復(fù)合肥料)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)、副產(chǎn)鹽酸生產(chǎn)的“三合一”管理體系進(jìn)行了全面審核。本次審核的目的是了解公司管理體系的基本情況；收集公司管理體系范圍、過(guò)程和場(chǎng)所的必要信息及管理體系的實(shí)施程度；確認(rèn)公司文件所述的管理體系與審核準(zhǔn)則的符合性、適宜性及體系運(yùn)行的有效性。

(紅日化工公司 劉海青)