fc技術(shù)及應(yīng)用

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1、燃料電池技術(shù)及應(yīng)用引言燃料電池的發(fā)明各種燃料電池的技術(shù)燃料電池的應(yīng)用引言１８５４年美國打出了世界上第一口油井，曾在數(shù)千年的人類史中閃爍著零星火光的黑色液體，終于點(diǎn)燃了的石油工業(yè)。僅僅一百年之后，由石油和煤支撐起的現(xiàn)代文明社會(huì)，已經(jīng)清楚地察覺文明之下的危機(jī)：地球歷經(jīng)千萬年乃至上億年歷史累積而成的寶藏，在這樣的消耗速度下將會(huì)迅速枯竭，大氣污染和酸雨等環(huán)境問題也困擾著人們?！澳茉锤锩钡暮袈晱模玻笆兰o(jì)６０年代起就日漸高漲，而那正是石油消費(fèi)量超過煤炭、成為新一代主體能源的時(shí)候。時(shí)至今日，世界經(jīng)濟(jì)大體上仍然是化石燃料依賴型的，石油、煤和天然氣占世界初級能源消費(fèi)總量的８５％左右，剩下

2、的部分主要是水電和核電，真正的可再生清潔能源如風(fēng)能、太陽能等所占比例不到３％。世界能源需求仍在以１．５％～２％的年率增長，而地質(zhì)學(xué)家預(yù)測說，石油和天然氣價(jià)格將大幅度上升，再也不會(huì)回落。如果到時(shí)候還沒有找到真正能夠取代石油的新能源，必將出現(xiàn)大面積的經(jīng)濟(jì)恐慌，許多國家正為此不斷付出政治和資金上的代價(jià)。例如美國對伊拉克的戰(zhàn)爭實(shí)際上是為了它的石油，導(dǎo)致薩達(dá)姆的下臺。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。同時(shí)還有以下一些特點(diǎn)：不管是滿負(fù)荷還是部

3、分負(fù)荷均能保持高發(fā)電效率；不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率；具有很強(qiáng)的過負(fù)載能力；通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；用天然氣和煤氣等為燃料時(shí)，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。燃料電池的發(fā)明早在１８３９年，英國科學(xué)家威廉·格羅夫就提出了氫氧燃料電池的原理。這是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的化學(xué)系統(tǒng)，它的主要部件為兩個(gè)電極和電解液。在正極（燃料電極），氫氣在催化劑作用下被拆開成為質(zhì)子（氫離子）和電子，其中氫離子通過電解液流到負(fù)極（氧氣電極），而電子不能通過電解液，留在正極，這樣就在兩極之間形成了電位差。如果接通兩極，氫原子分拆出的電子就會(huì)沿電路從正極流到負(fù)極

4、，在那里同氫離子結(jié)合后，與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成水并釋放出熱量。雖然稱為燃料電池，其運(yùn)作過程中并不會(huì)產(chǎn)生明火。產(chǎn)生電能的過程也不需要旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件。因此燃料電池構(gòu)造簡單，能量利用率高，噪音小而且穩(wěn)定。理論上，應(yīng)用于汽車的燃料電池可以把氫燃料能量的６０～７０％轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而內(nèi)燃機(jī)只能達(dá)到２０～２５％。燃料電池的種類直接甲醇燃料電池氫氧燃料電池固體氧化物燃料電池一直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池——簡稱DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇為燃料，通過與氧結(jié)合產(chǎn)生電流的，優(yōu)點(diǎn)是直接使用甲醇，省去了氫的生產(chǎn)與存儲(chǔ)。其電化學(xué)轉(zhuǎn)化過程又可分為兩種方

5、式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。直接燃料電池主要是甲醇在陽極被電解為氫和二氧化碳，氫通過質(zhì)子膜到陰極與氧氣反應(yīng)并同時(shí)產(chǎn)生電流。間接燃料電池是先將甲醇進(jìn)行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過質(zhì)子膜電解槽反應(yīng)而獲得供給汽車動(dòng)力的電能。圖為世界最小的甲醇燃料電池。直接甲醇燃料電池世界最小的甲醇燃料電池燃料電池理燃料電池日本則武公司的產(chǎn)品在改進(jìn)后，達(dá)到了160mW/cm2的高功率密度，性能約為原來的1.5倍。據(jù)分析，之所以能達(dá)到如此高的性能，主要原因在于使用了有機(jī)物和無機(jī)物的混合技術(shù)來制作電解質(zhì)材料，從而大大減少了甲醇透過電解質(zhì)膜的“甲醇滲透”現(xiàn)象，并提高了電解質(zhì)膜

6、的形狀穩(wěn)定性。則武公司從事燃料直接使用液態(tài)甲醇的DMFC電解質(zhì)膜的開發(fā)，由于DMFC具有無需燃料改質(zhì)器、可在低溫下工作等優(yōu)點(diǎn)這種燃料電池以甲醇為能量來源。這種燃料電池以甲醇為能量來源，手機(jī)，筆記本電腦將不再用充電。二氫氧燃料電池在酸性溶液中負(fù)極：H2+2H2O-2e→2H3O+（8-1）在堿性溶液中負(fù)極：H2+2OH--2e→2H2O（8-3）因此，無論采用酸性還是堿性電解液，氫氧燃料電池的總反應(yīng)可表示為：2H2+O2---H2O這一反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氫的燃燒反應(yīng)，氫是一種燃料，而氧則是一種氧化劑。所以，在燃料電池中，負(fù)極上進(jìn)行燃料的氧化過程，而正極上進(jìn)行氧化劑的還原過程。燃料

7、電池的負(fù)極常常又被稱作“燃料電極”，它是燃料電池的主要工作電極，正極又被稱作“氧化劑電極”，燃料電池中常用的氧化劑是空氣中的氧。在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-，H+移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。再生氫氧燃料電池將水電解技術(shù)（電能＋2H2O2H2＋O2）與氫