燃料電池的發(fā)展研究應(yīng)用概況

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1、燃料電池的發(fā)展研究應(yīng)用概況摘要：燃料電池是一種高效、清潔的電化學(xué)發(fā)電裝置，近年來得到國內(nèi)外普遍重視。本文詳細(xì)闡述了燃料電池的近期研究進展與面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向。燃料電池在宇審飛船、航天飛機及潛艇動力源方面已經(jīng)得到應(yīng)用，在汽車、電站及便攜式電源等民用領(lǐng)域成功地示范，但低成本、長壽命仍然是商業(yè)化面臨的瓶頸問題。未來我國應(yīng)大力推進燃料電池在水下潛器、航天飛行器等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，解決高可靠性與安全性及環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵問題；同時，在民用領(lǐng)域要實現(xiàn)燃料電池壽命與成本兼顧，從材料、部件及系統(tǒng)等3個層次深入技術(shù)改進與創(chuàng)新，盡快推進燃料電池

2、的商業(yè)化。關(guān)鍵詞：燃料電池；發(fā)展；應(yīng)用能源是國民經(jīng)濟的動力，也是衡量綜合國力和人民生活水平的重要指標(biāo)。隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)的高速發(fā)展，全世界對能源的需求H益增加。另外，能源的使用以化石燃料為主，排放了大量CO2、20及硫化物等污染物，造成了環(huán)境污染，嚴(yán)重危害人民健康。因此，采用清潔、高效的能源利用方式，積極開發(fā)新能源，有利于國家和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。燃料電池是一種電化學(xué)的發(fā)電裝置，等溫的按電化學(xué)方式，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不必經(jīng)過熱機過程，不受卡諾循環(huán)限制，因而能量轉(zhuǎn)化效率高，且無噪音，無污染，正在成為理想的能源利用方式。同

3、時，隨著燃料電池技術(shù)不斷成熟，以及四氣東輸工程提供了充足天然氣源，燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用存在著廣闊的發(fā)展前景。一、燃料電池的原理燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學(xué)原理，即原電池工作原理，等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實際過程是氧化還原反應(yīng)，其工作原理如下圖所示。燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質(zhì)遷移到陽極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，

4、產(chǎn)生電流。同時，由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導(dǎo)電子外，也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飬?，陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路，電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。陰極T氧化氣□電解質(zhì)陽極燃料氣e燃料電池工作原理示意圖二、燃料電池的應(yīng)用2.1航天領(lǐng)域早在上個世紀(jì)60年代，燃料電池就成功地應(yīng)用于航天技術(shù)，這種輕質(zhì)、高效的動力源一直是美國航天技術(shù)的首選。

5、以燃料電池為動力的Gemini宇宙飛船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了8天的飛行。由于這種聚苯乙烯堿酸膜穩(wěn)定性較差，后來在Apollo宇宙飛船采用了堿性電解質(zhì)燃料電池,從此開啟了燃料電池航天應(yīng)用的新紀(jì)元。在Apollo宇宙飛船1966年至1978年服役期間，總計完成了18次飛行任務(wù)，累積運行超過了10000h,表現(xiàn)出良好的可靠性與安全性。除了宇宙飛船外，燃料電池在航天飛機上的應(yīng)用是航天史上又一成功的范例。美國航天飛機載有3個額定功率為12kW的堿性燃料電池，每個電堆包含96節(jié)單電池，輸出電壓為28V,效率超過

6、70%。單個電堆可以獨立工作，確保航天飛機安全返航，采用的是液氫、液氧系統(tǒng)，燃料電池產(chǎn)生的水可以供航天員飲用。從1981年首次飛行直至2011年航天飛機宣布退役，在30年期間里燃料電池累積運行了101000h,可靠性達到99%以上。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所早在70年代就成功研制了以航天應(yīng)用為背景的堿性燃料電池系統(tǒng)。這一航天用燃料電池研制成果，為我國此后燃料電池在航天領(lǐng)域應(yīng)用奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。2.2潛艇方面燃料電池作為潛艇AIP(Air-IndependentPropulsion,AIP)動力源，從2002年第一艘燃料電

7、池AIP潛艇下水至今已經(jīng)有6艘在役，還有一些FC-AIP潛艇在建造中。2009年10月意大利軍方訂購的2艘改進型FC-AIP潛艇開始建造，潛艇水面排水量為1450噸，總長為56m,最大直徑為7m,額定船員24名，水下最大航速為20節(jié)，計劃在2015?2016年開始服役。FC-AIP潛艇具有續(xù)航時間長、安靜、隱蔽性好等優(yōu)點，通常柴油機驅(qū)動的潛艇水下一次潛航時間僅為2天，而FC-AIP潛艇一次潛航時間可達3周。這種潛艇用燃料電池是由西門子公司制造，采用鍍金金屬雙極板。212型艇裝載了額定功率為34kW的燃料電池模塊，214型艇裝載

8、了120kW燃料電池模塊，，額定工況下效率接近60%o2.3電動汽車隨著汽車保有量的增加，傳統(tǒng)燃油內(nèi)燃機汽車造成的環(huán)境污染日益加劇，同時，也面臨著對石油的依存度日益增加的嚴(yán)重問題。燃料電池作為汽車動力源是解決因汽車而產(chǎn)生的環(huán)境、能源問題的可行方案之一，近20年來得到各國政府、