燃料电池技术论文十篇

燃料电池技术论文篇1

【摘要】本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。

1．引言能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。2.燃料电池的特点与原理由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：l不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率；具有很强的过负载能力；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：负极：H2+2OH-2H2O+2e-正极：1/2O2+H2O+2e-2OH-电池反应：H2+1/2O2==H2O另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：燃料极：H2=2H++2e-（1）空气极：2H++1/2O2+2e-=H2O（2）全体：H2+1/2O2=H2O（3）氢氧燃料电池组成和反应循环图在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。单电极组装示意图PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。磷酸型燃料电池基本组成和反应原理磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。MCFC工作原理。空气极的O2（空气）和CO2与电相结合，生成CO23-（碳酸离子），电解质将CO23-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H+相结合，放出e-，同时生成H2O和CO2。化学反应式如下：燃料极：H2+CO23-=H2O+2e-+CO2（4）空气极：CO2+1/2O2+2e-=CO23-（5）全体：H2+1/2O2=H2O（6）在这一反应中，e-同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO23-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH4在电池内部改质，在电池内部直接生成H2的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO和H2O反应生成H2，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2(氧化锆)，它构成了O2-的导电体Y2O3（氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：燃料极：H2+O2-=H2O+2e-（7）空气极：1/2O2+2e-=O2-（8）全体：H2+1/2O2=H2O（9）燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。表1燃料电池的分类类型磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）固体氧化物型燃料电池（SOFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）燃料煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等纯H2、天然气电解质磷酸水溶液KliCO3溶盐ZrO2-Y2O3(YSZ)离子(Na离子)电极阳极多孔质石墨(Pt催化剂)多孔质镍(不要Pt催化剂)Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)阴极含Pt催化剂+多孔质石墨+Tefion多孔NiO（掺锂）LaXSr1-XMn(Co)O3多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)工作温度~200℃~650℃800~1000℃~100℃近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（PAFC）已达到"电站"阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。3．燃料电池发电系统3.1.利用天然气的发电系统MCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600℃，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。另一方面，空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2外，燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2O，将影响发热量，为此通常是先将排出燃料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有O2、CO2的气体）来除去其发生的热。通常是按600℃供给的气体在700℃下排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即，空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。这种系统的效率可达55~60%。在整套出力中MCFC发电量份额占90%。绝大部分的发电量是由MCFC生产的。如果考虑到排气形成的动力回收和若干的附加发电，广义上也可以称为联合发电。在使用PAFC的情况下，若以煤炭为燃料发电时就不容易了，采用天然气时，其构成类似于MCFC机组，基本上是由电池本体发电。原因是PAFC排出气体温度较低，与其进行附加发电不如作为热电联产电源。SOFC能和较高温度的排气体构成附加发电系统，由于SOFC不需要CO2的再循环等，结构简单，其发电效率可以达到50~60%。3.2利用煤炭的发电系统以MCFC为例进行介绍。煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用燃料的CO及H2，并在进入MCFC前除去其中含有的杂质（微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响），这种供给MCFC精制煤气，其压力通常高于MCFC的工作压力，在进入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约700℃）相混合，调整为对电池的适宜温度（约600℃）。该阳极气体的再循环是，将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给O2和CO2是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2及CO变换成H2O和CO2后供给的。实际的燃料电池，内部电阻会发热，将通过在空气极侧流过的大量的氧化剂气体（阴极气体，即含有O2和CO2的气体）而除去。通常通过调整空气极侧的流量，把以600℃供给的气体在700℃排出。为此采用了阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约700℃的高温。因此，在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到600℃，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。空气极侧的出入口温度，取决于再循环和来自压缩机的供给空气流量和再循环回路中的热交换量。排热回收系统（末级循环），是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合，其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生，形成汽水循环。这种机组的发电效率，因煤气化方式和煤气精制方式等的不同而有若干差异。利用煤系统SOFC其构成是复杂的。但若用管道气就简单多了，主要的是采用煤炭气化系统造成的，其效率为45~55%。4．我国燃料电池的发展状况我国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。"八五"期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在PEMFC方面的研究力度。2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，2001年将提供40kW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华一年前在EVS16届大会上宣布，中国将在2000年装出首台燃料电池电动车。我国燃料电池的研究工作已表明：1.中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；2.大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果；3.在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。但是我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。此前参与燃料电池研究的有关概况如下：4.1.PEMFC的研究状况我国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制,已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35W/cm2。清华大学核能技术设计院1993年开展了PEMFC的研究,研制的单体电池在0.7V时输出电流密度为100mA/cm2，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管式PEMFC的设计，该单位已与德国Karlsrube研究中心建立了一定的协作关系。天津大学于1994年在国家自然科学基金会资助下开展了PEMFC的研究，主要研究催化剂和电极的制备工艺。复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门大学近年来与香港大学和美国的CaseWesternReserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究。1994年，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC("八五"攻关项目)，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究，目前单体电池的电流密度为150mA/cm2。中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC，主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。天津电源研究所1997年开始PEMFC的研究,拟从国外引进1.5kW的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。华南理工大学于1997年初在广东省佛山基金资助下开展了PEMFC的研究，与国家科委电动车示范区建设相配合作了一定的研究工作。其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。中科院电工研究所最近开展了电动车用PEMFC系统工程和运行模式研究，拟与有色金属研究院合作研究PEMFC/光伏电池(制氢)互补发电系统和从国外引进PEMFC装置。1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5kW的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。4.2.MCFC的研究简况国内开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC，90年代初停止了这方面的研究工作。1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了MCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。1995年上海交通大学与长庆油田合作开始了MCFC的研究，目标是共同开发5kW～10kW的MCFC。中国科学院电工研究所在"八五"期间，考察了国外MCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了MCFC电站系统工程关键技术的研究与开发。4.3.SOFC的研究简况最早开展SOFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究。80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究,组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V，电流密度400mA/cm2，4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究，从研制材料着手,制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09W/cm2～0.12W/cm2，电流密度为150mA/cm2～180mA/cm2，工作电压为0.60V～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W～30W块状叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。中国科学技术大学于1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992年在国家自然科学基金会和"863"计划的资助下开始了中温SOFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC，工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200mA/cm2的电流密度。此外,他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。清华大学在90年代初开展了SOFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉,并开展了平板型SOFC成型和烧结技术的研究,取得了良好效果。华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究,组装的管状单体电池，用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2，电流密度为17mA/cm2，连续运转140h，电池性能无明显衰减。中国科学院山西煤炭化学研究所在1994年开始SOFC研究，用超细氧化锆粉在1100℃下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质。该所从80年代初开始煤气化热解的研究，以提供燃料电池的气源。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段，正在镇江市建立工业示范装置。该所还开展了使煤气化热解的煤气在高温下脱硫除尘和甲醇脱氢生产合成气的研究，合成气中CO和H2的比例为1∶2，已有成套装置出售。中国科学院大连化学物理所于1994年开展了SOFC的研究工作，在电极和电解质材料的研究上取得了可喜的进展。中国科学院北京物理所于1995年在国家自然科学基金会的资助下，开展了用于SOFC的新型电解质和电极材料的基础性研究。（

燃料电池技术论文篇2

燃料电池的类型主要有质子交换膜燃料电池（PEMFC，最有前途）；碱性燃料电池（AFC）；磷酸盐型燃料电池（PAFC）；熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）；固体氧化物燃料电池（SOFC）。

I.碱性燃料电池（AFC）

这种电池用35%~45%KOH为电解液，渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中，工作温度小于100℃。该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度比在酸性液中大，因此有较大的电流密度和输出功率。但氧化剂应为纯氧，电池中贵金属催化剂用量较大，而利用率不高。目前，此类燃料电池技术的发展已非常成熟，并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。发展碱性燃料电池的核心技术是要避免二氧化碳对碱性电解液成分的破坏，不论是空气中百万分之几的二氧化碳成分还是烃类的重整气使用时所含有的二氧化碳，都要进行去除处理，这无疑增加了系统的总体造价。此外，电池进行电化学反应生成的水需及时排出，以维持水平衡。因此，简化排水系统和控制系统也是碱性燃料电池发展中需要解决的核心技术。

II.酸型燃料电池（PAFC）

这种电池采用磷酸为电解质，工作温度200℃左右。其突出优点是贵金属催化剂用量比碱性氢氧化物燃料电池大大减少，还原剂的纯度要求有较大降低，一氧化碳含量可允许达5%。该类电池一般以有机碳氢化合物为燃料，正负电极用聚四氟乙烯制成的多孔电极，电极上涂Pt作催化剂，电解质为85%的H3PO4。在100~200℃范围内性能稳定，导电性强。磷酸电池较其他燃料电池制作成本低，已接近可供民用的程度。目前，国际上功率较大的实用燃料电池电力站均用这种燃料的电池。美国将磷酸型燃料电池列为部级重点科研项目进行研究开发，向全世界出售200kW级的磷酸型燃料电池，日本制造出了世界上最大的（11MW）磷酸型燃料电池。到2002年初，美国已在全世界安装测试了200kWPAFC发电装置235套，累计发电470万小时。在美国和日本，有几套装置已达到连续发电1万小时的设计目标。欧洲现有5套200kWPAFC发电装置在运转。日本福日电器和三菱电器已经开发出500kWPAFC发电系统。我国魏子栋等人进行Pt3（Fe/Co）/C氧还原电催化剂的研究，并提出了Fe/Co对Pt的锚定效应。磷酸型燃料电池发电技术目前已得到高速发展，但是其启动时间较长以及余热利用价值低等发展障碍导致其发展速度减缓。

III.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

这种电池用两种或多种碳酸盐的低融混合物为电解质，如用碱-碳酸盐低温共融体渗透进多孔性基质，电极为镍粉烧制而成，阴极粉末中含多种过渡金属元素作稳定剂，主要是在美国、日本和西欧研究和利用较多。2~5MW外公用管道型熔融碳酸盐燃料电池已经问世，在解决MCFC的性能衰减和电解质迁移方面已取得突破，美国燃料电池能源公司已在实验室测试263kWMCFC发电装置。意大利Ansaldo公司与西班牙Spanishcomp’s合作开发100kWMCFC发电装置和500kWMCFC发电装置。日本日立公司2000年开发出1MW的MCFC发电装置。东芝开发出低成本的10kWMCFC发电装置。MCFC中阴极、阳极、电解质隔膜和双极板是基础研究的四大难点，这四大部件的集成和对电解质的管理是MCFC电池组及电站模块的安装和运转的技术核心。

IV.固体氧化物燃料电池（SOFC）

电池中的电解质是复合氧化物，在高温（1000℃以下）时，有很强的离子导电功能。它是由于钙、镱或钇等混入离子价态低于锆离子的价态，使有些氧负离子晶格位空出来而导电。目前世界各国都在研制这类电池，并已有实质性的进展，但存在缺点：制造成本较高；温度太高；电介质易裂缝；电阻较大。目前已开发了管式、平板式和瓦楞式等多种结构形成的固体氧化物燃料电池，这种燃料电池被称为第三代燃料电池。美国和日本多家公司正在开发10kW平面轮机SOFC发电装置。德国西门子-西屋电器公司正在测试100kWSOFC管状工作堆，美国在测试25kWSOFC工作堆。国内大都处于SOFC的基础研究阶段。SOFC在高温下工作也给其带来一系列材料，密封和结构上的问题，如电极的烧结，电解质与电极之间的界面化学扩散以及热膨胀系数不同的材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等。这些也在一定程度上制约着SOFC的发展，成为其技术突破的关健方面。

V.质子交换膜燃料电池（PEMFC）

它是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池，它是为航天和军用电源而开发的。在美国《时代周刊》的社会调查结果中被列为21世纪十大科技新技术之首。美国多家公司、日本、三洋、三菱等公司也已研究开发出便携式PEMFC发电堆。加拿大电力系统公司与日本的EBARA公司合作研究开发250kWPEMFC发电设备和1kWPEMFC便携式发电系统。德国在柏林建造了一个250kWPEMFC的实验堆。质子交换膜燃料电池的核心技术是电极-膜-电极三合一组件的制备技术。为了向气体扩散，电极内加入质子导体，并改善电极与膜的接触，采用热压的方法将电极、膜、电极压合在一起，形成了电极-膜-电极三合一组件，其中，质子交换膜的技术参数直接影响着三合一组件的性能，因而关系到整个电池及电池组的运行效率。PEMFC的价格也制约着其商业化进程，因此，改进其必要组件性能，降低运行成本，是发展PEMFC的重要方向。

燃料电池技术论文篇3

摘要:电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。论文关键词：电力技术；电源 “电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下, 使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。 1. 分布式电源 当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（Fuel Cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。 1.1 微型燃气轮机 微型燃气轮机（Micro Turbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。 1.2 燃料电池 燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。 1.2.1 燃料电池的工作原理 燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。 通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 MW的设备及便携式250 kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。 1.2.2 性能和特点 燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统 目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。 1.2.3 技术关键和研究课题 燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。

燃料电池技术论文篇4

当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Micro??tur_bines）和各种工程用的燃料电池（FuelCell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。

1.1微型燃气轮机

微型燃气轮机（MicroTurbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。

1.2燃料电池

燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。

1.2.1燃料电池的工作原理

燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。

通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备及便携式250kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。

1.2.2性能和特点

燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统

目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。

1.2.3技术关键和研究课题

燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。论文百事通

2.大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命

2.1大功率电力电子器件的重大进展

电力电子学（PowerElectronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（HighPowerElectronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。

近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（CustomPower）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。新晨

2.2灵活交流输电技术(FACTS)

灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。

传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速灵活连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了灵活交流输电这项新技术的发展和应用。

燃料电池技术论文篇5

尤其是，直接甲醇燃料电池（DMFC）使用极少量甲醇，就有望提供长达10个小时的电力供给――这是目前笔记本电脑锂电池的两到三倍。更棒的是，要是燃料电池电力耗尽了，不必寻找电源插座并等电池充好电，你可以从稍大的盒子给贮存罐重新灌装甲醇，或者只要插入装得满满的一罐甲醇。只要有甲醇能满足燃料电池的需求，你就可以长时间地使用移动设备。

在过去的十年里，燃料电池似乎离诱人的商用化近在咫尺，但它们从来没有真正投入市场。现在燃料电池终于开始准备到位; 几大传统电池、燃料电池和移动设备生产商表示，2009年将迎来燃料电池时代。

告别传统电池

MTI小型燃料电池公司的首席执行官Peng Lim解释: “人们的长期梦想就是，凡是使用电池的地方都可以用燃料电池来取代。”总部设在纽约州阿尔巴尼的MTI公司在研制用于为移动设备供电的内置和外置燃料电池。

市场调研公司Frost & Sullivan Ltd.能源和电源系统部门的首席顾问Sara Bradford说: “现在已经开始逐渐向燃料电池迁移，但不会在一夜之间完成。”他强调，第一款外置燃料电池电源组刚刚上市。

比方说，Medis 24-7电源组可提供高达5.5伏的纯净电源。它售价30美元，可为手机供电大约30个小时，或者为媒体播放器供电60个小时。此外，你只需要售价20美元的燃料贮存罐――有了这个燃料贮存罐，可以多持续60个小时。

该系统并不是被设计为移动设备的主要电源，而是作为后备电池以应对紧急情况，或者如果用户长时间找不到电源插座时应急。而且其重量有6.5盎司，与智能电话一样重。Medis的系统目前是外置附件，下一步是内置到移动设备中的可重新灌装的燃料电池。

东芝美国电子元件公司的业务开发副总裁Sean Collins说: “明年，预计会出现使用燃料电池选件的智能电话。”虽然技术和营销方面的细节还没有敲定，不过Collins补充说，几家电话生产商现期望销售既使用传统电池、又使用可选燃料电池的产品，两种电池装在同一个地方。

电子被引导到带负电荷的阳极，为设备供电; 氢离子在一层特定的薄膜上流过，与氧结合生成少量水蒸气。东芝公司的Collins解释: “这层薄膜就是燃料电池的秘密所在。”

这层薄膜把甲醇储存在燃料电池的一侧，同时允许氢离子通过; 但如今最好的薄膜也存在部分甲醇泄漏的问题。Collins说: “这项技术会不断发展及完善，将来会出现更高效的燃料电池。”

改善工作已经开始: 麻省理工学院（MIT）的一研究部门正在调整标准薄膜的分子表面。通过把泄漏的甲醇数量减少100倍，又不影响氢离子的流动，燃料电池的电源输出将增加50%。

不过这项技术可能需要五年时间才能应用到商用燃料电池中。

广阔的应用前景

放眼更长远的未来，燃料电池技术对马路勇士们来说确实很有吸引力: 移动设备为燃料电池而设计，它们也完全由燃料电池供电。Collins解释: “三五年后，完全靠燃料电池供电的设备将会上市。”

除了改进技术外，有望促进燃料电池采用的另一个因素就是美国联邦航空局（FAA）。如今，燃料电池和甲醇完全被禁止带到飞机上; 不过这种情况会在10月份出现变化，到时联邦航空局会允许旅行人士把燃料电池带到飞机上，还可以携带两罐甲醇。

MTI的Lim开玩笑说: “你也许无法把指甲钳带到飞机上，但燃料电池可以带上去。这将大大促进燃料电池技术的商用化。”

因为燃料电池很快能够跟随你到任何地方，预计销售量会迅速增长。Frost & Sullivan公司的Bradford认为，到2012年，小型燃料电池的销售量将达到8000万节，用于为笔记本电脑、手机、媒体播放器及其他便携式设备供电。2007年交付的燃料电池只有100万节，预计到2010年会达到2500万节。

正视缺点

虽然燃料电池摆出了准备上路的架势，不过有几个缺点依然存在。

MTI的Lim又说: “燃料电池适用于提供连续不断的电力，但它们满足不了高峰期的电力需求，大多数电子设备却需要这种电源。”

比方说，手机开始播放流视频时，功耗会在不到1秒钟的时间内从2瓦增加到5瓦，但有些燃料电池的电源输出满足不了这项要求。因而，第一代实用燃料电池将会采用混合设计，使用小型锂离子桥接电池（bridge battery）为这种情况提供所需的额外电源。

桥接电池的电用完后，会由燃料电池来充电，这个过程需要一段时间。而在这段时间内，设备的性能可能会受到一定影响。

解决这个问题的一个长期办法就是，把附加电池换成储存足够电源的电容器，为燃料电池补充电源。就短期方案而言，索尼公司最近展示了一款混合燃料电池样品，它还采用了小型锂离子电池。这种燃料电池可提供稳定的3瓦电源――典型的智能电话需要这样的电源; 按照需要，还可以由锂离子电池来供电。

这个装置的尺寸为1.2英寸×2英寸，大小与手机电池大致相当。它可以为手机显示数字广播电视不间断供电14个小时。所用燃料只是三分之一盎司甲醇。

另一个问题就是价格。最初，燃料电池的价格会高于传统电池。MTI的Lim说: “它们的价格要比锂电池高，不过我们预计这种情况会迅速出现变化。”

预计价格会下降的一个原因就是，燃料电池所需的元件少于传统电池，而且这些元件比较容易生产。另外，技术成本当然通常会随着采用增加而下降。大约13年前首次开始广泛应用的锂电池就是表明这个趋势的一个典例。

东芝公司的Collins回忆说: “早在那时，每节锂电池的价格高达30美元。”典型的笔记本电池要使用3到9节电池。“如今，每节锂电池的价格约为3美元。我们预计这个价格曲线会适用于燃料电池; 预计价格具有竞争力的产品会出现在消费类电子产品市场。结论就是，燃料电池的时代来到了。”

展望不远的未来

时间飞逝到几年后: 一名商务旅行人士搭上了飞往亚洲的航班，他带着笔记本电脑来处理各种任务。登机前，他到机场便利店为笔记本电脑购买了可以重新装满甲醇的两只贮存罐，然后放到包里面。

燃料电池技术论文篇6

氢燃料电池汽车与电池电动汽车（纯电动汽车，BEV）类似，因为它们也是使用高电压电动机推动车辆。然而，不同于电池电动汽车，燃料电池汽车配备了氢燃料罐（或燃料箱）和燃料电池系统，以产生电力来驱动电动机。因此，燃料电池汽车使用车载燃料罐中存储的氢气，加油（加注氢气）只需要几分钟；而电池汽车是依靠存储在高压电池中的电能供电。所以，燃料电池汽车能够提供电池电动汽车那样的环境效益，但它们行驶范围更长，而加油时间更短。

2014年11月的洛杉矶车展开幕之前，丰田公司在Newport海滩的新闻会上揭开了Mirai燃料电池轿车的神秘面纱，成为了当时最大的绿色汽车新闻。这款300英里里程范围的汽车将会于2015年秋季在美国的加利福尼亚州上市。丰田公司估计，到2015年底，美国公路上将有200名驾驶着Mirai的司机，而到2017年底，这一数字将累计达到3000。

本文将首先介绍燃料电池汽车的性能及优势，随后指出其发展所面临的挑战及和各国的一些推广支持政策，最后介绍最新的相关技术发展，以期让读者更好地了解燃料电池汽车，并为我国发展燃料电池汽车提供借鉴。

燃料电池汽车的主要性能

燃料电池汽车（fuel cell vehicle，FCV）或者燃料电池电动汽车（fuel cell electric vehicle，FCEV）是一种使用燃料电池为其车载电动机供电的汽车。燃料电池不需要充电，而是可以通过加注氢气实现再充满。使用氢的燃料电池汽车只排放水和热，没有尾气污染物，因此被认为是零排放车辆。但实际上，除非氢燃料电池中使用的氢是通过可再生能源生产的，否则生产氢气就一定会产生污染物。

同时，燃料电池汽车也相当注重安全性。通过满足由汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers）和其他标准发展组织设定的标准，汽车制造商致力于让燃料电池电动汽车与传统汽车同样安全，甚至是更安全。燃料电池电动汽车有必要的安全系统，设计用于在意外发生时保护乘客和急救人员。最重要的是，燃料电池电动汽车与常规车辆一样，要达到国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic and Safety Administration）设立的安全要求。

燃料电池汽车从外面看起来很像传统车辆，但里面却包含着在今天的车辆中无法找到的高科技组件。最明显的区别燃料电池组，它能将存储在车中的氢气与空气中的氧气转化为电能，驱动用来推动车辆的电动机。典型的燃料电池汽车的主要组件包括电动机（Electric Motor，能比内燃机更安静、平稳和高效地驱动车辆，而且需要较少的维护）、燃料电池组（Fuel Cell Stack，将氢气和氧气转换为电，为电动马达提供电力）、高输出电池（High-output Battery，存储由再生制动产生的能量，并为电动马达提供补充电力）、储氢罐（Hydrogen Storage Tank，储存在极高压力下压缩的氢气以增加行驶里程范围）和功率控制单元（Power Control Unit，控制电流）。氢燃料电池汽车的主要性能描述归纳总结如下表。

燃料电池汽车的优势

燃料电池汽车在两个关键领域领先创新：一是能源基础设施，可促进氢社会；二是可持续的移动性，可克服全球环境和能源问题。

为什么当今燃料经济非常重要呢？首先，它可以省钱，选择能够满足需求的最有效的车辆，每年可以最多节约1400美元的燃油费用；其次，它可以减少气候变化，因为燃烧汽油和柴油所产生的二氧化碳都会导致全球气候变化；再次，它可以降低石油依赖度成本，因为对石油的依赖会使经济容易受到石油市场操纵和价格冲击的影响；最后，它能够提高能源的可持续性。因为石油是一种不可再生资源，因此我们不可能无限期维持现有的利用率，现在明智地使用它能够让我们有时间找到更具持续性的替代技术和燃料。

正因为如此，燃料电池汽车具有内在的优势。

首先，使用燃料电池汽车可以减少温室气体排放量。以汽油和柴油为动力的车排放主要成分为二氧化碳的温室气体（GHGs），导致全球气候变化。以纯氢为动力的燃料电池汽车不排放温室气体，排放的只有热和水。取决于不同的生产方法，生产燃料电池汽车所需的氢会产生温室气体，但是远少于传统的汽油和柴油车辆排放。即使燃料来自最肮脏的氢气来源――天然气，与汽油动力汽车相比，今天的早期燃料电池汽车也能减少超过30%的温室气体排放量。而未来的可再生燃料标准（例如现在加利福尼亚州的要求）将会让氢气更清洁。

其次，推广燃料电池汽车能够减少对石油的依赖。之所以如此，是因为氢可以产自国内资源，如天然气和煤炭，以及水、沼气和农业废弃物等可再生资源。这将减小本国经济对其他国家的依赖性，并且更不易受到日益动荡的石油市场中的油价冲击。

再次，使用燃料电池汽车会产生较少的空气污染物。在美国，空气中的烟雾和有害颗粒物等很大一部分是来自于公路车辆排放的污染物。而以纯氢为动力的燃料电池汽车不会排放有害污染物。如果氢气产生自化石燃料，会产生一些污染物，但远小于传统汽车尾气排放量。

氢燃料电池汽车具有双重优势，它既有传统汽车的行驶范围和加油过程，同时又有以电力为动力的驾驶的娱乐性和环境优势。因此，燃料电池汽车不仅仅是环保车，它也非常有驾驶乐趣，并能提供便利性和高性能。

除了私家车和公司用车，目前还有超过100辆燃料电池公共汽车部署在全世界，加拿大惠斯勒（Whistler）、美国旧金山、德国汉堡、中国上海、英国伦敦、巴西圣保罗以及其他一些城市都有。与柴油公共汽车和天然气公共汽车相比，燃料电池公共汽车的燃油经济性高出约30%～141%。

燃料电池汽车所面临的巨大挑战

2014年，气候博客人、前美国能源部官员Joseph Romm用三篇文章来批评氢燃料电池汽车。他说，燃料电池汽车仍然没有解决以下问题：车辆的高成本、燃料的高成本，以及缺乏燃料输送基础设施。实际上，要让燃料电池汽车成为消费者眼中成功的、有竞争力的选择，必须要克服下面所列出的各方面的挑战。

首先是车辆成本。目前，虽然燃料电池汽车比传统汽车和混合动力车都要昂贵，但实际上成本已经大大降低，并且正在接近美国能源部制定的2017年的目标（即30美元/kW）。为了能让燃料电池汽车与传统技术竞争，制造商必须不断降低生产成本，特别是燃料电池组和氢存储的成本。

其次是如何实现车上的氢存储。有些燃料电池汽车能够存储足够的氢，从而让行驶里程范围与汽油车辆无异（大约300到400英里，约合480到640公里）。但是，要在不损害客户对空间、性能、安全或成本的期望的情况下，让不同品牌和型号的车辆都实现这一点，并不容易。理论上，燃料电池汽车比传统汽车能效更高，与等重量的汽油相比，氢气包含高三倍的能量。但是，与等体积的汽油相比，氢气所包含的能量只有其1/3，因此很难存储足够的氢来让燃料电池汽车与加满汽油的车跑得一样远，至少在尺寸、重量和成本限制下是如此。目前，已经在探索各种氢存储方法，各有优缺点（见表2）。

再次，是燃料电池耐用性和可靠性。燃料电池系统尚未如同内燃发动机一样持久耐用，特别是在一定的温度和湿度范围内更是如此。专家认为，要让燃料电池汽车能够与汽油车竞争，电池的预期寿命要达到15万英里才行，而目前才只有7.5万英里。

另外，还有如何让消费者获得氢气。当前氢气生产、输送和分配的基础设施尚无法支持燃料电池汽车的广泛使用。在燃料电池电动汽车成为现实之前，加油站需要投资，使之具有加注氢气罐的能力。但是，由于目前道路上的这类客户极少，因此现有的加油站不大可能进行这项投资。目前，全美国也就总共只有12个氢燃料加注站。因此，氢燃料基础设施问题何时真正得到解决是个大问题。

最后，就是公共教育。在燃料电池技术的好处实现之前，必须让消费者先接受这一技术。如同任何新的车辆技术，当燃料电池汽车第一次进入市场的时候，消费者可能会在可靠性和安全性方面有顾虑。此外，他们必须熟悉一种新的燃料。而公共教育可以加速这一进程。

事实上，与氢燃料汽车相关的运输、存储和生产成本都还过高，这是氢燃料汽车推广的巨大障碍。更有甚者，Joseph Romm认为，不论是现在还是将来，用可再生能源来产生氢气在经济上都是不可行的。而绿色技术媒体（GreenTech Media）在2014年也得出了类似的结论。因此，要推广燃料电池汽车，确实是任重而道远。

各国致力于发展燃料电池汽车

美国

2003年，美国总统乔治・布什提出氢燃料倡议（Hydrogen Fuel Initiative，HFI），该倡议旨在进一步开发利用氢燃料电池和基础设施技术，以加快燃料电池汽车的商业推广。到2008年，美国已经对该项目投资达10亿美元。

虽然在2009年的时候美国能源部长朱棣文（Steven Chu）断言，在未来的10到20年，氢气车辆都不会可行，但是，在2012年，朱指出，随着天然气价格的下降和氢气改进技术的发展，燃料电池汽车在经济上将更加可行。因此，美国政府继续致力于支持燃料电池汽车。

2013年，美国能源部（Department of Energy，DOE）宣布高达400万美元的计划，用于继续发展先进的氢存储系统。2013年5月，能源部推出H2USA方案，重点推进美国的氢基础设施。也在是2013年，加利福尼亚州州长Jerry Brown签署AB 8法案，要在未来10年内每年拨款2000万美元，建设多达100个氢气燃料加注站。2014年5月，加利福尼亚州能源委员会出资4660万美元建设28个氢气燃料加注站。

美国加利福尼亚州大学欧文分校（University of California Irvine）先进电力和能源项目（Advanced Power and Energy Program，APEP）的研究发现，在适当的地点建立68个站，就可以处理至少10000辆燃料电池汽车。而这些站正在逐渐成为现实。到2015年底，加利福尼亚州的9个现役氢燃料补给站中的3个，以及17个新建的站将向一般公众开放，并且有28个站预计要到2016年底交付，意味着短期内氢燃料补给站的总数将达到48个。为在美国推广其燃料电池汽车，丰田汽车公司将继续支持发展便捷、可靠的氢燃料补给基础设施。上述48个氢燃料补给站中的19个将使用丰田公司提供的730万美元的贷款支持，由FirstElement Fuels建造。丰田公司还宣布要为美国东北部地区发展氢燃料补给基础设施做出更多的努力。在2016年，Air Liquide将与丰田公司合作，目标是要在纽约、新泽西、马萨诸塞、康涅狄格和罗德岛这五个州共建设12个补给站。由于东北部的五个州气候寒冷，因此，冬季会严重限制电池电动汽车的行驶范围，在这些地区燃料电池汽车应该更有优势。

除此之外，为推广燃料电池汽车，客户购买燃料电池汽车也会享受许多优惠政策。比如在加利福尼亚州，许多购买燃料电池汽车的客户可以得到联邦和州政府提供的高达13000美元的奖励，意味着如果购买丰田Mirai，其购买价格可以降至45000美元以下。另外，在加利福尼亚州，Mirai有资格获得“白色标签”，从而能够在只有单一乘员的情况下，使用拼车车道（carpool lane），这对于交通高峰时段无疑是个很大的激励政策。而为了推广丰田Mirai，丰田汽车公司打算在前三年提供免费的氢加油，目前现代对它的途胜（Tucson）燃料电池休旅车的承租人就采用了这种方法。并且，丰田公司将为所有的燃料电池组件提供8年或者10万英里保修。

日本

氢燃料电池汽车要想成功，就需要在他们销售的每个区域都有足够数量的公共氢气加注站。针对要在多个国家建立电动汽车充电基础设施，汽车制造商已经开展了宣传活动。但是，由于氢燃料加注站的成本要高得多，因此，类似的努力就会更加困难。尽管如此，作为其“氢经济”愿景的一部分，日本国家政府已经表现出对燃料电池汽车强有力且持续的支持与承诺。

2015年7月1日，日本三个最大的汽车制造商――本田、日产、丰田――发表联合声明，表示将联合努力，以支持建造新的氢气加油站。在声明中，这三家企业讨论了细节内容，所采取的措施将包括承销一些建设氢气加油站的基础设施公司所产生的运营成本。基于此，汽车制造商将涵盖项目中所涉及的加油站1/3的运营成本，每个加油站的份额大约为1100万日元（约合9万美元）。在每个财年，运营商必须重新申请资助。但到目前为止，汽车制造商尚未表示获得支持的加油站的数量是否有限制。声明指出，在燃料电池汽车确立市场地位，并且氢气加油站基础设施的建设步入正轨前，该项目将一直运行。汽车制造商们认为，这预计会到大约2020年。

日本的氢加油基础设施项目将在政府的巨大努力下展开，以促进燃料电池的各种用途。日本首相安倍晋三（Shinzo Abe）将国家氢加油站网络看作是其“氢社会”的一部分，在“氢社会”中，燃料电池不仅为汽车提供动力，还为家庭和办公楼宇等提供电力。在氢燃料加注站方面，日本已经于2014年建成第一个商业氢燃料加注站，并有40个新站在计划中。东京市政府计划在2020年前，在其管辖范围内资助建造35个站，而2020年正是东京主办夏季奥运会的年份。

除了美国和日本，目前德国已经草拟了氢气加油网络计划，计划要建设50个氢气加注站。同时，草案要求所有的氢气都要产生自可再生能源，从而让汽车从井到车轮（wells-to-wheels）的碳足迹能与电动汽车相比。

燃料电池汽车最新相关技术

不同类型的燃料电池包括聚合物电解质膜（polymer electrolyte membrane，PEM）燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、改良甲醇燃料电池和再生燃料电池。而目前车辆中最常见的燃料电池是聚合物电解质膜电池。

2012年，英国研制成功的聚合物电解质膜燃料电池能在较低的温度下操作，比其它燃料电池更小，更轻，使得它们更适合用于小汽车和货车。英国的聚合物电解质膜燃料电池系统可将汽车总拥有成本降到低于36美元/kW，从而让燃料电池电动汽车足以在成本上与内燃机动力汽车竞争。如果使用该技术，到2050年可以将燃料电池电动汽车的市场总份额从原有预期的25%提高到34%，相当于在全球增加了200万辆燃料电池电动汽车，这等同于300亿美元的聚合物电解质膜燃料电池市场价值，以及全球2.6亿吨的二氧化碳节余。

燃料电池技术论文篇7

关键词：燃料电池；电堆；系统设计

中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1006―7973（2017）02-0046-02

1 燃料电池系统

燃料电池是目前最有前途的清洁能源技术之一。它是一种将燃料的化学能通过电化学反应的方式直接转化为电能的装置。最为流行的质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用纯氢作为燃料，释放电能和热能，唯一产物为水。由于中间没有机械能这一转化过程，整个燃料电池系统没有移动部件，极少需要维护，而且基本没有噪音。燃料电池也不属于热机，不受卡诺循环的限制，其电效率一般可达50%以上。如果进行热电联产，系统效率可达85%以上。燃料电池与普通充电电池在结构上类似，区别在于其燃料由外部供给，只要燃料不断供应，系统就可以不停地工作，不需要长时间的“充电”。

燃料电池对于燃料的选择有比较高的灵活性。除了纯氢以外，天然气，甲醇，丙烷等都很容易被转化为富氢气体，在通过必要的净化后输入燃料电池系统产生电能。虽然碳氢化合物重整系统的加入会使整个系统的效率降低，也会产生一定的二氧化碳排放，但不会产生硫化物，氮氧化物等污染物。

质子交换膜燃料电池目前主要有两种，一种在较低温度（-20?C C100?C）范围内工作，依赖于水来传递质子，所以燃料需要加湿，而且容易被燃料中的CO毒化，对CO浓度特别敏感，一般要求小于10ppm。优点就是功率密度大，单个系统达到300kW都曾被报道。另一种是在相对高的温度下工作（100?CC200?C），在这个温度范围内，燃料电池内的催化剂抗CO毒化的能力较强，可以忍受3%浓度的CO，远高于一般重整装置所产生的富氢气体中的CO浓度。而且系统结构更简单，无需加湿。缺点是功率密度偏低，而且由于需要包括隔热层，单位功率体积比前者要大很多。因此，选择合适的质子交换膜工作温度是极其重要的。

2 船用燃料电池系统要求

在船舶航运上的应用，给燃料电池系统提出了一些特殊的要求，比如系统必须要能应付海浪造成的颠簸和摇晃，可能还要预处理盐分很高的空气。后者可能需要增加过滤设备，从而增加系统成本。这些需要用户提出特别的使用环境及技术要求。另外任何安装都必须要符合船级社当前的标准和规定。

用户需要对系y的体积，重量，功率大小，以及在船上的安装部位提出要求。

用户还要对转化后的交流电的电压和频率提出要求。

除燃料外，燃料电池系统必须不依赖中途补充任何其他物质来保证系统的运行，是一个独立运行的系统。

2.1 存储系统

燃料的选择比较灵活，从技术上来说可行的存储方式有：

（1）金属氢化物，常压储氢方式。最大特点为安全，但是重量储氢率很低。

（2）液氢，重量和体积储氢率均较好，但是氢气液化是一个高耗能过程。

（3）高压氢气，最常见的的储氢方式。气罐的体积比较大会影响船舶的布局；国内船舶加氢站还没有，加氢不方便。

（4）天然气是一个比较传统的技术，在天然气丰富的地区，天然气制氢是最好的选择。

下述中将只分析使用天然气的情况。

2.2 燃料转化系统

本文研究中将采用天然气为原料制氢，所以需要燃料转化系统。天然气的蒸汽转化是以水蒸汽为氧化剂，在镍催化剂的作用下将天然气转化为氢气（H2）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）的转化气。这一过程为吸热过程故需外供热量，转化所需的热量由转化炉辐射段燃烧燃料气提供。

在镍催化剂存在下其主要反应如下：

CH4+H2OCO+3H2+Q

CO+H2OCO2+H2+Q

2.3 储能系统

燃料电池系统对负载突然变化的响应不如电池，而电池的续航时间远不如燃料电池。燃料电池和充电电池组成混合动力系统来取长补短。前者负责基本用电，后者应付峰值用电和负载的瞬间改变，峰值用电结束后前者为后者充电。这样的配置会大大降低系统的成本。

3 燃料电池模块设计

3.1 燃料电池系统组成和原理

船用燃料电池系统主要由安全控制箱、LNG储罐、气化器、制氢模块、缓冲罐、燃料电池模块、供风管系、排气管系、排水管系、冷却管系、缓冲蓄电池组、超级电容、逆变器等部分组成。在安全控制箱的控制下，LNG储罐中的液化天然气进入气化器，变成天然气之后在制氢模块转化为氢气，再通过缓冲罐的缓冲作用进入燃料电池模块，在供风、排气、排水、冷却等模块的共同作用下产生电能，经过缓冲蓄电池组、超级电容、逆变器的作用之后输出。

3.2 燃料电池堆系统原理

30KW燃料电池模块，由6个5KW燃料电池并联而成，其中5KW的燃料电池设计完全一致。燃料电池电堆选择成熟的产品，为其配套冷却水系统、监控系统、进排气系统、控制系统使其成为一个完整的模块。水冷系统主要由冷却水箱、纯净水箱、过滤器、风冷散热器、冷却泵及各种阀件组成，为燃料电池进行循环冷却。控制系统能接受来自系统各传感器的信号，并通过上位机操控系统的运行。

3.3 主要设备

燃料电池系统的主要组成设备有：燃料电池堆（30kW）、高压鼓风机、水泵和气液分离器、超级电容、功率分析仪、电子负载、防爆风机、燃料电池本体故障检测仪、制氢装置、烟雾/热能探测器、LNG储罐、气化器组件、氮气惰化吹扫装Z组件、低温阀件、管件、传感器及仪表、H2缓冲罐、压力开关。

（1）燃料电池堆：本设备是燃料电池应用可行性技术研究的关键设备，用于H2和O2的反应，并将化学能转化为电能，是氢燃料电池的核心部件。

（2）高压鼓风机：本设备是将空气压缩至一定压力送入燃料电池堆反应，为氢燃料电池提供足够的氧气参与电化学反应。

（3）水泵和气液分离器：水泵是为燃料电池系统提供冷却水，确保系统工作在适当的温度范内；气液分离器是对冷却水冷却系统后进行两相分离，确保冷却水系统工作正常可靠。

（4）超级电容：本设备主要用于大功率电子负载启动时为船舶配电系统稳压，确保燃料电池系统在大功率电子负载启动时维持稳定的输出电压，使系统工作安全、稳定。

（5）功率分析仪：本设备主要用于燃料电池系统工作时对输出功率进行信号收集分析，确保燃料电池系统适应船用负荷的变化要求，满足相关船用规范。

（6）电子负载：本设备作为燃料电池系统模拟负载，检验系统在各个负载条件下的运行状况。

（7）防爆风机：本设备主要用于燃料电池系统的安全防护工作。氢燃料电池系统主要采用LNG制氢作为燃料，需要保持足够的通风条件，以确保系统的工作安全。防爆风机为系统提供满足规范的换气条件。

（8）燃料电池本体故障检测仪：本设备主要用于燃料电池的故障监测和分析，为系统安全运行、故障诊断提供分析依据。

（9）制氢装置：本设备主要用于燃料电池项目LNG通过催化反应制氢，为燃料电池提供反应氢气。

（10）烟雾/热能探测器：本设备主要用于燃料电池系统的安全监测和防火。

（11）LNG储罐：燃料电池项目是利用LNG作为原料制氢，LNG储罐用于LNG的储存，为系统提供制氢原料。

（12）气化器组件：气化器是将LNG气化，为LNG制氢提供符合工况要求的CH4。

（13）氮气惰化吹扫装置组件：燃料电池项目采用LNG原料制氢，CH4和氢气均是易燃易爆气体。氮气惰化吹扫装置对管路进行吹扫，确保系统工作的安全。

（14）低温阀件、不锈钢管件、传感器及仪表。燃料电池系统部分管路需采用不锈钢管路和低温阀件，相关压力表、温度计等测量仪表有特殊要求，同时需对液位、温度、压力等参数进行测量，并将相关数据传输至控制单元。

（15）缓冲罐：本设备主要用于H2储存蓄压，以匹配燃料电池系统的用氢需求。

（16）压力开关：主要用于燃料电池系统的控制系统。

4 结论及存在的问题

整个燃料电池上船系统拟分多个步骤进行：天然气制氢试验、燃料电池模块试验、实船测试等。根据试验进度安排，我所目前完成了30KW燃料电池模块系统试验测试，测试结果如下：

――燃料电池模块的输出电压、电流、功率达到设计要求；

――在3～30kW范围内，效率变化在10%以内；

――突加突减负荷时系统能迅速响应；

――整体噪声小于65分贝；（噪声主要是由风机产生）；

――电池堆的倾斜不影响燃料电池堆的工作，但倾斜角度过大影响冷却系统的排水。

通过对燃料电池系统模块、燃料电池系统上船的适应性和安全性以及燃料电池相关配套系统的研究，我们看到了氢燃料电池作为船舶电源的良好前景，同时也清楚了所面临的众多挑战。单纯从装船的角度而言，有下列问题尚待深入研究解决：

（1）30kW燃料电池的氢气消耗量约为21.6m3/h，而国内仅生产每小时产氢量数百立方米的天然气制氢装置，船上采用天燃气制氢的难度较大，而若通过岸基加注氢气，则需要解决储存和加注站建设的问题。

（2）燃料电池系统如果布置在封闭或者半封闭的舱室，则需要采取高度可靠的防爆措施。

（3）天然气制取的氢气纯度有限，影响到催化剂的效率和寿命。

（4）蒸汽重整制氢中用到的水蒸气为纯水蒸气，所以需要添加水的净化处理装置。

参考文献：

[1] 吉桂明.燃料电池驱动的船舶[J]. 热能动力工程. 2013（03）

[2] 叶伟强，宋艳琼.船用燃料电池技术初探[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版）. 2015（03）

[3] 日本推动研发燃料电池船舶，拟全面构建氢能源社会[J]. 新材料产业. 2015（07）

燃料电池技术论文篇8

关键词：质子交换膜燃料电池，PEMFC，分散电站

0　引言

燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”，被誉为是一种继水力、火力、核电之后的第四电技术，也正在美、日等发达国家崛起。以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。燃料电池具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求，具有非常好的前景。

1　质子交换膜燃料电池的结构

质子交换膜燃料电池(proton exchange membranefuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。如图1。

2　质子交换膜燃料电池工作原理

燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由三部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图2。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。

其工作原理如下：

1)氢气通过管道或导气板到达阳极。

2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为：H22H++2e。

3)在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1／2 Q2+2H++2eH2O

总的化学反应为：H2+1／2O2=H2O

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。

3　燃料电池的优点

1)高效转化――它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，其能量转化效率在40～60％；如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达80％以上；

2)启动迅速――低温快速启动，化学反应迅速，适应负载变化；

3)工作安静――燃料电池电池组无机械运动部件，运动部件很少，工作时安静，噪声很低；

4)可靠性高――碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用：

5)环境友好――低热辐射和低排放，运行温度低于100℃，以纯氢为燃料时，燃料电池的化学反应物仅为水；以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40％以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的；

6)功率可调――适应不同功率要求，燃料电池发电装置由多个单电池可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组，根据需要的功率大小，来选择组装的层数。

4　燃料电池的种类

燃料电池种类较多，依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。它们的结构成分及属性如表1。

5　燃料电池的应用前景

燃料电池既适宜用于集中发电，建造大、中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。燃料电池产业的技术发展趋势，主要是在三个级别上针对不同的市场需求而齐头发展，100W～10KW电池面向民用，是移动基站、分立电源、潜艇、电动自行车、摩托车、游艇及场地车等的较佳动力源；10KW～100KW电池是电动汽车的首选动力源，是整个燃料电池产业发展的方向；100KW以上电池是特殊条件下电站动力源，如军用、边远地区等用途。

5.1　PEMFC在便携式电源方面的应用发展

PEMFC作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力电源。

根据各国的社会、工业环境以及能源供需的不同，每个国家质子交换膜燃料电池在电动车的发展方向是不同的，美国和日本主要研究集中在燃料电池轿车方向，欧洲主要研究燃料电池公共汽车，中国的燃料电池脚踏车和轻型燃料电池轿车有很大前景。其中影响最大的开发项目有两个：一个是由美国DOE组织的国家PEMFC研究机构，一个是以加拿大Ballard动力公司的技术为支持、由奔驰、福特等公司支持的PEMFC电动汽车项目。

在2003年，FoIkesson el al.通过欧洲清洁城市运输计划(CUTE)完成了混合燃料电池城市公共汽车的评估，这个计划的目标是设计并建立混合燃料电池公共汽车示范车，它由欧洲无核能源规划和一些企业及院校联合提供资金支持。目前，丰田汽车公司宣布投资8亿美元开发非石油燃料发动机，即氢燃料电池汽车。

Green car是美国Energy Partners公司在DOE的支持下于1993年开发出的世界上第一辆PEMFC驱动的“绿色汽车”，该车的功率为15kW，0～30m／h的加速时间为10s,最高时速达60m／h，一次充氢行驶里程为96km。

2004年，Hwang el al.了PEMFC电动脚踏车 示范车的测试结果，研究脚踏车的动机是因为在中国每日上下班普遍骑助力脚踏车。燃料电池系统由燃料电池堆栈、金属氢化物容器、空气泵、电磁阀门、冷却风扇、压力和温度传感器和微处理器组成。电堆由40片单电池组成，其额定功率和最大功率分别为303W(0.7V)和378W(0.66V)。电堆不仅驱动脚踏车的电动马达还为其它子系统提供能量。在此结果的基础上，他们开始研发两座位的轻型燃料电池车，尽管成功完成了示范车，但还没能解决一些经济和技术问题。

国内燃料电池的研发起步并不晚，甚至可以追溯到1958年，然而发展很慢，直到90年代才开始加快发展。目前燃料电池动力系统发展趋势很好，已具有从过去单电堆研究发展到带有支持系统和控制系统的燃料电池发动机系统的研发能力。国内燃料电池汽车领域已经取得了较大的进展，其中首台50kW燃料电池城市客车发动机已经研制成功，首台四轮驱动燃料电池轿车也在2002年12月初举行的上海工业博览会上亮相，但距真正的实际运用还有一段距离。近年来，我国对燃料电池电动车的研发也极为重视，被列入国家重点科技攻关计划，在2009年2月财政部公布的《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》中，曾明确对购买燃料电池汽车每辆可补贴25万元。上海神力公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已分别研制出游览观光车、中巴车样车，其性能接近或达到国际先进水平。

5.2　PEMFC在固定式电源方面的应用发展

PEMFC除适用于作为交通电源外，也非常适合用于固定式电源。既可与电网系统互联，用于调峰也可作为独立电源，用作海岛、山区、边远地区、或作为国防(人防)发供电系统电源。采用多台PEMFC发电机联网还可构成分散式供电系统。分散式供电系统有很多优点：

1)可省去电网线路及配电调度控制系统。

2)有利于热电联供(由于PEMFC电站无哚声，可就近安装，PEMFC发电所产生的热可进入供热系统)，可使燃料总利用率高达80％以上。

3)战争和自然灾害等影响比较小，尤其适宜于现代战争条件下的主动防护需要。

4)通过天燃气、煤气重整制氢，可利用现有天燃气、煤气供气系统等基础设施为PEMFC提供燃料，通过再生能源制氢(电解水制氢、太阳能电解制氢、生物制氢)则可形成循环利用系统(这种循环系统特别适用于边远地区、人所)，使系统建设成本和运行成本降低。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。

华南理工大学独立研发的300kw质子交换膜燃料电池示范电站于2009年年底已悄悄启用，项目投资1850万元，占地仅2000平方米，是一个“微型”的发电厂。如图3。该发电厂彻底颠覆传统煤电模式，能量利用率可达90％。目前这一项目已得到华电、粤电的“青睐”，相关部门正在洽谈在大学城建设一个6000～10000千瓦燃料电池发电厂，而华工的教授也计划将广州的公交车能源更换为燃料电池。

5.3　PEMFC在军事方面的应用发展

随着现代科学技术的迅速发展及其在军事领域的广泛应用，以数字化技术为核心的新兴信息技术将渗透到战场的各个领域，从侦察、监视到预警，从通信、指挥到控制，从武器装备的自动化、精确制导和智能化到各种电子战手段，信息技术装备已经成为覆盖整个战场的、决定战争胜负的重要因素，它不仅构成总体作战的“神经系统”，而且成为总体作战能力的“倍增器”。电源作为信息技术装备的命脉，能否连续、可靠、安全、灵活地供电是至关重要的，它是信息技术装备密不可分的一部分。由于PEMFC发电机的诸多优越性能，国外将PEMFC应用于陆地军事设备研究主要有三个方向：单兵作战动力电源(

1)陆地军事设备方面

由于PEMFC发电机工作温度低，红外辐射少，无震动，没有噪音，因此特别适合用作为现代军用电源。从1980年到1990年随着微电子的发展，单兵配备很多新式装备如夜视镜、全球定位系统(GPS)、通讯联系设备和智能搜索系统。这些系统成为士兵的数字化装备必备系统。士兵必须带有很多不同型号的单电池为这些设备提供电源。PEMFC就可以为所有设备提供动力，减轻单兵所带电源。1998年8月，美国国防部在向国会国防委员会呈递的报告中指出：移动电力是永久性防御设施最基本的五大要素之一；燃料电池发电技术替代常规发电装置的迅速演变，给未来发电系统采用氢气作为主燃料开辟了道路；由于能量转换效率(超过60％)很高，操作维护极为简单，燃料电池发电机使氢能源作为主燃料的应用极为可靠而高效。因此，把作战燃料改为氢，将获得更加高效可靠的发电系统、更低的排放、更低的噪音、极大地减小热辐射和红外成像，便于伪装和隐蔽作战。

2)海军军事设备方面

PEMFC在军事领域的一个重大用途是作为海军舰艇的动力电源。PEMFC发电机作为潜艇不依赖于空气的推进动力源与斯特林发动机和闭式循环柴油机相比，具有效率高、噪音低和红外辐射小等优点，在携带相同重量或体积的燃料气时，潜艇续航能力最强(大约为斯特林发动机的2倍)，且没有污染，因此PEMFC是潜艇AIP系统的最佳选择。德国从1980年(也是世界上最早)开始研究基于PEMFC发电机的潜艇，目前德国已能生产212、214型号的基于PEMFC发电机的潜艇。而美国海军与AP公司合作开始研制以柴油重整制氢为氢源的PEMFC发电机，还与Treadwell公司合作设计并制造了用于水下探测器的PEMFC电源。美国海军1995年完成了一项燃料电池技术在用作船用电网和推进系统时，对驱逐舰和小型护卫舰等海军战舰的设计性能及其影响进行了评价研究。海军水面战中心(NSWC)和美国海军研究署(ONR)，以及美国防高级研究计划局(DARPA)合作对巴拉德公司(BALLARD)提供500kW PEM模块进行了测试。美国海军计划在2007～2011年实现2.5MW电堆用于驱逐舰。最终目标是25MW的电堆。一般电池电能释放完后报废或需进行充电，PEMFC只要向其不断输入燃料和氧化剂，就能不断产生电能。PEMFC可以长时间连续工作，非常符合水下无人驾驶机器人的动力要求。

3)空中军事方面

PEMFC发电机的诸多优越性能，使其在航空航天也具有极好的应用前景。早在1960年代，美国航空航天局(NASA)就与通用电气公司(GE)联合开发PEMFC发电机，并多次用于双子星座卫星计划的飞行，特别是1968年采用NafioR膜后在发射的生物卫星上使用PEMFC发电机，其寿命在实验室已达57000h。后来， NASA又与Hamilton标准公司合作研制RFC(再生燃料电池)系统，目的是配合太阳能发电系统组成用于火星探测飞行器或月球基地的动力电源(太阳能电解水装置功率35kW，PEMFC发电机功率25kW)。美国空军也与Treadwell公司签订协议研究用于卫星的RFC系统(PEMFC功率12kW，电压28V)。

PEMFC具有高能量密度，使得它能为无人驾驶飞机提供驱动力。美国航空航天局(NASA)研制了一架使用燃料电池做推进无人太阳能飞机的备份动力的无人驾驶飞机太阳神号(Helios)。美国波音公司也开展使用燃料电池做动力推进系统的UAV研究。波音公司与美国防高级研究计划局签订了无人机燃料电池动力系统开发合同，按设计要求新型燃料电池的无人机将延长无人机的空中连续飞行时间。燃料电池动力系统能使无人机在空中连续飞行数周，而不是现在的几十小时。

重要的民用设施如智能大厦、医院、宾馆等以及国防(人防)领域的供电系统均采用以外电为主、柴油发电机组为辅的供电方式。当外电毁坏启用柴油发电机组时，由于柴油发电机组存在烟气排放，隐蔽性差、震动大、噪音高、环保性能差等许多缺点，更不适合在未来高科技战争中使用。因此，研究基于PEMFC的发电系统可有效利用氢能实现环保，对民用供电和国防建设都具有推动作用。

燃料电池技术论文篇9

作者: Raymond George Klaus Hassmann【论文摘要】燃料电池具有非同寻常的性能： 电效率可达60％以上，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的4种主要燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重点介绍高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的应用及其发展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market，covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC，PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market． 燃料电池是通过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料(如天然气、甲醇或纯净氢气)的化学反应直接产生出电能。与汽轮发电机生产的电能相比，燃料电池具有非同寻常的特性：它的电效率可达60％以上，可以在带部分负荷运行的情况下进行维修，而且除了排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其他的有害排放物。1 燃料电池的分类 目前研制的燃料电池技术在运行温度上有不同的类型，从比室温略高直到高达1000℃的范围。大多数工业集团公司的注意力集中在以下4种主要类型上：(1)运行温度在60-80℃之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池(PEMFC)；(2)运行温度在160-220℃之间的磷酸类燃料电池(PAFC)；(3)运行温度在620-660℃之间的熔融碳酸盐类燃料电池(MCFC)；(4)运行温度在880-1000℃之间的固体氧化物燃料电池(SOFC)。 可以将这些类型的燃料电池划分为低温型(100℃及以下)、中温型(约200℃左右)及高温型(600-l000℃)燃料电池。 表1简要地列出了各种类型燃料电池的性能。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池对于静止装置和移动式装置都适用。 实用装置的功率容量差别也很大，可以给笔记本电脑及移动电话供电(数以W计)，也可以给居民住宅(数kW)或是分散的电热设备和动力设备(数百KW到数MW)供电。 最适于用来驱动汽车的是低温型燃料电池。 根据使用期限成本进行的经济性比较结果表明，就发电成本而言，SOFC型燃料电池要PEM型低30％。这个结果是根据SOFC型燃料电池的电效率比PEM型的高，这2种燃料电池最终都可以达到l000美元／KW的投资成本这一假设条件而推导出来的。 2 高温燃科电池 高温型燃料电池具有许多适于在静止式装置上使用的特性。但是在高温型燃料电池产生出电能之前需要较长的加热过程，因而这种技术不能应用于要求在短时间内频繁起动的各种实用装置。此外，高温型燃料电池还具有以下特点： (1)不需要使用贵金属来催化电化学反应。一般情况下使用陶瓷材料。 (2)对CO完全没有限制。CO参加到电化学反应过程并像H2一样被氧化。 (3)对燃料表现出高度灵活性。可以给这类燃料电池发电设备供应天然气，天然气在设备内部被转换成H2和CO。这意味着无需任何外部燃料，从而大大简化了发电设备的平衡问题。 (4)高温可以将燃气轮机连接到该系统上，在这种情况下，燃料电池发电设备是在300kPa压力下运行，并在不考虑燃气轮机输出的情况下将燃料电池的功率密度提高约20％，因此使总的电效率

燃料电池技术论文篇10

    通恶化等。低碳经济是以低能耗、低排放、低污染和高效能、高效率、高效益为重要特征,以尽可能少的温室气体排放获取尽可能大产出的新经济发展模式,将成为我们可持续性发展的必由之路。我们传统的汽车产业发展模式对于发展低碳经济有着明显的阻碍作用,因此汽车产业必须以技术创新为核心向低碳转型,以适应低碳经济的趋势。

    一、总体发展趋势

    长期的研究和开发进程当中,各国政府、相关科研机构及国际汽车大公司都对传统内燃机汽车与新能源汽车的发展趋势方面形成了共同认识:即在未来的20年内,汽油和柴油人还会是汽车主要的能量来源,也就是说传统汽油机仍然继续扮演重要角色,但市场份额将在此后明显下降,而柴油车短期内可能仍将在重型车辆领域继续保持很高的市场份额;新能源汽车近期的解决方案是传统内燃机新技术和代用燃料汽车方面;中期的方案则是混合动力汽车大幅度降低油耗和排放;远期的方案是纯电动汽车和燃料电池汽车,特别是资源极为丰富且完全没有污染的氢燃料电池汽车将重新定义整个世界汽车产业发展的格局。

    二、重点领域发展态势

    代用燃料汽车领域:

    部分代用燃料汽车已经逐步进入商业化实用阶段。所谓代用燃料汽车是指使用除常规燃料(汽油和柴油)以外的燃料的汽车,代用燃料主要分气体燃料(天然气、液化石油气)、生物质燃料(乙醇和生物柴油)和煤基燃料(甲醇、二甲醚和煤制油)等等。代用燃料汽车有利提高能量效率和降低排放,从而改善能源的消费结构,且技术难度相对较低可操作性强。但代用燃料汽车中的气体燃料和煤基燃料同属于不可再生能源,不可再生资源意味着受资源和成本限制,而且这两种燃料效率和排放改善程度并不十分显着;生物质燃料则容易破坏环境并影响粮食安全问题。所以总体来看,代用燃料汽车发展不能均衡,受区域因素限制多、适应能力较差,虽然欧洲国家想重点发展生物燃料汽车,但目前除生物资源比较丰富的巴西外,其它地区普遍推广不太现实。

    混合动力车领域:

    混合动力汽车是比较现实的解决方案。混合动力因为采用了内燃机和电动机两种动力,同时兼顾了传统汽车和纯电动汽车的优越性,混合动力是由单一发动机驱动向纯电动驱动转移的必经环节。混合动力汽车按动力系统结构来划分,可分为串联式、并联式和混联式等3类;按混合程度不同则可划分为微混、轻混、中混、重混和插电式混合等5种类型。合理采用

    混合动力技术节油减碳效果明显,成本也能较好的得到控制,因此混合动力汽车更有实践可能性,目前已成为各国汽车公司产业化的重点。日本最早开始开发混合动力汽车,并最先实现了产业化,丰田、本田是国际市场上混合动力技术的领跑者。将来随着混合动力技术水平逐步成熟,实用化程度和产业化水平系统性提高,最终将实现向电气化转化。

    纯电动车领域:

    纯电动汽车方面,其电池技术是发展瓶颈,有待取得实质性突破。远远早于内燃机汽车,纯电动汽车问世于19世纪90年代,但由于性能发展不及后来居上的内燃机汽车,一度退出汽车发展历史舞台。如今,随着高性能锂离子电池和一体化电力驱动系统等技术的发展应用推广,纯电动汽车取得很大进步,在产品研发、示范和试用方面都有突破,小规模的商业化推广应用在许多国家和地区开展开来,目前世界上总共有近5万辆纯电动汽车在运行,主要应用领域为市政用车、公交车、公务用车和小型私人用车等。但目前纯电动汽车领域还有非常多缺陷,电池普遍存在价格昂贵、功率密度低、能量密度不高、性能不稳定、充电时间长、循环寿命短、存在安全和环保隐患等重大缺点,各方面技术还有待突破,,需辅助采用其它技术满足用户需求,如采用增程式方案,在纯电动汽车上增设常规能源系统为车辆补充电能,或用超级电容器进行功率辅助等。因此,纯电动汽车在电池技术取得实质性突破前难以大规模市场普及。

    燃料电池汽车领域:

    燃料电池汽车是终极解决方案。燃料电池汽车具有高效率、零污染、零碳排放、燃料来源广泛等特点,这些优点使其成为最具诱惑的终极汽车能源动力方案。燃料电池通过氢气燃料和氧气的化学作用直接变成电能进而驱动汽车,不经过燃烧。但从目前情况看,短期无法根本突破燃料电池的可靠性和耐久性;而依赖于贵金属铂,又导致催化剂又成本高昂;氢存储供应问题也一直无法很好解决,所以市场化难以形成。但各国鉴于其重要的战略意义, 始终未放松对燃料电池汽车的攻关研究。其中美国是燃料电池汽车技术起步最早的国家,德国和日本从 90 年代初期也加入了研发行列,美、日、德共同成为燃料电池汽车技术的领军者。除了各国政府主导的燃料电池开发计划外,各国各大汽车公司也投入大量的人力、物力、财力进行开发,取得了不少重要进展。

    参考资料:参考文献:

    [3]  清华大学中国车用能源研究中心着:《中国车用能源展望2012》[M],北京:科学出版社,2012

    [4]  周宏春着:《低炭经济学》[M],北京,机械工业出版社,2012