燃料电池

燃料电池（精选十篇）

燃料电池 篇1

1 FCV的发展现状

1.1 国外发展情况

近年来,FCV正受到各大经济体的重视。在美国,FCV曾被美国总统布什作为“氢经济”论的“法宝”而大肆宣传。2008年,福特公司宣布发展清洁动力技术,以氢FC为最终目标。在日本,经济产业省已经对FCV的发展规定了时间表,其目标是到2020年日本的FCV达到200万辆,到2030年,FCV全面在日本普及,并斥巨资开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池以及氢FC技术。在欧洲,欧盟也早在2008年夏天就斥资10亿用于FC和氢能源的研发,欧盟此举旨在把FC和氢能源技术发展成为高新技术,在世界新能源领域处于世界领先地位。

目前,许多国外的汽车公司已经推出了自己的FCV。图1为奔驰汽车公司的奔驰B级燃料电池车,可以在-25℃的情况下轻松启动,在短时间内迅速达到80℃的理想工作温度。

韩国现代汽车公司也相继推出了几款燃料电池汽车,其中具有代表性的是第二代(Tucson FCEV)和第三代(Tucson ix FCEV)燃料电池汽车。图2为韩国现代ix35氢燃料电池车,图3所示为该公司的第二代燃料电池公交车。

图4为美国通用汽车公司2001年推出的氢动三号汽车(Hydrogen3),在2010年上海世博会期间进行了将近百辆的示范运行。

1.2 国内发展情况

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燃料电池的研究。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[2]。“九五”和“十五”期间,国家都把FCV及相关技术研究列入科技计划,国家863计划和973计划都设立了许多与此相关的科研课题。“十五”国家重大科技专项之一的“电动汽车专项”将FCV列为重要内容。“十一五”国家继续支持“节能与新能源汽车”,包括FCV的研究。

在燃料电池领域我国虽然起步较晚,但充分发挥后发优势,与先进水平的差距正在缩小,并且相继推出了一些燃料电池车型。2003年我国第一辆燃料电池动力样车—超越一号亮相上海国际工业博览会。随后,同济大学继超越一号后又研制出超越二号、超越三号,如图5所示。超越二号参加了国际必比登清洁汽车挑战赛,经测试,超越二号在污染排放、CO2排放、噪声、蛇行和燃料经济性方面达到A级水平。超越三号2006年也参加了该挑战赛,取得了不俗的成绩。上海汽车把超越系列汽车的燃料电池动力系统搭载在荣威轿车上,产生了上海牌氢燃料电池汽车,如图6所示。超越系列燃料电池车的主要技术参数如表1所示。

近年来,国家进行了若干次FCV的试运行。奥运会期间,3辆氢燃料电池大客车为奥运会服务。清华大学的邓学等[3]对其运行数据进行了相关研究,研究发现氢燃料电池大客车具有经济性高、能量转换效率高等优点[3]。2010年世博会期间,进行了千辆级的新能源车示范运行,其中196辆FCV,包括90辆燃料电池轿车,6辆燃料电池客车和100辆燃料电池观光车。2009年,科技部、财政部、发改委、工业和信息化部共同启动了“十城千辆”工程,目标是通过政府补贴,用3年左右的时间,每年发展10个城市,每个城市推出1000辆新能源汽车开展示范运行,南通市为示范城市之一,笔者通过跟车试验,亲身感受了几种新能源车的不同特点。

2 VFC目前存在的问题

目前,国际上最著名的燃料电池公司要数加拿大的巴拉德(Ballard)公司,该公司的产品主要应用于备用电源、分布式发电、物料搬运(叉车等)、公交车等,巴拉德公司生产的应用于公交车的有型燃料电池。国内燃料电池生产厂家主要有上海神力科技有限公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、上海燃料电池汽车动力系统有限公司等。

虽然经过多年的发展,但VFC仍然处于起步阶段,还存在着一些有待解决的问题。

2.1 VFC启停衰减问题

燃料电池作为FCV的动力来源,使用燃料电池直接驱动电动机,不同于传统的内燃发动机,当汽车需要立刻启动或加速时,唯一的办法就是增大燃料极和空气极的流量以提高电池的输出功率。由于FCV主要用于市区交通,运行的速度不高,而且需要频繁的变速,因此用燃料电池来直接驱动电动机,频繁的启动或者改变燃料极和空气极的流量对燃料电池的性能是一种很大的伤害,对其寿命有很大的影响。目前,车用燃料电池主要是质子交换膜燃料电池(PEMFC),PEMFC的频繁启停导致性能衰减的问题,已成为其耐久性研究的一个热点,如何减小启停中电池的衰减也是亟待解决的问题。对启停过程催化剂等关键材料的腐蚀机理的了解是基础,而对于车载PEMFC发动机来说,设计合理的启停程序或者合理的保护装置才是减少启停过程燃料电池衰减的根本措施[4,5]。

2.2 燃料电池组散热

燃料电池是FCV的核心,而燃料电池中质子交换膜是核心部件,其性能的好坏直接影响到电池的性能和寿命。与蓄电池不同,燃料电池内部的化学反应具有不可逆性,大约50%左右的能量耗散掉了,这一部分能量聚集在电池内部使其温度升高[6]。高温会对质子交换膜造成破坏,从而缩短燃料电池的使用寿命。不同于内燃机,燃料电池一般热量辐射出去少,使燃料电池冷却变得很困难。

同济大学的许思传等[6]对FCV散热系统进行了设计,上海燃料电池汽车动力系统有限公司的周奕等[7]也对FCV散热系统进行了研究。主要从三个方面:增大进气风速。采用两个800W的风扇,较好地解决了散热问题,但是附属设备的功耗增加了;(2)增大散热面积。采用了散热器分开布置的方式,有效地解决单块大散热器不易布置的问题,但是同样也面临着布置这些散热器所面临的空间不足以及进气口处理的问题;(3)改变散热器的位置。将冷凝器置于散热器之后,有效地降低散热器气侧的温度,有利于电堆的散热[5]。

2.3 VFC的防冰冻问题

燃料电池不能在零度以下正常起动是阻碍FCV商业化的主要障碍之一。由于燃料电池内部有水,且多用水循环方式冷却,当外部气温低于零度时,停止工作的燃料电池变冷,内部的水便结成冰,导致气道受阻,启动变慢,且水结冰后体积变大,可能产生足以破坏燃料电池内部部件的应力。

詹志刚等[8]对PEMFC冷启动及性能衰减进行了实验研究,实验表明多次冰点以下启动后,电池性能明显衰减且不可活化恢复;催化层表面出现龟裂,并有凹坑。电池性能不可逆劣化和电压的衰减均因水在电池内部发生冻结,导致了结构上的损伤。由于燃料电池内部的水主要在阴极生成,因此对阴极的扩散层产生了严重的影响。重复的结冰和启动,导致催化剂颗粒严重脱落,催化面积大为减小,催化剂的催化能力严重丧失,极大地影响了燃料电池的性能[8]。

2.4 大气污染对燃料电池性能的影响

目前大多数燃料电池使用贵金属Pt作为催化剂,工作温度较低,对燃料(氢气)和氧化剂中存在的杂质气体比较敏感,会严重影响到燃料电池的工作性能。此外,作为刚刚起步的FCV,目前必须与传统内燃机汽车一起运行,传统汽车排放的尾气势必将加重这种不利影响。大气中的主要污染性气体有氮氧化合物NOX和CO。

杨代军、马建新等[8]通过建立燃料电池测试平台对NOX和CO对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响进行了研究,实验结果表明,当通入NOX后,电压在短时间内由0.68V迅速下降到0.35V。此外还进行了NOX对单体电池性能影响可逆性实验,停止通入NOX后电压可以基本恢复,表明NOX对单体电池的影响具有可逆性。在研究NOX对电池阻抗影响时发现,NOX导致了电池阻抗的变大,当用纯净空气吹走NOX后,阻抗基本得到了恢复。在研究CO通入阴极对电池性能的影响时发现电池的性能没有明显下降,表现出了良好的耐受性,这与阳极在CO浓度为10-5(体积分数)时就出现性能大幅降低截然不同,这主要是因为Pt同时也是O2和CO反应的良好催化剂,CO没有吸附在Pt表面造成催化剂中毒[9]。

2.5 车用燃料电池的控制系统

燃料电池作为FCV的核心,频繁启停将造成燃料电池性能衰减,输出功率频繁变化也会对燃料电池的性能造成很大破坏,因此设计减小这种不利影响的燃料电池控制系统是必要的。目前,蓄电池是使用最多的FCV辅助电源,合理高效的燃料电池/蓄电池能量管理将决定整车的性能。

陕西理工学院李志峰[10]采用功率跟随模式,对燃料电池/蓄电池混合动力电动汽车能量控制策略进行了基于ADVI-SOR软件的仿真研究,结果表明功率跟随模式控制策略能使蓄电池和燃料电池始终处于一个最佳工作状态,并可以延长其使用寿命[11]。清华大学何彬、卢兰光等[11]对燃料电池混合动力汽车能量控制策略进行了研究,提出了3种动力系统能量控制策略:恒压控制、离线能量分配控制、在线能量分配控制,并对这3种策略进行了仿真,结果表明离线分配的控制效果优于恒压控制,更接近于在线分配控制,但存在一定的震荡,在线分配控制保证SOC在最佳工作区域。此外,在CBD14循环工况下仿真实验了有无再生制动的燃油经济性,结果显示带有制动反馈的再生能量回馈总量约占燃料电池发动机输出能量的20%左右,极大地提高了整车的燃油经济性[11]。

2.6 振动对VFC的影响

VFC工作环境与普通燃料电池的不同之处在于振动。燃料电池电堆是由单电池通过连接组成,振动会对单电池产生不良影响,缩短使用寿命。

同济大学的许思传、周定贤等[12]对金属流场板燃料电池进行了100h振动可靠性试验,通过对单电池电压的分析,发现该金属流场板燃料电池单电压一致性下降[12]。

华南理工大学的于学华[13]采用移频减振原理对燃料电池发动机反应堆悬置刚度和阻尼进行了优化设计,避开路面不平度引起的1.2Hz到1.8Hz的低频激振,以及由前桥引起的12Hz到14Hz的激振,设计方法可以达到对燃料电池发动机反应堆进行隔振的设计要求[13]。

2.7 燃料储备

燃料电池的燃料主要有氢气、甲醇等,其中氢气的存储最为困难[14,15,16],这里主要说明氢燃料电池的燃料储存问题。

2.7.1 高压气态存储

普通高压气态储氢是目前应用最广泛储氢方式,简便易行而且成本较低,充放氢迅速,且在常温下就可进行[17]。目前,由于钢瓶材料的限制,储氢压力通常不高于20MPa,因此钢瓶的质量储氢密度仅为1%左右。

FCV作为交通工具,要具有长途续航能力,还要经受各种路况,因此高压气态存储有待进一步发展,应着重从两个方面着手:第一,寻找高强度的钢瓶合金材料,提高钢瓶单位质量的储氢量;第二,提高高压氢气存储的安全性。

2.7.2 金属氢化物储氢

金属氢化物储氢是刚发展起来的储氢技术,目前应用正在逐步增多,其原理是把氢气以金属氢化物形式储存在合金中。目前,常用的储氢合金和纯金属主要有Mg、FeTi、MgNi等,其中以Mg的质量储氢密度最高,达到了7.65%;其次是MgNi,达到了3.6%。通过比较发现,通过金属氢化物储氢可以得到相对于高压气态储氢较高的质量储氢密度,而且也相对安全一些。但是储氢合金的储氢条件较为苛刻,放氢需较高的温度,吸放氢动力学性能差,储氢量相对较低,但合金类储氢材料较易大规模生产,成本较低[13],因此综合考虑,金属氢化物储氢的应用前景很广[18]。

3 VFC的发展展望

未来VFC的发展将主要集中在以下几个方面:

(1)新型燃料电池催化剂的研究

目前燃料电池所用的催化剂为金属Pt,为稀有金属,导致燃料电池成本居高不下。同时,全球Pt产量有限,若FCV大量生产,将是一个问题。因此,研究开发新型催化剂以替代金属Pt是现在及将来燃料电池发展所面临的重要课题。

(2)水循环及热管理系统

燃料电池的工作性能对温度的变化比较敏感,目前多使用循环水来控制燃料电池温度,车用燃料电池的工况变化较频繁,相应的温度也起伏不定,所以冷却系统必须保证燃料电池工作在最佳温度区,因此,设计良好的水循环冷却系统是发展FCV必须克服的问题,以及寒冷地区电池结冰问题。

(3)提高燃料电池寿命

首先,改进车身结构,特别是减震系统,以减轻电池振动;其次,采用合理的动力混合方式,扬长避短;同时,研究新的控制方式,以改善频繁变化的运行状况对电池性能和寿命的影响[19]。

4 结语

FCV作为现代科技的产物,目前还存在一些有待解决的问题。技术方面,虽然在不断进步,但是还远没有传统内燃机汽车完善,有待技术突破;在市场方面,FCV在中国刚起步不久,了解的人相对较少,而且成本很高,目前市场相对较小。

当前FCV虽然还面临着一些问题和挑战,但作为新生事物,FCV有着巨大的优越性,如无污染物排放、无振动、无声行驶等,是传统内燃机汽车所不具备的,这些都是FC赋予汽车的,而且目前FCV在许多方面正慢慢赶上传统汽车。相信随着科技的进步,国家的扶持,许多技术瓶颈都将得到解决,FCV技术将会越来越完善,更多的人将会了解并接受它,前景也会更加广阔。

摘要：燃料电池汽车作为一种新能源汽车,经过多年的发展,各个方面均取得了显著的进展。通过对燃料电池、燃料电池汽车发展现状的综述,总结了车用燃料电池(Vehicle Fuel Cell,VFC)的发展现状,以及目前VFC发展过程中所遇到的问题,简要概括了这些问题的研究进展,并对燃料电池汽车未来的发展做出展望。

燃料电池电极材料简述 篇2

By 小叶好的

摘要

本文分别简述了五种燃料电池的点击材料的发展状况。分别从质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、熔融盐燃料电池五种类型分别对电极材料进行简述，并结合最新的前沿研究对燃料电池电极材料进行简单的论述。关键词

燃料电池 正极材料 负极材料 电极 燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。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”。一．质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，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。

在质子交换膜燃料电池中，电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸，和质子能够渗透但不导电的NafionTM，而电极基本由碳组成。氢流入燃料电池到达阳极，裂解成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗透到阴极，而电子通过外部网路流动，提供电力。以空气形式存在的氧供应到阴极，与电子和氢离子结合形成水。在电极上的这些反应如下：

阳极：2H2→ 4H+ + 4e-

阴极：O2 + 4H+ + 4e-→ 2 H2O

整体：2H2 + O2→ 2 H2O + 能量

质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。

这种电极/电解质装置通常称做膜电极装配（MEA），将其夹在二个场流板中间便能构成燃料电池。这二个板上都有沟槽，将燃料引导到电极上，也能通过膜电极装配导电。每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。

二．固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。广泛采用陶瓷材料作阴极和阳极电极材料，具有全固态结构。陶瓷电解质要求中、高温运行（600～1000℃），加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

阴极材料目前已经有用柠檬酸络合法制备超细的钙钛矿型结构的固体氧化物燃料电池阴极材料La_(0.7)Sr_(0.2)Co_(0.1)CuO_(3-σ)(LSCC).选用合适的反应条件和煅烧温度制得所需要的材料后,用DSC-TG、XRD、SEM等对粉体进行物相测定和形貌观察;选用不同温度煅烧前驱体,得到不同比表面积的粉体材料,通过半干法工艺成型LSCC阴极材料并测试它在不同温度条件下的电性能.结果表明,溶胶凝胶-高温自燃烧法能制备出超细纯相的LSCC阴极材料,且该阴极材料在中温条件下使用具有良好的导电性能(不低于150 S/cm)和输出功率(0.85 W/cm~2)和较低的活化能(112.1 kJ/mol).最近,一些具有电子和氧离子混合传导的A2B2O5型复合氧化物成为人们研究的热点材料。这类材料主要包括层状钙钛矿结构,如LnBaCo2O5+δ(Ln为稀土元素)、LaBaCuFeO5+δ和YBaCuCoO5+δ等氧化物和钙铁石结构,如Ca2Fe2O5、La2Co2O5等氧化物[1～3]。由于具有良好的晶体结构、独特的电化学性能以及较高催化活性,这些氧化物在新材料开发方面得到了高度的重视[4,5]。有关A2B2O5型层状钙钛矿结构氧化物用于SOFC阴极材料的研究最近也有一些报道,并且表现出较好的电化学性能。Tarancón等报道了GdBaCo2O5+δ氧化物阴极材料在不同固体电解质上的电化学性能,发现当测试温度为700℃时,电极的极化电阻最小值为0.25Ω.cm2。同时,Kim等研究了PrBaCo2O5+δ阴极材料的氧扩散及表无机化学学报第25卷面交换性能,结果显示,在测试温度范围内该材料具有很好的氧扩散能力;同时,电化学测试结果显示,在较低的测试温度下(600℃),PrBaCo2O5+δ阴极材料具有较小的极化电阻(0.15Ω.cm2)。

三．磷酸燃料电池

磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150-200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。

目前已经有ElectroChem电池，其标准电极是使用在碳纸上的10wt %，20wt % Pt/C或30wt% Pt/RU触媒.我们也有特别订制的电极可供选择。但是目前比较成熟的是，正极材料采用磷酸铁锂，正极集流体采用铝箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨的一种或两种混合物，正极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯；负极材料采用天然石墨或人造石墨，负极集流体采用铜箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨一种或两种混合物，负极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯或羧甲基纤维素纳、丁苯橡胶；正极片、负极片、隔膜经多层层叠卷绕制成圆柱形卷芯。本发明不仅容量大，而且可以大倍率放电。合成方法主要有二步法工艺和胶-凝胶法，二步法工艺先是将含铁、酸根的原料均匀混合，在较低温度下合成结晶程度较好的磷酸铁锂；然后将磷酸铁锂和复合导电剂(无机导电物与含碳导电剂前驱物)充分混和，在较高温度下经短时间热处理即可得到电化学性能优良的正极材料磷酸铁锂，获得的磷酸铁锂结晶性好，其与导电剂的界面作用强，使材料的锂离子和电子导电率高，并适合用于大倍率充放，本工艺原料为廉价化工产品，合成工艺简单，易于规模化生产，添加电子导电剂的方法独特，产品材料电化学性能优良。溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料磷酸钒锂的方法。将五氧化二钒粉末加热到600-900℃，并恒温1-4h使其熔融后迅速倒入装有水的容器中形成棕红色溶液，然后往溶液中加入锂盐、磷酸盐和有机酸，混合均匀后，在惰性气体的保护下于400℃-700℃烧结5-20h，冷却后即为成品。

四． 碱性燃料电池

碱性燃料电池一般以碳为电极，并使用氢氧化钾为电解质。碱性燃料电池的电能转换效率为所有燃料电池中最高的，最高可达70%。

19世纪60年代初，中温碱性燃料电池被用于太阳神阿波罗太空飞船，标志着燃料电池技术成为民用。碱性燃料电池在太空飞行中的应用获得成功，因为空间站的推动原料是氢和氧，电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用，其供氧分系统还可以与生保系统互为备份，而且对空间环境不产生污染。

20世纪90年代以来，众多汽车生产商都在研究使用低温燃料电池作为汽车动力电池的可行性。由于低温碱性燃料电池存在易受CO2毒化等缺陷，使其在汽车上的应用受到限制，因此，除少数机构还在研究碱性燃料电池外，大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）上寻求突破。然而PEMFC和DMFC都以贵金属Pt为主催化剂，一旦PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶段，将被迫面临Pt的匮乏。碱性燃料电池可以不采用贵金属作催化剂，如果采用CO2过滤器或碱液循环等手段去除CO2，克服其致命弱点后，用于汽车的碱性燃料电池将具有现实意义。因此，碱性燃料电池领域近年的研究重点是CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂。

最近的研究表明，CO2毒化问题可通过多种方式解决，如通过电化学方法消除CO2，使用循环电解质、液态氢，以及开发先进的电极制备技术等。德国的Gulzow,E.等人2004年研究发现：当电极采用特殊方法制备时，可以在CO2含量较高的条件下正常运行而不受毒化。在电极制备中，催化剂材料与PTFE 细颗粒在高速下混合，粒径小于1μm的PTFE小颗粒覆盖在催化剂表面，增加了电极强度，同时也避免了电极被电解液完全淹没，减小了碳酸盐析出堵塞微孔及对电极造成机械损害的可能性。香港大学倪萌等人2004年提出使用氨（NH3）作为氢源在碱性燃料电池上使用将具有较好的发展前景。氨在室温下仅需8～9MPa就可被液化，不需较高能量消耗，且价格低，已有比较完善的生产、运输体系。氨具有强烈刺鼻的气味，其泄漏很容易检测。氨的爆炸范围比较小，仅15%～28%（体积比），相对安全。在碱性燃料电池使用中，只需在燃料入口增加一个重整器，将NH3分解为N2 和H2 即可。NH3的使用为碱性燃料电池的应用展开了一片较好的前景。

在替代贵金属的催化剂方面，近年的研究集中于：如何在非贵金属催化剂的稳定性和电极性能方面取得突破，开发与贵金属复合的多元催化剂，以及提高贵金属利用率、降低贵金属负载量等。基于纳米材料的电催化剂的应用研究是该领域近年的发展方向之一，纳米材料具有大比表面积、优良的导电性，在强碱液中表现出良好的耐蚀性，碳纳米管（CNTs）可作为碱性燃料电池中H2氧化反应的催化剂或催化剂载体。2000年，印度的N.Rajalakshmi等人采用直流电弧放电法制备单壁碳纳米管，经过加热、纯化、浓硝酸处理过后的碳纳米管具有类似于金属氢化物的催化活性。将其与铜粉按比例混合后制备的工作电极的电化学性能稳定、效率较高。2007年，日本汽车商Daihatsu宣布开发出一款无铂的碱性燃料电池。该技术适用于小型、有限范围的汽车，对性能和耐久性的要求不像大型汽车那么严格，但该技术还处于初级阶段，近期不会有商业化产品。

近年来，国际研究者在CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂方面取得的研究进展，为低温碱性燃料电池的汽车应用创造了可能性。

五． 熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池以熔融碱金属碳酸盐的混合物组成低共熔体系作电解质，以氧化镍为正极、镍为负极的一种燃料电池。其燃料用氢和一氧化碳，氧化剂为空气。

1、阳极

MCFC的阳极催化剂最早采用银和铂，为降低成本，后来改用了导电性与电催化性能良好的镍。但镍被发现在MCFC的工作温度与电池组装力的作用下会发生烧结和蠕变现象，进而MCFC采用了Ni-Cr或Ni-Al合金等作阳极的电催化剂。加入2%~10%Cr的目的是防止烧结，但Ni-Cr阳极易发生蠕变。另外，Cr还能被电解质锂化，并消耗碳酸盐，Cr的含量减少会减少电解质的损失，但蠕变将增大。相比之下，Ni-Al阳极蠕变小，电解质损失少，蠕变降低是由于合金中生成了。

2、阴极

熔融碳酸盐燃料电池的阴极催化剂普遍采用氧化镍。其典型的制备方法是将多孔镍电极在电池升温过程中就地氧化，而且部分被锂化，形成非化学计量化合物，电极导电性极大提高。但是，这样制备的NiO电极会产生膨胀，向外挤压电池壳体，破坏壳体与电解质基体之间的湿密封。改进这一缺陷的方法有以下几种：

（l）Ni电极先在电池外氧化，再到电池中掺Li;或氧化和掺Li都在电池外进行；

（2）直接用NiO粉进行烧结，在烧结前掺Li，或在电池中掺Li:

（3）在空气中烧结金属镍粉，使烧结和氧化同时完成；

（4）在Ni电极中放置金属丝网（或拉网）以增强结构的稳定性等等。

参考文献：

燃料电池的激情 篇3

早在200多年前，英国人戴维就首先提出了燃料电池的原理，在30多年后的1839年，另一位英国人格罗夫第一个制作出了氢一氧燃料电池。但是直到上个世纪末，燃料电池才以它独特的优点得到了世界越来越多的关注和研究，成为能源技术研究的舞台上最激情四射的舞者。

《美国向氢经济过渡的2030年远景展望报告》将开发燃料电池技术，特别是开发氢能技术。列为涉及国家安全的技术之一，提出要走以氢能为能源基础的经济发展道路。此外，美国能源部制定了“氢计划”，计划在2010年实现燃料电池汽车氢燃料的市场份额达到25％。

对这个存在了两个世纪的“老技术”，我们是否应该给予更多的重视，也许，它真会是一个不错的商业机会!

燃料电池原理

燃料电池由燃料、氧化剂、电极和电解质四个主要部分组成。常用的燃料有氢、甲醇、液氨和天然气等，氧化剂主要为空气中的氧。由电催化剂和防水剂组成的“燃料电极”(负极)和“氧电极”{正极)是燃料电池的重要部件，正负两极由电解质隔开。在电催化剂(目前主要为铂金属，约占燃科电池一半以上的成本)的作用下，分布在两个电极上的燃料和氧化剂与电解质一起发生化学反应，产生的电子由导线引出，这样就发出电了。只要不断地有燃料和氧化剂输入，燃料电池就可以持续地供电，而不像干电池和蓄电池那样随着反应物消耗殆尽就寿终正寝了。从本质上说，燃料电池是一种发电装置，它和普通电池一样是将化学能转化为电能，但是人们习惯上更喜欢称之为“电池”。

广泛的应用

高效、洁净是燃料电池的最大特点，但是更具魅力的是它的应用领域非常广泛。根据工作温度和发电功率的不同，燃料电池的应用领域可分四类：

1、大型发电。可替代火力、水力或核能发电，用于商业发电和工业生产；

2、住宅发电。可建在公寓、办公楼等地带，用于分散发电和余热利用；

3、航天航海及变通运输。用于宇宙飞船、潜艇、机器人、汽车、交通艇等的动力系统；

燃料电池研究动态 篇4

燃由中科院长春应化所、中科院大连

化物所等单位共同承担的国家“863计料划池技”术通过了科技部组织的中期项目检目标导向项目———直接甲醇燃料电电查专利, 并。获得9项发明专利, 两项实用新型

直接甲醇燃料电池是一种将化学能

池连续不断地转化为电能的可再生清洁能

源。自20世纪60年代初问世以来, 以其操研作温度低无环境污染、能、量效率高安全可靠等、特点无电解, 质腐蚀迅速发展、究成为国际高新技术竞争中的重要热点我国对燃料电池高度重视并将其列入国。

家科技中长期发展规划, 属能源、交通、电动子等领域的重要研究方向和急需开拓的

尖端高技术。2007年5月中科院长春应化态所与中科院大连化物所和南通海阳新材料科技有、限公司联合南京师范大, 经学

过2年多的联合攻关, 突破催化剂制备及

性能, 电极及膜电极集合体制备工艺、电池结构改进等技术关键, 批量制备出性能优良的多种催化剂和高性能膜电极集合体, 组装出自呼吸电池及主动式电堆, 实现自呼吸电池甲醇燃料电池组与笔记本电能连用。

据悉, 甲醇燃料电池特别适合中小型电源, 如移动式长效发电系统、便携式电源等, 对于国民经济和国防建设等均具有重要意义。

水质淡化, 微生物燃料电池新方向

美国宾夕法尼亚大学和中国清华大学的最新研究显示, 细菌可将污浊的盐水变为饮用水并发电。

该研究昭示着微生物燃料电池的发展新方向。过去, 微生物燃料电池通常被用于发电或以氢气或甲烷的形式储存电力。现在研究人员最新发现, 微生物燃料电池可将有机废物转变为能量来源。

研究人员首先从池塘或其它天然水域采集样品。在样品的数百万微生物中, 一些细菌会自动地在其细胞内产生电子和质子, 并将它们转运到体外。其它细菌会吸收这些电子和质子, 将其作为创造氢、甲烷和其它化学物质等能量物质的“燃料”。

研究人员发现, 使用两片特制的塑料薄膜就可以利用这些微生物所产生的能量。这种薄膜可以分离微生物产生的电子、离子或气体, 让其分别流向阴极或阳极。阴极、阳极和薄膜组装在一个如同小纸巾盒一样的透明塑料盒中。在薄膜之间加入一杯池塘里的水, 细菌就开始工作, 最终可以产生纯度达90%的水。

水的纯度可以根据科学或商业需要进行调整, 甚至可以达到饮用水标准。微生物燃料电池可以去除水中的大部分盐分, 由于该过程能够减少电力消耗, 因此还可以降低水质淡化成本。

研究人员在一座酒厂附近安装了一个大型微生物燃料电池, 计划将其产生的废水变成氢气。他们表示, 目前这只是一个示范项目。但最终酒厂将可以利用微生物燃料电池产生的电力驱动轿车、铲车和其它车辆。

低成本CIGS太阳能电池

尽管目前业界的太阳能板仍以结晶硅材料占主导的地位, 其它材料的制造成本相对而言仍嫌贵了些。新进的厂商希望吸收能量的材料能被铜铟镓硒 (Copper Indium Gallium Sselenide, 简称CIGS) 或其相关的材料所取代, 铜铟镓硒电池具有高转换效率的潜力, 可以实现低成本的制造, 相比硅基太阳能电池, 仅需使用少量的原材料。不幸的是, 到目前为止, 大量商业化的生产铜铟镓硒电池确实是一件困难的事。最近, 加州大学洛杉矶分校 (University of California, Los Angeles, 简称UCLA) Henry Samueli工程和应用科学学院的研究团队, 研究出低成本的制造方法, 解决铜铟镓硒电池制作的问题。

铜铟镓硒系列的材料可以获得很高的转换效率, 目前已有效率20%左右的电池, 但是其制造成本是很贵的。最终, 产品的制造成本将使得它很难与现有的电价作竞争, 然而, 通过研究人员最近发展的制程, 将可保有相同的效率, 其制造成本却是相对低很多。研究团队实验室制备的铜铟镓二硒薄膜电池在很短的时间内由7.5%提升至9.3%。

微生物燃料电池讲稿 篇5

这是我今天展示的四个部分，首先是细菌发电的技术原理，（以电池为例）

一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。

与其他类型燃料电池类似，微生物燃料电池的基本结构为阴极池和阳极池。根据阴极池结构的不同，MFC 可分为单池型和双池型2 类;根据电池中是否使用质子交换膜,也可分为有膜型和无膜型2 类;根据电子传递方式的不同，又可分为直接型和间接型2 类。（其中单池型MFC 由于其阴极氧化剂直接为空气，因而无需盛装溶液的容器;无膜型燃料电池则是利用阴极材料具有部分防空气渗透的作用而省略了质子交换膜。直接型MFC 采用的产电细菌具有将氧化产生的电子传递到阳极的能力。）

这张图是传统微生物燃料电池的结构图，这一张图上大家可以看到细菌在这个流程中的作用。

但是细菌并不是只有靠着电极才可以发电，但是科学家发现有些可以产生电流的细胞如地杆菌在细胞外长有长长的、纤细的丝。试验证明细菌的这些细长的丝是它们纯天然的“电线”，实现细菌远距离发电。

常见产生电流的菌种：希瓦氏菌，铁还原红育菌，硫还原泥土杆菌

这种电池的原料广泛，可以是糖类，包括葡萄糖以及果糖、蔗糖，甚至从木头和稻草中提取出来的含糖副产品的木糖等，都可以充当细菌发电的原料。细菌发电所用的糖完全可以用诸如锯末、桔秆、落叶等废有机物的水解物来替代，也可以利用分解化学工业废物如无用聚合物来发电。

重金属，利用重金属做为原料，是指利用一种能去除地下铀污染物的细菌来发电。科学家们破解了这种能吞噬金属的地下细菌的基因图谱，称它有100多个基因能够使金属发生化学变化，使之产生电能。这种地下细菌的基因组中有100个或更多的基因，能编码不同的C型细胞色素，还具有能来回移动电子的蛋白质。这种细菌能在深层地下水中产生电能，这比先前预计的清洁环境的用处更大。

有机污水，利用生活污水发电设备也可以发电，它是利用在淡水池塘中常见的一种细菌来连续发电的。这种细菌不仅能分解有机污染物，而且还能抵抗多种恶劣环境。节省能源，有利环保。科学家说，利用这种污水发电机，将会有那么一天，能使从马桶冲下去的秽物成为家中照明用电的来源。

啤酒废料，在中国和泰国曾经有过把稻谷和甘蔗的废料制造成能源的案例。同样的程序或许可以用于开发酿酒的废料，而且制造的能源还能用于酿酒。酿造啤酒消耗的能源很多，先要用热水和蒸气煮原料，然后用电使其冷却。湿谷物和废水倒入酵桶中，发酵桶装了可以分解有机化合物的细菌，这样就可以制造沼气，然后把发酵桶中产生的沼气和干煤泥用于烧水和生产高压力的蒸气，而这又能推动涡轮发电。

接下来是发展历史，1786年，意大利医生及物理学家伽凡尼在青蛙腿上发现了“动物电” , 从而把电与代谢过程联系了起来。

1910年英国植物学家马克•皮特首先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。于是他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培养液里，成功地制造出世界上第一个细菌电池。波特尔直觉地认识到, 这种微生物燃料电池的电子是由微生物的食物降解产生的。他无法用当时仅仅属于想象的代谢过程的生化原理来解释他的实验结果。但当时的科学界并没有因此而畏缩不前。后来, 微生物学家和酶学象南明了细菌中的酶是如何氧化其食物的。那时波特尔的微生物燃料电池己基本被遗忘了。

1913年，剑桥大学的柯恩复活了波特尔的思想。他记述了微生物燃料电池的电池组产生3 5伏以上电压的情况。

本世纪六十年代，美国国象航空和航天管理局曾支持许多生物电的研究计划, 如把有机垃圾转化为电流的方法。

直到宇航世纪的来临和出现一石油圆乏, 才重新引起对这一课题的注意。1984年，美国科学家设计出一种太空飞船使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌。不过，那时的细菌电池放电效率较低。

2002年后，随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现，人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。

MFC技术的应用前景正在不断拓展中。例如，将MFC阳极插入海底(河底、湖底)沉积物中,阴极置于临近海水中，则可收集到天然的、由微生物代谢产生的海底电流,这可为各类海洋监测仪器提供电源.此外，MFC技术还可用于生物修复,例如在有高浓度有机物污染的地点(如石油污染),可置入MFC阳极完成对有机物的氧化。

应用领域，替代能源，随着工业经济的发展、人口的剧增、人类欲望的无限上升和对自然资源无节制地大规模开采，全球能源消费急剧增加。这不仅使世界能源供应面临严重危机，而且二氧化碳的过度排放导致全球气候变暖，对人类社会的可持续发展构成严峻挑战。微生物发电细菌工艺也会产生二氧化碳等对空气造成污染的物质，但与使用矿物燃料所排出的废气相比，它对全球变暖的危害要低得多，在某种程度上可以是被称作清洁能源的。而且在死海和大盐湖里找到一种嗜盐杆菌，它们含有一种紫色素，在把所接受的大约10%的阳光转化成化学物质时，即可产生电荷。科学家们利用它们制造出一个小型实验性太阳能细菌电池，结果证明是可以用嗜盐性细菌来发电的，用盐代替糖，其成本就大大降低了。由此可见，让细菌为人类供电已不是遥远的设想，而是不久的现实。

污水处理，以有机污水为燃料、回收利用污水中有机质的化学能-一直是MFC 研究中的主要目的,但在研究中,对于MFC处理后污水水质的监测结果使研究人员对以MFC 工作原理为基础，开发新的污水处理工艺产生了浓厚兴趣。2004 年，研究发现，直接用以空气为阴极的MFC处理生活污水，COD 去除率达到80%。值得注意的是,MFC 在厌氧降解有机物的同时，污水PH 保持中性，且溶液中没有常规厌氧环境发酵产生的CH4和H2等。因此，MFC 可以作为污水的常规处理手段，去除率可以达到与一般厌氧过程同样的效果，但MFC 不会使污水水质发生酸化，也不会产生具有爆炸性的危险气体，因此具有很好的开发前景。

微生物传感器，BODS被广泛用于评价污水中可生化降解的有机物含量，但由于传统的BOD测定方法需要5天的时间，因此,出现了大量关于BOD 传感器的研究,以MFC 工作原理为基础的BOD传感器的研究也是研究人员关注的焦点。利用MFC 工作原理开发新型BOD传感器的关键在于:1电池产生的电流或电荷与污染物的浓度之间呈良好的线性关系;2电池电流对污水浓度的响应速度较快;3有较好的重复性。

恶劣环境能量供应，细菌发电也可用于其他环境条件下，比如在充电条件困难以及成本高的情况下。使用这项技术为监视过往船只及潜艇的水下扩音器和声呐提供动力。通过这项技术，动物粪便或污水等含有碳水化合物的废物，都能为电冰箱和炉子提供电力，可以为生活在偏远地区的人带来帮助。

航天领域，飞向宇宙是技术发展方向的必然方向，宇宙是人类未来的主要资源来源。目前载人飞船上天，宇航员在太空飞行中的排泄物要被带回地球。如果有朝一日人类能踏上火星，那么往返火星与地球之间就需要四年的时间。粗略估算，在此期间，6名宇航员将会“制造”出6吨多的排泄物垃圾。这些废物垃圾该如何处置呢？日前科学家正在研究出利用“泥菌”属微生物将这些太空垃圾变废为宝。即让“泥菌”属微生物“吃下”人类的排泄物，产出来电能。

最后就是科学家们对这种技术的展望了，实现微生物的大规模发电，应对能源危机，也可以降低国家对产油国的依赖。食物喂养机器人，可以最大限度的放开机器人的自主权，未来的微型机器人行星探险家将采用有效而可靠的微生物燃料电池，无需科学家进行干预。

会发电的燃料电池 篇6

这套电池技术方案与传统意义上的电池有很大不同，具体表现在工作原理和衍生产品方面。它基于一种含铑元素的特殊分子络合物，这种络合物会以分子的形式嵌入阳极材料，因为阳极的支持材料为碳粉，这使得分子络合物能够均匀分布。然后阳极吸收自由电荷，将它们转移到阴极重新释放，在这一过程当中，电流就生成了。相比过去以“蓄电”为核心的传统电池工作原理，新的燃料电池事实上是靠自己发电来产生电能，同时因为用的是阳极上的分子络合物作催化剂的关系，这一燃料电池技术在发电的同时，还能够顺便产生一些优质的化工产品，让能源得到更全面的利用，实现全无浪费的资源循环。

那么这种有机金属燃料电池具体能够生成哪些化工产品呢?据苏黎世联邦理工学院的汉斯乔格·格鲁茨曼彻教授介绍，电池在发电当中，原料当中的1，2，丙二醇能被转化成多种乳酸，乳酸则可以用来制造生物降解高分子材料，而过去要制造乳酸，就会产生大量处理成本极高的硫酸钙，既不环保也很费钱。同时这一电池方案还会减少制作催化剂时对稀土和贵重金属的需求，更加环保和高效地为其他方面的生产服务。另外，技术人员还希望能够将这种电池的体积缩小，比如放在心脏起搏器里，这样病患也少了很多麻烦。

燃料电池新技术扫描 篇7

美国航天局下属喷气推进实验室与南加州大学合作, 研制出一种利用液态甲醇产生电能的电池, 这项技术将为进一步开发和推广清洁能源开辟新途径。

喷气推进实验室表示, 与其他燃料电池相比, 这种“直接甲醇燃料电池”在发电时不需要添加任何燃料, 也不排放任何污染物, 其发电副产品为水和二氧化碳, 如此生成的电能相对更清洁。此外, “直接甲醇燃料电池”还具有设计简单和能量密度高等特点。目前使用的一些燃料电池主要以氢为能源, 但氢难以储存和运输, 而“直接甲醇燃料电池”克服了这一缺点。这种燃料电池今后有望用于国防、军工行业及商业领域, 市场前景广阔。

可提高燃料电池能效的新材料

韩国原子力研究院 (KAERI) 和韩国能源技术研究院共同研究, 成功开发出可提高燃料电池能效的新材料。

此次研制成果有两种:一种为可使固体氧化物燃料电池 (SOFC) 在低温状态下运作的“碳素薄膜银纳米粉末催化剂”;另一种为不仅可大幅缩小甲醇燃料电池 (DMFC) 体积, 而且还能提高能效的“放射线照射高分子燃料电子膜”。碳素薄膜银纳米粉末可取代用稀贵金属制成的催化剂, 使SOFC能在摄氏650度的高温下达到400-/-的最大功效;放射线照射高分子燃料电子具有过滤甲醇并只许氢离子透过的特性, 可制作小体积高能效DMFC电池。

不需贵金属的氢燃料电池催化剂

美国洛斯阿拉莫斯和橡树岭国家实验室的研究人员开发了一种不需要贵金属的新型氢燃料电池催化剂, 有望解决氢燃料电池推广过程中的主要障碍, 使氢燃料电池从个人设备到汽车等多个领域具有广泛应用。

该新型碳-铁-钴催化剂通过加热聚苯胺、铁、钴盐生成, 不含贵金属铂, 但几乎与铂催化剂一样有效耐用。使用该催化剂的燃料电池能有效地将氢气和氧气变成水, 而不会产生大量不需要的过氧化氢。大量过氧化氢的产生会使燃料电池的产出能量减少50%, 同时还可能破坏燃料电池的膜。通常情况下, 由非贵金属制备的类似催化剂容易在高度酸性情况下降解, 但这种新型催化剂却能保持稳定。与铂催化剂相比, 新型催化剂的成本还极低。研究结果证实, 这种新催化剂使氢燃料电池的能量更高、效率更高且寿命更长, 且能让电池在不断充放电的过程中损耗更小。

微生物燃料电池及机器人

英国的科学家研究出了一种微生物燃料电池, 以及能够自我供给功能的机器人, 使得微生物成为一种未来的可持续性的能源。

这种样子笨拙的机器人可以将任何有机物质分解转换成电能供自己使用, 人们未来可以派它去条件恶劣的灾区执行搜寻幸存者的任务, 由于机器人会自动利用环境中的一切有机物为自己供能, 所以不必像使用普通电池那样担心它能量耗尽。

氢能与燃料电池能源系统 篇8

根据文献[1]的统计和预测,2003～2030年期间,国际能源消费随人口的不断增长和经济的不断发展将以年2.0%的速度增长,其中包括中国和印度的亚洲、中美洲和南美洲、非洲、中东和欧亚大陆的能源需求将以5.0%的年平均增长率增长;从最终用户能源消费来看,2003～2030年期间,农用能源和商用能源平均增长率分别为1.7%和1.8%,由于高昂的石油价格,运输领域增长较慢,仅为1.4%;工业部门的能源需求增长最快,年平均增长率为2.4%[1]。

另一方面,当今世界的大部分能源需求靠化石燃料满足,在过去的两个世纪里,能源技术的空前发展为人类的文明进步做出了伟大贡献。但是,以化石燃料为主体的能源结构和以燃烧方式为主要能量转换利用方法的世界能源体系给人类生存环境造成的破坏性影响也是严重的,同时,化石燃料的有限性也是一个必须面对的现实。

因此,世界各国先后开始了新型替代能源的研发工作。基于高效、清洁的能源利用需求,能成为替代能源的核能(核聚变)、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能和氢能等利用技术得到了不同程度的发展。

2 氢能的特点[2]

·氢来源广泛,具有再生性。最充足、最廉价的氢源是水。

·氢本身无毒,属清洁的能源。

·高发热值。HHV≈1.43×105 kJ/kgH2,是汽油发热值的3倍,是焦碳发热值的4.5倍。

·燃烧性能好。可燃范围宽、易燃、燃烧速度快(见表1)。

·导热性能好。比大多数气体的热导率高10倍左右,是极好的传热载体。

·可用各种方式储存。从气体、液体到固体,可储存于不同的物质中,如甲醇、乙醇和金属氢化物。

·像任何其它燃料一样可以有效地输运。

·氢利用和储存的安全性。利用现有的技术,采用物理和设计方法可以解决[5]。

所以,与核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能比较,氢能的上述特点使之作为高效、清洁替代能源较具竞争力。因为氢能没有其它替代能源候选者的污染物排放问题、地域性问题、低能量密度和间歇性问题、收集储存输运问题等,潜在的竞争仅来自核聚变。

3 氢能的应用

从能源需求和氢能特点简论了氢能作为理想替代能源的现实性,通过讨论氢能的实际应用,进一步说明这一推论的合理性。

(1)航天航空领域[6]:

著名的应用有氢氧发动机,新型大功率运载火箭及动力装置的燃料,欧盟“CRYOPLANE”计划充分证明了液氢做为未来航空燃料的技术可行性。鉴于相同重量液氢的能量密度是煤油的2.8倍,氢燃料对未来航空发展的影响可能是革命性的,此外还有以氢为燃料的燃料电池供电的电动飞机等。

(2)军事领域[7]:

以氢为燃料的燃料电池供电的潜艇,Quantum AMV“攻击者”军用车,军用机车,中、小规模供舰艇蓄电池充电的燃料电池电厂等。

(3)能源领域[8]:

以氢为燃料的燃料电池(详见本文5),太阳能—氢能系统,生物质—氢能系统。

(4)交通运输领域[8]:

燃料电池汽车、大巴、各种适用的运载工具包括高尔夫车、工程车、铲车、卡车、起重车、矿山机车、自行车、摩托等。

(5)工业领域[9]:

氢是重要的化工原料,冶金、半导体工业的还原/保护性气体,等离子体新工艺燃料供给,新材料制备工艺改进等。

总之,现在的氢能利用已不同程度地深入到各个领域,进一步地说明了氢能作为理想替代能源的现实性。

4 氢气的制备和储存[6][9]

4.1 氢气的制备

4.1.1 电解制氢

包括水电解制氢、热化学制氢和高温热解水制氢。水直接电解制氢成本高,热化学制氢存在材料问题,高温热解水制氢需解决热源的问题。解决上述问题的可能途径是等离子体制氢,其特点为工艺简单、反应条件温和、无污染、能耗低、产氢率高、可再生性[10]。

4.1.2 化石原料制氢

包括烃类制氢、天然气制氢、煤气化制氢、甲醇制氢。目前世界90%以上的氢能来自化石原料制氢。问题包括消耗宝贵的不可再生资源,使用催化剂和排放CO2造成环境污染,热效率低。解决上述问题的可能途径是引入热等离子体技术以简化工艺流程,实现CO2零排放,提高系统效率,这一技术路线对“等离子体点火技术”的研究也是有意义的。相关信息可参考文献[6]的P.68及[11,12,13,14]。

4.1.3 生物质制氢

由于化石原料制氢技术的相对成熟使生物质制氢技术研究集中在生物质热化学制氢方法上是自然的结果,但CO2的排放、碱金属问题和热效率低的问题是必须面临的挑战。一种高效清洁的生物质制氢方案是引入等离子体技术或其它相对成熟的能源技术,并结合燃料电池发电技术构建新型能量转换系统[15]。另一类生物质制氢方法的技术路线为微生物制氢技术[16],包括藻类产氢、发酵法生物制氢、光合细菌产氢、耦合产氢、酶法制氢。生物制氢原理简单,但机理复杂,产氢能力低。由于生物制氢是可再生的,环境友好的产氢技术,采用基因改良和人工驯化的方式在培养混合菌种、选育耐酸发酵菌种、完成天然菌种的驯化方面期待突破。

4.1.4 太阳能制氢

包括太阳能电解水制氢、太阳能热化学制氢、太阳能光化学制氢、太阳能直接光催化制氢、太阳能热解水制氢和光合作用制氢。太阳能电解水制氢采用太阳能—光伏电池—电解水制氢系统,由于低光电转换率,目前,该方法在经济上没有竞争力;太阳能热化学制氢是最有可能率先实现产业化的太阳能制氢技术,与技术相对成熟的传统热化学制氢相比,太阳能只是一个热源[17,18,19];太阳能光化学制氢的主要光解物为乙醇,由于乙醇是完全透明的,必须加入光敏剂以吸收光能,因此该方法的关键技术在于高光吸收率新型催化剂的研发;太阳能直接光催化制氢是直接利用太阳能分解水制氢,包括光催化剂分解法、络合催化分解水制氢、光电化学电解法制氢,该方法的关键在于开发性能稳定的光催化剂,使它在吸收光能、电荷分离与输运方面发挥控制作用,由于该技术环境友好,可再生性,因此成为太阳能制氢的研究热点,尽管目前氢产率仅可高达15%左右;光合作用制氢是利用光合菌产生特定的氮化酶和氢化酶,然后利用它们分解水,主要问题是效率低、酶的热稳定性差且寿命短。上述太阳能制氢技术研发旨在充分发挥太阳能廉价、清洁、丰富的突出优点,太阳能也有呈著的缺点即能量密度较低、间歇性和地域性,为此,利用氢能的可存储性与输运特性,开发了太阳能—氢能—用户的能源系统,该系统的显著特点是实现氢的连续性生产,“太阳能—氢能”系统的概念极具研发价值。

4.2 氢能的储运

4.2.1 常规氢能储存

(1)高压压缩储氢。

压力为(12～82.5)MPa,质量分数为1.6%～10%,是目前常用的储氢技术,缺点是能耗高。

(2)液化储氢。

通过高压氢气绝热压缩可实现液化储氢。优点是体积能量密度高,储存容器体积小,缺点是能耗高,理论能耗为4 kW·h/kgH2,由于“热分层问题”导致维护成本高。目前,也是常用储氢技术之一。

(3)金属氢化物储氢。

原理:利用金属和氢反应生成金属氢化物而将氢储存和固定,基于反应可逆性,通过升温和减压释放氢气。该技术的优点是储氢容量大,成本低,缺点是储氢合金易粉化,经多次储放氢循环,储放性能明显降低,此外,还需热交换附属设备。目前储氢质量分数仅为1.5%～3%,研发方向为开发循环稳定性高,吸、放氢速度快的储氢合金,商业化前景明朗。

4.2.2 非金属氢化物储氢

原理:利用某些烯烃、炔烃或芳香烃等储氢剂和氢气的可逆反应实现加氢和脱氢。理想的有机液态氢载体有环已烷(CY)、甲基环已烷(MCH)、苯和甲苯。有机液态氢化物可逆储放氢系统是一个封闭系统,由储氢剂的加氢反应→氢载体的储存、运输→氢载体的脱氢反应过程组成。和传统储氢方法相比,具有储量大,储能密度高,储氢效率高,适于长距离大规模运输,储氢剂可反复使用的优点,主要问题是脱氢效率低,需开发低温、高效、长寿命的脱氢催化剂(详见文献[9]的P.156～P.159)。

4.2.3 活性炭储氢

原理:利用高比表面积活性炭作吸附剂,在中低温(77～273 K)、中高压(1～10 MPa)下吸附储氢。该方法具有成本低、储氢量高、解吸快、循环使用寿命长和易实现规模化的优点,储氢分数与温度和压力有关,达到1.9%～9.8%,等温脱附率可达95.9%,活性碳纤维和纳米碳纤维是有前途的吸附剂。

4.2.4 纳米碳管储氢

受碳纳米管高比表面积结构优势的鼓舞,开发高储氢潜力的碳纳米管储氢技术是有意义的尝试,其储氢原理包括物理吸附和电化学储氢,研究对象有单壁管和多壁管,到目前为止,由于储氢机理尚未得到充分理解,储氢分数的实验值分散在0.4%～14%之间,并且存在实验的可重复性问题。

4.2.5 其它储氢技术

包括高达700 MPa高压储氢、碳凝胶储氢、玻璃微球储氢、氢桨储氢、冰笼储氢、层状化合物储氢、无机物储氢等,这些储氢技术尚处研发阶段。

5 燃料电池

5.1 原理

燃料电池由阴极、阳极、夹在两极之间的电解质隔膜以及集流板4个主要部件构成。以氢-氧燃料电池为例,在阳极发生燃料的电氧化反应,生成H+和电子e。

H2=2H++2e (1)

H+通过电解质流向阴极,在阴板发生氧化剂的电还原反应,生成水:

1/2O2+2H++2e=H2O (2)

电子通过连接阳极和阴极的外电路形成电流,总反应为

H2+1/2O2=H2O (3)

5.2 燃料电池的特点

(1)高效。

燃料电池依电化学原理等温地将化学能转为电能,理论热电效率为85%～90%,目前,各类电池实际的能量转化效率均在40%～60%范围,若实现热电联供,总效率可达80%以上。

(2)环境友好。

以纯氢为燃料的燃料电池,化学产物为纯净水,根本上消除了NOx,SOx,CO2和尘粒的污染。

(3)安静。

燃料电池依电化学原理工作,电池本体无运动部件,这对于民用特别是军用具有重要战略意义。

(4)可靠性高。

碱燃料电池和磷酸燃料电池发电厂的运行经验已证明燃料电池的高度可靠。宜用于应急电源和不间断电源。

5.3 分类

依电解质种类、燃料电池分为5类:碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),固体氢化燃料电池(SOFC),质子交换膜燃料电池(PEMFC)。AFC、PEMFC和PAFC为低温燃料电池;MCFC和SOFC为高温燃料电池。

5.4 问题

对于AFC,需解决电解液劣化,水、热平衡控制问题;

对于PAFC,在廉价催化剂开发、延长系统寿命和降低成本上期待突破;

对于MCFC,希望提高工作压力,提高输出电流密度,延长电池寿命,降低成本;

对于SOFC,希望改善电池结构,开发耐热材料,薄膜化电解质;实现低温运行。

5.5 应用

(1)可移动电源、便携电源、航空电源、应急电源和计算机电源等,容量在几W～1 kW之间。

(2)电动车、船、居民热电联供,容量范围(5～200)kW。

(3)现场热电联供,容量为(0.2～1)MW。

(4)分散式电站(固定电源),容量为(2～20)MW。

(5)大型发电站,容量为(10～300)MW。

通过氢能储运和燃料电池技术的简要讨论,深化氢能将是未来合适替代能源的可行性认识,因为氢能已渗透到现能源利用系统中的所有领域。

上述讨论旨在说明“氢能在未来的能源发展中将成为主导能源”。基于这一推论,有必要介绍几个基于氢能和燃料电池技术的能源系统。

6 燃料电池能源系统

(1)CO2零排放煤制氢发电系统([9]P.79)

美国(LANL)开发了一种CO2零排放能源系统。

技术特点:借助钙基催化剂和水蒸气对煤进行气化。产物CO2通过与MgSO4反应生成稳定的可存储的MgCO3矿物;而产物H2用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料进行发电。日本(CCUJ)发展了类似系统。

(2)中国天津大学发明了“一种基于甲烷裂解和燃料电池的能源系统”[20]。

技术特点:利用流化床进行甲烷催化裂解,产物氢气用于质子膜燃料电池的燃料进行发电,而产物碳用于直接碳燃料电池的燃料进行发电。

(3)中国华北电力大学建议了一种“热解—直接碳燃料电池联合发电系统”[15]。

技术特点:利用流化床热解生物质,产物碳用于直接碳燃料电池燃料进行发电,而以氢气为主要组分的气态产物用于固体氧化物燃料电池发电。

上述三个系统的共同问题:原料适应性差,工艺相对复杂,工业放大面临的困难具有不确定性。

7 氢经济

目前,实现氢经济转化的主要障碍有两个,一个是燃料电池技术的研发,另一个是氢能的基础设施建设。燃料电池虽实现了不同程度的商业化,但离实现规模化的燃料电池生产尚有一段距离,实现重大突破的前提是开发新型材料(催化剂)以降低燃料电池成本和延长燃料电池的寿命,改善电池堆的热、水管理。如果说燃料电池技术的研发是技术问题,那么氢能基础设施建设很大程度上应视为经济问题,据估计,建全氢经济氢能基础设施至少需20 000亿美元,尽管如此,美国、欧盟、日本、韩国和中国等已开始实施了各自氢能计划,由于最有可能率先实现产业化的是燃料电池汽车,因此利用现有技术加快建立供燃料电池汽车用的氢气加注站(中国已有6座)战略意义重大,它能增强制造商和用户的信心,扩大市场占有率,因此实现氢能储存和运输的重大突破意义深远。

8 结论

(1)氢能特点和技术发展决定了它在未来世界能源体系将占主导地位,潜在的竞争来自核聚变。

(2)燃料电池技术将决定氢经济的进程。

(3)基于燃料电池能源系统的研究有重要意义。

(4)有必要开发工艺简单、环境良好、可再生的制氢新技术。

(5)氢经济转化的主要障碍是燃料电池技术研发和氢能基础设施建设。

(6)期待氢储和输运技术的重大突破。

摘要：基于对世界能源需求、氢能的特点和应用的分析,论证了氢能作为替代能源和未来主要能源构成的现实性;通过对氢气制备与储存技术和燃料电池技术进展的简要分析,论证了氢能利用的可行性;介绍了三种燃料电池能源系统;简论了氢经济转化的主要障碍是燃料电池技术发展和氢能基础设施建设。

燃料电池并网控制策略研究 篇9

燃料发电机组是典型的电力电子变换器形式的分布式发电电源,在现有的众多分布式发电技术中,燃料电池[1,2,3]具有能效高、环保、动态特性突出等特点,被称为21世纪的分布式电源。随着现在电力紧缺现况的不断加重,燃料电池并网运行正逐渐变为一个大的趋势。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)[4,5]由于选择氢气和液态甲醇等燃料,被认为是未来电动汽车、固定式电站的核心技术,近年来在笔记本电脑、手机等便携式电源上商业化应用的趋势加强,世界上各大汽车厂商均投入巨资加以研发,已成为国外电力行业重点开发的方向[6]。然而由于燃料电池输出电压波动大,稳定性差,在负载变化较大的场合使用燃料电池时,电能质量得不到保证,输出的电能无法直接应用,因此有必要设计合适的变流器[7];文献[8]设计了推挽正激变换器,提出了双CDD无源无损箝位电路,使系统具有很好的稳定及其动态影响,但是输出的是直流电,不能直接应用。文献[9]提出的燃料电池逆变控制策略能够使输出的电流具有较小的稳态误差,但是不具备对输出功率的控制要求。文献[10]设计了纹波电流控制器,这种控制器能够很好地抑制电流纹波,但控制器的设计非常复杂,不利于实际应用。本文充分考虑PEMFC的输出功率和电能质量,设计燃料电池并网控制器,提出了一种新的并网控制策略,通过Matlab数值仿真,仿真结果表明所提出的控制策略的正确性。

1 燃料电池系统并网控制策略

研究燃料电池的目的是为了让其发电输出电能。燃料电池的输出特性较软,也就是说随着负载不断增加,电流和功率随着增加;同时,燃料电池输出不符合用户电压等级,所以必须对其输出的电能进行变换以满足不同负载的需求。

在燃料电池系统的发电启动过程中,由于电池堆还没有发电,系统的控制用电完全依赖辅助电源供给。辅助电源是对电能进行变换,以获得燃料电池系统的所需各种电压。Boost开关调整器很适合在燃料电池系统中作为初级辅助电源的变换器。为了并入电网,还必须采用逆变器将直流电转换为交流电。

1.1 DC/DC升压变换器

Boost电路如图1所示,由此可以写出其微分方程。

由图1所示的电路,可以写出其状态方程为:

式中:VFC为燃料电池输出电压;Vdc为输出直流电压;RDC为等效负载;D的取值为{0,1}。

变换器的控制策略采用PI控制,即

式中:Kp、Ki分别为比例和积分调节增益;V*dc为给定值。

1.2 逆变器的建模

由图2所示,可得到两相同步旋转坐标系下的数学模型,如式(3)所示。

令vq=vdc sq,vd=vdc sd代入式(3),可得数学模型:

可以看出此系统为强耦合系统,采用前馈解耦控制策略,电流环控制器采用PI控制器,可得控制方程:

式中,qi*、di*分别为qi和di的标准值。

将式(4)代入式(5)中可得:

图3所示为本文所设计的采用内外双闭环控制的燃料电池并网逆变系统,其内环为PI电流控制环,外环采用有功和无功功率反馈控制环。内环采用PI电流控制环是为了前馈解耦控制,由于d、q轴电流变化的交互影响,为了消去两者之间的耦合项,采用这种方法可以提高系统的控制性能。内环控制得出的误差,由外环经过反馈调整内环的给定值,从而使动态误差趋于零。外环给定的是系统输出的有功量和无功量,其值由系统输出的电压电流量确定,这样可以动态跟踪系统输出的功率,达到稳定调节的目的。

逆变器前端接的是Boost变换器,使得燃料电池组输出电压稳定并能够达到输出值;控制器采用PI策略,当燃料电池输出因为负载变化、短路等情况而发生变化时,Boost变换器能稳定前级电压并能抬升电压值,具有较好的动态性能。

2 PEMFC燃料电池系统并网动态仿真

2.1 燃料电池在网络方程中节点处理

如图4所示,两相旋转坐标系转换为两相静止坐标系变换矩阵为:

经过坐标变换后的电流ix、iy即为燃料电池的注入电流。因为燃料电池输出电压和输出功率一定,故在潮流计算时可视为PV节点。

2.2 系统仿真描述

系统仿真模型如图5所示,系统参数详见文献[11]所示。

本文采用的是PEMFC燃料电池,燃料电池输出额定功率为6 k W,输出电压为45~60 V,Boost变换器端L1=0.5 m H,C1=7.5 m F,逆变器端L=2.3m H,R=10 mΩ。

设计燃料电池组发出功率12 MW,输出电压500 V,经过一级变压达到10 k V。

2.3 仿真系统程序设计

文中采用Matlab软件编程实现对上述系统的动态仿真。根据具体的故障情况:三相短路,电压跌落和负荷突变,分别编制子程序进行仿真。具体程序框图如图6所示。

1)三相接地短路的情况

仿真条件:仿真开始接入燃料电池组,5 s时在节点7处发生三相接地短路,5.08 s切除线路5-7,仿真结果如图7、图8所示。

从图7可知,开始接入燃料电池机组对系统影响并不大,燃料电池输出电压曲线开始时有一振荡,但很快恢复平衡状态输出直流电压,短路对其影响不大,其开始的峰值主要由变换器的瞬时状态造成的;Boost变换器输出电压能够达到500 V符合控制要求,满足DC/AC变换器的电压要求,短路对其影响比较大,有明显跌落。短路后,燃料电池并网节点电压波动比较小,输出电压范围符合系统稳定运行的要求。从图8可知,按照文中的控制方式逆变器在输出有功功率的同时,还可以输出一定的无功功率,并能够在短路故障情况下,使得功率曲线迅速恢复稳定,具有很好的跟踪动态功率的能力,保持输出功率稳定;逆变器A相电压曲线在短路期间暂降,输出波形完好并能够保持稳定。

2)电压跌落的情况

仿真条件:仿真开始接入燃料电池组,5 s时在节点10处电压有50%的跌落,5.5 s恢复正常电压,仿真结果如图9、图10所示。

从图9可以看出,在节点10处电压发生50%的跌落时,对发电机的功角影响不是很大,在电压恢复后功角发生了一定的下降,但很快恢复稳定状态;对燃料电池堆输出电压影响不大,对Boost变换器的输出电压影响较大,输出电压曲线下跌。从图10可以看出,对功率的影响比较大,有功和无功功率都在电压跌落时出现跌落,但恢复到稳定状态时间很短,在不到1 s的时间内恢复稳态值。

3)负荷突变的情况

仿真条件:仿真开始接入燃料电池组,设定接在节点5上的负载为轻载(0.4 pu),系统运行在5 s时负载突变为接近满载(0.95 pu),然后在5.5 s时恢复正常负载(0.6 pu)。相应的仿真结果如图11、图12所示。

从图11可知,在0~5 s的时间范围内,节点10上的负荷为轻载,在5 s时负载突变为重载,普通发电机的功角曲线和燃料电池并网节点发生了相应的跳动,功角曲线在恢复正常负载的2 s时间内恢复稳定;而电压曲线由于负荷重载吸收无功功率,出现电压跌落现象,恢复正常负荷后稳定在一个新的电压值;对燃料电池堆输出电压影响不是很大,但对Boost变换器的输出电压影响较大,输出电压曲线下跌。

从图12可知,负荷的突变对逆变器的输出功率影响不大,功率曲线的波动很小,恢复到稳态的时间很短,动态响应能力强;从逆变器输出电压A相电压曲线看,在负荷轻载时,电压稳定运行在一个状态,当负荷突变后电压出现跌落,然后负荷恢复正常时,电压曲线快速恢复在一个新的稳定状态。

依据以上仿真结果,可以看出所设计的燃料电池并网控制策略在三种故障情况下,能够使得燃料电池系统稳定运行,并能动态跟踪系统的功率输出情况,保证了有功功率和无功功率的稳定输出,保证了输出电压的稳定,具有较好的动态响应能力,验证了燃料电池并网系统设计的正确性。

3 结论

本文提出了一种燃料电池系统的并网控制策略,利用内外双闭环控制方法,能够使逆变器输出达到要求,通过Matlab数值仿真结果表明:在系统发生三相短路、电压跌落、负荷突变等情况下,燃料电池能够稳定运行,并能保证系统的有功、无功和电压的稳定,具有较好的动态性能。

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火柴盒大小的燃料电池 篇10

日本研制出一种高输出功率的小型燃料电池样品。这款燃料电池只有火柴盒大小, 是同等输出功率燃料电池中体积最小的。新款燃料电池的大小为18立方厘米, 输出功率达到以往同类产品的7倍。与输出功率相当的锂离子电池相比, 新款燃料电池的体积缩小了约20%, 重量降低了约60%, 有望安装在手机等小型设备内部。这款燃料电池将产生电能的元件排列成“井”字形, 使元件更充分地和空气接触, 其电能输出功率因而得以提高。