燃料电池探秘（精选四篇）
燃料电池探秘 篇1
传统干电池、蓄电池是一种储能装置, 是把电能贮存起来, 需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置, 像发电厂一样, 是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外, 氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成, 这是氢燃料电池的一项关键技术, 它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面, 还要对电池的化学反应起催化作用。氢燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点, 作为一项新型能源———氢燃料电池在电动车上具有很好的易用性和实用性。
燃料电池是一种化学电池, 但是, 它工作时需要连续地向其供给活物质———燃料和氧化剂, 这又和其它普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释放出的能量转变为电能输出, 所以才被称为燃料电池。具体来说, 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能, 通过催化剂的作用, 使氢与氧发生化学反应, 等温、高效、无污染地转化为电能的发电装置, 其反应过程不涉及到燃烧, 能量转化率可高达80%, 实际使用效率是普通内燃机的2倍以上。其燃料除氢气、石油外, 还可使用天然气、甲醇、煤以及其它非石油基燃料, 由于汽油中含有大量氢, 世界各公司正在寻找合适的催化剂, 以将汽油中的氢分解出来, 供燃料电池使用。
燃料电池直接进行能量转换, 最高工作温度约80℃, 不像传统内燃机发动机之高温燃烧现象;能量应用高效率, 低污染排放, 具备使用替代燃料可能性除纯氢气外, 甲醇、汽油等液体燃料亦可经由重组为富氢气使用;低负载状态下较传统内燃机发动机拥有较佳效率;以燃料电池取代传统内燃机发动机的车辆, 省能源可达50%以上, CO2排放降低75%以上, 大量减少有毒物质排放;燃料电池电动车补充燃料容易, 可迅速获得动力, 相较于传统电动车充电时间长的缺点, 具机动性。
根据传统的习惯, 把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”, 仍然称为燃料“电池”, 但其与一般的化学电池是完全不同的工作原理。
燃料电池的能量转换方式是燃料的化学能直接转换为电能, 它能够使用多种燃料, 可以是石油燃料也可以是有机燃料, 并可使用包括再生燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。
应该说质子交换膜燃料电池最有条件满足这些要求, 其工作温度较低, 它们能很快地达到所需的温度。研究表明, 以甲醇为燃料的燃料电池, 其燃料利用率是用汽油内燃机提供动力的车辆的1.76倍。在现有的燃料电池中, 质子交换膜燃料电池的电力密度最大。
现在, 大多数车辆生产商视质子交换膜燃料电池为内燃机的后继者, 在这一进程中, 运用不同车辆和在不同地区的试验进展顺利, 用质子交换膜燃料电池为公共汽车提供动力的试验已在温哥华和芝加哥取得成功。德国的城市也进行了类似的试验, 十个欧洲城市也在公共汽车上进行试验, 伦敦和加利福尼亚也将计划在小型车辆上进行试验。燃料电池轿车在造价上与普通轿车相比约高10%～15%, 已具有一定的经济发展价值。在生产商能够有效地, 大规模地生产质子交换膜燃料电池之前, 需要解决的主要问题包括生产成本, 燃料质量, 以及电池的体积。
现在氢发动机主要的两种形式是氢氧燃料电池和氢内燃机。这两种形式的发动机在技术上已经取得了相当喜人的进步, 几乎已经进入了最后的冲刺阶段。其中燃料电池汽车未来有更好的前景, 而氢内燃机是现阶段一种很好的过渡产品。
氢燃料电池电动车排出的仅仅是水, 而不是二氧化碳、氮氧化合物等有害气体, 从根本上解决了制约汽车工业发展的能源和环境问题, 氢燃料电池技术有以下好处:一是节能、转换效率高;二是灵活性大, 适应性强, 燃料多样化;三是排放达到零污染;四是有利于我国汽车产业的发展, 通过发展燃料电池电动车技术, 缩短与发达国家汽车产业的差距;五是产出物不需进行净化处理和消声处理, 整个燃料电池系统容易实现自动化系统管理;六是车辆性能接近内燃机汽车, 结构简单和运行平稳。在车辆上可以根据车辆的轴荷分配、车辆有效空间的利用等具体情况, 灵活、机动地进行总布置。因此开发燃料电池汽车, 在能源环保形式日益严峻的情况下备受瞩目。
2. 开发氢能汽车亟待解决的问题和对策
时下, 发展燃料电池汽车成为汽车领域一个重要的课题。因为氢氧燃料电池的优势相当明显。首先, 氢氧燃料电池的燃料来源非常广泛, 在地球上的储备也非常丰富, 氢元素是地球上储量最多的元素之一。其次, 燃料电池的排放很低。只有氢气 (H2) 与氧气 (O2) 在特殊的环境下发生的电化学反应, 这样反应的产物就是水, 没有如一氧化碳 (CO) 等有害产物;没有直接的明火燃烧, 就没有氮气 (N2) 与氧气 (O2) 反应产生的氮氧化物 (NOx) ;因为氢气不是化石燃料, 所以也没有硫化物等对环境有害的物质。氢气释放化学能的过程是所谓的“冷燃烧”, 化学反应以后直接得到电能来驱动汽车或者被车载电器使用。这样也就没有活塞、连杆等机构, 大大地减小了发动机运行时产生的机械振动。虽然燃料电池汽车在理论上具有比内燃机车辆优越的经济性、动力性和排放性, 但在替代内燃机车辆的过程中还有以下很多有待解决的技术难题。
质子交换膜的价格不菲, 冷燃烧的发生环境是非常“昂贵”的。目前质子交换膜燃料电池是最有发展前途的燃料电池之一, 但质子交换膜燃料电池需要用重金属铂作为催化剂。目前, 电动汽车的燃料电池价值约3万美元以上, 约是普通内燃机的10倍。虽然说大批量生产这种特殊材料成本会有所降低, 但是价格上的缺点还是可能使燃料电池汽车比同级别的化石燃料汽车要贵1倍以上。催化剂铂 (Pt) 价格十分昂贵。其价格大约是黄金的2倍。设备开支问题对燃料电池汽车的实用化也十分重要, 燃料电池汽车用来保护复杂的电池反应堆的装置和相关的费用都有待于进一步降低。因此, 如何降低成本是燃料电池汽车实用化的关键。
Fcev (燃料电池汽车) 的动力总成与普通内燃机汽车的动力总成完全不一致。那么如果要广泛地推行燃料电池汽车, 现有的活塞式发动机的汽车就要完全淘汰, 这次“革命”的代价是相当沉重的。
燃料种类单一, 比功率还要进一步提高。目前, 不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢, 还有用碳水化合物经过重整后转换的氢, 是燃料电池的惟一的燃料。氢气的产生, 储存、保管、运输和灌装或重整, 都比较复杂, 对安全性要求很高。内燃机的比功率约为300W/kg, 以氢为燃料的燃料电池比功率约300W/kg～350W/kg、功率密度为280W/l。为满足Fcev动力性能的要求, 需要进一步提高燃料电池发动机的比功率。
需要配备辅助电池系统。燃料电池可以持续发电, 但不能充电和回收Fcev再生制动的反馈能量。通常在Fcev上还要增加辅助电池, 来储存燃料电池富裕的电能和在Fcev减速时接受再生制动时的能量。
要求高质量的密封。燃料电池的单体电池所能产生的电压约为1V, 不同种类的燃料电池的单体电池所能产生的电压略有不同。通常将多个单体电池按使用电压和电流的要求, 组合成为燃料电池发动机组。组合时, 单体电池间的电极连接, 必须要有严格的密封, 密封不良的燃料电池会使氢气泄漏到燃料电池的外面, 降低氢的利用率, 严重影响燃料电池发动机的效率, 还会引起氢气燃烧事故。由于要求严格的密封, 使得燃料电池发动机的制造工艺很复杂、并给使用和维护带来很多困难。
汽油裂化困难。汽油裂化反应需要在850℃～1000℃温度下进行, 并且当燃油裂化结束时, 冷却也十分困难。此外, 在汽油裂化过程中将产生CO2和其它可导致温室效应的气体。另一个难以解决的问题是防止燃料电池在催化剂作用下发生疏化反应。
防结冰问题。结冰性是燃料电池的致命弱点。燃料电池在工作过程中, 不可避免地产生水, 在低温的情况下, 水结成冰会破坏聚合隔膜。更大的问题是电池反应堆在低于0℃时是不会产生电流, 如何使在-20℃～-40℃温度下已经冻透的反应堆很快地正常工作, 将是一个难点。
燃料电池还有一个非技术性的缺点也是最不好解决的。采用燃料电池的汽车加速性能比起普通活塞式发动机还有很大差距。虽然燃料电池可在1s之内迅速提供满负荷动力, 但是其只能在几秒钟内承受短时过负荷。这样一来燃料电池的汽车的加速性能就比普通汽车有明显降低。
氢内燃机不需要任何昂贵的特殊环境或者催化剂就能完成做功, 这样就不会存在造价过高的问题。现在很多已经研发成功的氢内燃机都是混合动力的, 也就是既可以使用液氢, 也可以使用汽油等作为燃料。这样氢内燃机就成了一种很好的过渡产品。例如, 在一次补充燃料后不能到达目的地, 但能找到加氢站的情况下就使用氢作为燃料;或者先使用液氢, 然后找到普通加油站加汽油。这样就不会出现加氢站还不普及的时候人们不敢放心使用氢动力汽车的情况。
氢内燃机的基本原理与汽油或者柴油内燃机原理一样, 所以不会出现汽车的加速性能下降的情况。氢内燃机由于其点火能量小, 易实现稀薄燃烧, 故可在更宽广的工况内得到较好的燃油经济性。与氢氧燃料电池相比氢内燃机也有一些劣势, 例如:氢内燃机是氢气与空气混合点燃, 这样就会产生氮氧化物 (NOx) , 这在氢氧燃料电池的反应产物中是没有的。
氢是惟一不含碳的燃料, 燃烧后生成水 (H2O) , 不排放一氧化碳 (CO) 、氢化物 (HC) 及硫化物, 没有二氧化碳 (CO2) 。在氢一空气混合气中, 氧原子浓度大且氢燃烧时循环温度比较高, 燃烧产物中无CO和HC。当前以氢作为燃料的车用动力总成主要有两种形式:一是以燃料电池的形式, 就是让氢气和氧气在特殊的催化剂的作用下发生电化学反应;二是传统的活塞式内燃机, 只不过以液态氢气替代了汽油、煤油等燃料。目前, 以上两种以氢气作为燃料的发动机的研究工作都在进行。两种方式都具有自己的优势, 同时两种方式都存在有待解决的问题。
燃料电池的发展还有一个基本难题就是:氢氧燃料电池以及氢内燃机都共同存在贮运难题。氢的沸点为-253℃, 常温下是气态, 所以贮运性能差。氢气的贮存主要有三种方法:一是直接利用, 但车辆要携带一个充满高可燃性气体的高压容器, 所需空间很大;二是以液态形式贮存, 那样又需要很复杂的制冷设备和更安全的压缩技术;三是使氢气与金属镁和钒反应形成储氢金属, 但是此时氢气分离温度高, 且其比能量较低。目前的贮存方式有物理方式和化学方式两种。
物理方式有两种:一是液态氢法, 此法的能量密度最大, 液态氢气 (H2) 可在汽化后供给发动机, 保持液态氢容器处于-253℃以下是一项难度极大的绝热保温技术, 将氢气 (H2) 吸出来则又需很高的低温工程技术;二是以高压方式 (2000～3000kPa) 储存于金属容器中, 即高压气瓶法, 此法的能量密度小, 贮氢量少。
化学方式即贮氢合金法的安全性好, 但贮运能力较小, 100kg合金的贮氢能力不到2kg。其次是制取困难, 理论上可从水、煤、天然气等原料中制取氢。但制取氢的成本及消耗的能量很高, 还不能大量生产作为内燃机的燃料。此外, 因为氢的理论体积混合气热值比汽油小, 在其它条件相同时, 升功率下降约10%。
目前, 也有使用甲醇作为燃料的, 通过甲醇和水混合、蒸发, 经过车载重整器转化为氢气和二氢化碳气体。甲醇虽然贮存安全, 但甲醇重整对纯净度和转化温度有很高的要求, 且甲醇有一定的毒性, 会对人体造成危害。由此可见, 必须解决贮存运输困难和生产成本高的问题才能使氢燃料走向实用。从长远的角度来看, 氢的两种发动机中还是燃料电池的要更加有前景一些。但是由于氢内燃机自身的特性, 其克服了很多氢氧燃料电池的一些缺点和暂时无法解决的问题。氢内燃机作为一种过渡产品在最近几十年内是一个相当可行的方案。
3. 燃料电池的发展方向
燃料电池是当前所开发的电池中最有发展前途的“高能电池”, 它的高燃烧效率、无有害气体排放和无废料丢弃, 以及无工作噪声等特点, 是其它化学电池所不能达到的。我国和世界各国都十分重视燃料电池的研究和开发, 中国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心, 研究和制造了多种不同类型和不同规格的燃料电池, 开发了具有我国特色的碳铂电催化剂、电极、电极-膜-电极三合一组件, 电池双极板等关键装置, 具有国际领先水平。对发展我国航天工业、人造卫星、国防工业和电动汽车等方面, 起着重要的推进作用。
目前世界各国在燃料电池的研究与开发方面侧重于:深入研究聚合物电解质中的燃烧介质的传导和扩散机理, 开发新的、化学结构相对比较简单、有良好使用寿命的薄膜。并研究、开发可以在200℃条件下传导质子聚合物, 以减少CO对电极催化剂的毒害, 延长电极催化剂的使用寿命, 并增加废热的利用。研究电极反应和中间反应的机理, 开发耐杂质和CO的高性能、低造价的电极催化剂。从微观和分子结构角度研究电极材料的特性, 结构和性能之间的关系, 开发新型电极材料。对燃料电池的各种附属装置, 包括重整器、压缩机、泵、热交换器、CO分离、净化装置等, 提高其工作性能, 减轻质量和减小体积等, 使整个系统能够适应燃料电池电动汽车整车总布置的需要。研究和开发新型纳米储氢材料。
电动车所采用的燃料电池在功率密度, 系统可靠性以及寿命等方面取得了突破性进展。且绝大部分关键原材料 (燃料电池所用的膜, 催化剂和双极板) 都实现了国产化, 对于核心技术拥有完全的自主知识产权。该系列从关键原材料国产化、燃料电池技术、燃料电池商业化应用等多个方面集中体现了中国燃料电池技术取得的进展和突破。
氢燃料电池及电动汽车的系列开发, 对于我国能源战略、环境保护, 对于拉动全国总体经济发展意义深远。全氟离子膜具有巨大的现实和未来市场, 如果各方面条件具备, 我国将走在这个巨大的新兴产业前列。据悉, 氢燃料电池的核心材料是全氟离子交换膜, 占有燃料电池一半成本。这项技术的成功, 将给我国氢燃料电池和电动车行业带来一次产品结构调整的契机。由于过去用于生产氢燃料电池的材料一直被国外垄断, 因此成本高, 涉及产品的价格非常贵。现在, 生产氢燃料电池的技术已经非常成熟, 性能大幅度提高, 是最有可能被大面积推广的传统燃料替代品。
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：
“嫦娥一号”燃料探秘 篇3
为什么“嫦娥一号”的寿命是一年呢?这是由它自身携带的燃料多少决定的。一颗卫星在飞行过程中受外力影响，会逐渐偏离轨道，这时就需要借助发动机调整姿态，而燃料的多少直接决定着调整姿态的次数。因此，从某种程度上说，卫星寿命与携带燃料的多少及质量密切相关。为了保持“嫦娥”奔月有足够的动力，在总重为2350千克的卫星中，有约1200千克是携带的燃料。
星箭燃料由常规氧化剂和常规燃烧剂组成，其中氧化剂一般为绿色四氧化二氮和四氧化二氮，它们都是有毒、强腐蚀性的。空气中四氧化二氮浓度超过万分之一，就开始刺激人的气管、肺部，遇水后四氧化二氮还会生成硝酸。在国际上，卫星使用的常规氧化剂——绿色四氧化二氮的含水量标准是不同的。在一些发达国家，标准为小于或等于0.15％。但在我国，这一标准却是小于或等于0.05％，含水量标准提高了3倍。“嫦娥一号”使用的绿色四氧化二氮，水分含量不仅达标，而且远远低于0.05％。
星箭燃料中的燃烧剂由无水阱、偏二甲阱、甲基阱组成，都是剧毒化学品，以火箭用量最多、毒性相对较弱的偏二甲阱来说，已达到三级中等毒性，仅次于最高的四级。偏二甲阱还有易燃、易爆、沸点低、易挥发的特性，空气中的浓度超过0.5ppm(百万分之一)，就会对人体的皮肤和呼吸系统产生伤害。
据了解，最早的火箭推进剂是黑火药，源于中国。宋代冯义升发明了作为武器的固体火药火箭。成吉思汗西征，火箭传入西方。直到1900年以后，液体火箭才正式开始研究。俄国的齐奥尔可夫斯基和德司的H·阿伯尔提等创立了火箭理论。二战后，各国对液体推进剂先后展开研究，直接推动了洲际导弹、人造卫星和宇宙飛船的快速发展。目前，液体推进剂有液氢、液氧、偏二甲肼、四氧化二氮等十几种。
燃料电池探秘 篇4
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。