燃料电池现状与未来.doc
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1、燃料电池现状与未来摘要:简述了国外燃料电池发展状态,近年来取得的重要进展;尤其是在提高质子交换膜型燃料电池的性能、电池组与电池系统的比功率比能量方面的技术突破,这种电池作为电动汽车动力源和潜艇AIP推进动力源应用前景和必须解决的主要技术、经济问题。熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池作为区域性分散电站的可能性和必须解决的技术问题。简述了国内在燃料电池研究中取得的主要成果和目前发展状态。简介了国内千瓦级碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池主要性能,并对国内燃料电池发展提出了参考意见。燃料电池(FC)是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效(50%70%)、环境友好地转化为电能的发电装置。FC的工
2、作方式与常规的化学电源不同,而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内,而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时,要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂,排出反应产物,同时也要排除一定的废热,以维持电池工作温度的恒定。FC本身只决定输出功率的大小,而储能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。至今已开发了多种类型的FC,按电解质分类见表1。1国内外发展状态1.1碱性氢氧燃料电池(AFC)AFC技术高度发展,并已在航天飞行中获得成功应用。当AFC用于载人航天飞行时,电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用;其供氧分系统还可与生保系统互为备份。美国已成功地将Bacon型AFC用于Ap
3、ollo登月飞行;石棉模型AFC用于航天飞机,作为机上主电源。德国Siemens公司开发了100kWAFC并在u1艇上实验,将其作为不依赖空气(AIP)动力源并获成功。中科院长春应化所在60年代末就进行了AFC研究。在我国,70年代曾出现过研制FC高潮。中科院大连化学物理研究所研制成功两种石棉膜型、静态排水的AFC。A型以纯氢、纯氧为燃料和氧化剂,带有水回收与净化分系统;B型以N2H4分解气(H2含量65%)为燃料,空分氧为氧化剂。这两种AFC电池系统均通过了例行的航天环膜实验。天津电源所进行了Bacon型和石棉膜型动态排水AFC研究,成功研制了动态排水石棉膜型AFC电池系统。国内外几种航天用
4、FC见表2。中科院大连化物所在70年代组装了10kW、20kW以NH3分解气为燃料的电池组,并进行了性能测试。80年代研制成功kW级水下用AFC,其主要特征见表3。武汉大学在70年代试制了以NH3分解气为燃料的300WAFC电池系统,并进行了实验。厦门大学进行了多孔气体扩散电极模型研究。美国一直在进行航天用AFC改进。同时还在开发再生氢氧燃料电池(RFC),拟作为高效储能电池用于空间站和太空开发,代替化学电源。中科院大连化物所在90年代初开始进行跟踪与探索研究。1.2磷酸型燃料电池(PAFC)PAFC是高度发展的民用技术。它用天然气重整气体为燃料,空气作氧化剂,以浸有浓H3PO4的SiO2微孔
5、膜作电解质,Pt/C为电催化剂,产生的直流电经直交变换以交流形式供给用户。50kW200kWPAFC可供现场应用,1000kW以上PAFC可作为区域性电站应用。日本东京4500kWPAFC电厂的成功运行,不但推进了民用FC发展,而且加速了PAFC实用化。据报道,目前有91台200kWPC25正在北美、日本与欧洲运行,最长的已运行37000h。实际应用证明PAFC是高度可靠的电源,可作为医院、计算机站的不间断电源。由于PAFC热电效率仅有40%左右,余热仅200,利用价值低;又因它启动时间长,不适于作移动动力源。近年国际上研究工作减少,寄希望于批量生产降低售价。国内魏子栋等人进行Pt3(FeCo
6、)/C氧还原电催化剂研究,并提出了Fe、Co对Pt的锚定效应。1.3质子交换膜型燃料电池(PEMFC)60年代,美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行。但由于昂贵的结构材料和高的Pt黑用量阻滞了它的发展。直到1983年加拿大国防部又资助Ballard公司发展PEMFC,至今已取得了突破性进展,电池组的功率已达1000W/L,700W/kg,超过了DOE和PNGV(Partnership for a New Gen-eration Vehicle)制定的电汽车指标,引起了世界各发达国家和各大公司高度重视,并投巨资发展这一技术。美国三大汽车公司(GM,Ford,Chrysler)均在DOE资
7、助下发展PEMFC电汽车,德国的Daimler-Benz和日本的Toyto motor等也在发展PEM电汽车。加拿大Ballard研制的5kW(MK5),10kW(MK513)电池组性能见表4。Ballard公司Daimler-Benz公司用Ballard公司MK5作动力源,组装零排放电汽车性能见表5。Ballard公司还用第二代PEMFCMK513组装200kW(275hp)电汽车发动机,以高压氢为燃料,装备了样车,其最高时速和爬坡能力均与柴油发动机一样,而加速性能还优于柴油发动机。中科院大连化物所从1995年开始利用AFC技术积累,全面开展了PEMFC研究。先后进行了3nm20nmPt电催
8、化剂,Pt/C电催化剂、碳纸、碳布扩散层,电极的制备技术研究;膜电极三合一制备条件的优化,并建立模型研究了电极内气体分布,膜电极三合一内水分布与传递,设计了金属双极板,解决了电池组内增湿、密封、组装等技术问题。至今采用Dupont公司Nafion117膜,组装140cm2单电池,当工作电流密度为500mA/cm2600mA/cm2时,工作电压为0.70V0.65V,输出比功率0.35W/cm2。并组装4对100W200W,8对200W300W,35对1000W1500W的电池组,经过几十次启动停工循环,近千小时运行,其性能稳定。35对1000W1500WPEMFC电池组特征见表6。电子部天津电
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