燃料电池介绍
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转化成电能的化学设备，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技能。因为燃料电池是经过电化学反响把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转化成电能，不受卡诺循环效应的约束，因而功率高; 别的，燃料电池用燃料和氧气作为一同没有机械传动部件，故没有噪质料，排放出的有害气体很少;声污染。由此可见，从节约动力和维护生态环境的视点来看，燃料电池是最有展开前途的发电技能。
燃料电池的长处
燃料电池作为第四种发电方法的设备，与其他几种发电方法比较起来有以下几个首要长处：
（1）燃料电池是经过燃料与氧化剂的化学反响直接将化学能转变成电能，没有中心的能量转化环节，因而这种发电方法能量转化功率可高达50％。还可收回发电进程中发作的余热。若把发作的余热再用于发电或供暖、供水等，归纳考虑功率能到达80％。
（2）燃料电池发电进程，机械部件很少，噪声低；化学反响的排出物首要是水蒸气等洁净的气体，不会污染环境。在环境污染日趋严重的今日，燃料电池的这个长处特别可贵。
（3）燃料电池中所运用的燃料，既但是天然气、煤气和液化燃料，也可所以甲醇、沼气乃至木柴。可根据不同区域的具体情况，选用不同的燃料用于燃料电池的发电体系，这可广开燃料来历途径，缓解动力严重。
（4）燃料电池从中止运转到再发动，输电才能上升速度快，并可在短时刻内添加和削减电力输出。因而将这种发电体系与其他输电网衔接运用最为有利，可随时弥补电网在用电顶峰时所需的部分电能。
（5）燃料电池本身为一个“组合体”，所用部件可事先在工厂出产，然后拼装；它的体积小，拆装都很便当，这可节约建电站的时刻。
燃料电池的作业原理
人们常用的一般电池有碱性干电池、铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池等。燃料电池和一般电池比较，既有相似，又有很大的差异。它们有着相似的发电原理，在结构上都具有电解质，电极和正负极衔接端子。二者的不同之处在于，燃料电池不是一个储存电能的设备，实践上是一种发电设备，它所需的化学燃料也不储存于电池内部，而是从外部供给。在燃料电池中，反响物燃料及氧化剂能够源源不断地供给电极，只要使电极在电解质中处于分隔状况，那么反响产品可一同接连不断地从电池排出，一同相应接连不断地输出电能和热能，这便当了燃料的弥补，然后电池能够长时刻乃至不间断地作业。人们之所以称它为燃料电池，仅仅因为在结构形式上与电池有某种相似：外特性像电池，随负荷的添加，它的输出电压下降。
燃料电池实践上是一个化学反响器，它把燃料同氧化剂反响的化学能直接转化为电能。它没有传统发电设备上的原动机驱动发电设备，也没有直接的焚烧进程。燃料和氧化剂从外部不断输入，它就能不断地输出电能。它的反响物一般是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。燃料电池的作业不只靠电池本身，还需要燃料和氧化剂供给及反响产品排放等子体系与电池堆一同构成完好的燃料电池体系。燃料电池能够运用多种燃料，包含氢气、碳、一氧化碳以及比较轻的碳氢化合物，氧化剂一般运用纯氧或空气。它的根本原理相当于电解反响的逆向反响，即水的组成反响。燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上凭借催化剂的效果，电离成离子，因为离子能够经过二电极中心的电解质在电极间搬迁，在阴电极、阳电极间构成电压。当电极同外部负载构成回路时，就可向外供电（发电）。图1是燃料电池的作业原理图。
燃料电池展开进程
1、139年，英国科学家Grove 首要介绍了燃料电池的原理性实。
2、1889年，L.Mond 和C.Langer 以铂黑为电催化剂，以钻孔的铂为电流收集器拼装出燃料电池，当作业电流密度为3.5 mA /cm-2时电池的输出电压为0.73V.O这个研讨现已很挨近现代的燃料电池了。
3、20 世纪60 时代，燃料电池初次运用在美国航空航天管理局（NASA）的阿波罗登月飞船上作为辅佐电源，为人类登月球做出了活跃奉献。
4、1959培根制作出能够作业的燃料电池，也便是一部燃料电池的5kW 的焊接机。同年，\Allis-Chalmers 公司也推出了第部以燃料电池为动力的农用拖拉机。
5、1973研讨要点从航天转向地上发电设备，磷酸燃料电池（ PAFC ）、熔融碳酸盐电池（ MCFC） 以及直接选用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料的固体氧化物燃料电池（SOFC） 作为电站或涣散式电站相继问世。
1973 年发作石油危机后，国际各国遍及认识到动力的重要性人们研讨了以净化重整气为燃料的磷酸型燃料电池（PAFC，称为第一代燃料电池）以净化煤气、天然气为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，称为第二代燃料电池）还有固体氧化物电解质燃料电池（SOFC，称为第三代燃料电池）。
1993 年，加拿大Ballard 电力公司展现了一辆零排放、最高时速为72km/ h、以质子交流膜燃料电池（PEMFC） 为动力的公交车［2］，引发了全球性燃料电池电动车的研讨开发热潮。
6、现在在PEMFC 向商业化跨进的进程中，氢源问题反常杰出，氢供给设备建造出资巨大，氢的储存与运送技能以及氢的制备技能等还远落后于PEMFC 本身的展开，20 世纪末，以醇类直接为燃料的燃料电池成为了研讨与开发的热门，遭到了国际各国的广泛注重，并取得了长足的展开。
燃料电池的研讨现状
1、AFC
在已开发的燃料电池中碱性燃料电池是最早取得实践运用的。美国的阿波罗登月飞船和航天飞机等轨迹飞翔器都选用这类燃料电池作为搭载电源，实践飞翔结果标明电池体系具有很高的可靠性。20世纪80时代中期往后，跟着一些新资料的运用及工艺的不断改善，碱性氢氧燃料电池的功能得到完善，比方作业温度、作业压力、电流密度进步，比质量（单位功率的质量）明显减小等。
碱性氢氧燃料电池除成功运用于空间技能外，也进行了其他用处的开发。美国UTC公司曾试制过60kW、80kW的深水探查船用电源及30kW深海潜水救助艇用的电源，德国西门子公司曾试制过100kW的潜水艇动力电源，但都在样机试用往后停止开发，未投入正式运用。比利时Elenco公司及美国UCC公司也都进行过将碱性氢空气燃料电池用于电动车动力电源的开发，日本的富士电机公司曾在月光方案赞助下开发过kW级的应急用碱性燃料电池。现在，此类燃料电池技能的展开已十分老练并现已在航天飞翔及潜艇中成功运用。国内已研制出200W氨一空气的碱性燃料电池体系，制成了1kW，10kW，20kW的碱性燃料电池。
碱性燃料电池在地上运用的最大缺陷是对燃料纯度要求太高并且不能运用含C、CO2及CO的燃料气，运用空气也有必要脱除空气中的CO2，然后约束了这类电池在地上上的运用。
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2、PAFC
该型电池技能老练，现在这类电池在城市发电，供气及其他工业项目上广为试用。如在宾馆、医院、办公楼、工厂等当地用PAFC来进行辅佐供电、供热。还有一种选用生物气体的PAFC体系已被开宣布来，而在抛弃物质的处理方面，含有甲烷的沼气或其他有机气体现已被使用。大规模使用生物沼气的PAFC可望在将来运用于废物收回范畴，处理一大社会难题。
美国是最早展开PAFC电站技能的国家，而日本是PAFC电站技能展开最快的国家，PAFC在日本已进入产业化阶段。日本是开发燃料电池活跃而热心的国家，近年来效果尤为明显，特别是在PAFC商业化方面已与美国齐头并进。现在，日本的制作商在电力公司，煤气公司的通力合作之下，现已能够出产50kW，100kW，200kW，1000kW，5000kW，11MW等各种规格的PAFC电站。英国、德国、荷兰、比利时、意大利、丹麦、瑞典、芬兰等9个国家22家公司于1989年9月11日树立的欧洲燃料电源集团（EFCG）也与美国和日本的公司在这一范畴打开竞赛。事实上，到现在为止，美日两国的公司现已出售了数以百计的磷酸型燃料电池，正在实验的则为数更多，能够说，PAFC的根底研讨作业现已完毕。商品化阶段现已开端，正在向工业化跨进。
3、PEMFC
质子交流膜燃料电池以氟磺酸型或非氟磺酸型质子交流膜为固体电解质，能量转化功率高，无污染，可在室温下快速发动，特别合适用做动力电源。美国通用电器公司在20世纪60时代就将PEMFC电池用于双子星座航天飞机。
它又是电动车的最佳驱动电源，遭到美国、德国、加拿大和日本等发达国家政府及国际汽车业巨子如德国奔跑公司和美国通用汽车公司等企业的支撑，展开势头十分微弱。1993年，加拿大Ballard公司研制出国际上第一辆燃料电池公共汽车。1999年，美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司别离研制出质子交流膜燃料电池电动汽车。汽车工业的介入是推进PEMFC快速展开的最首要的动力。
总部坐落加拿大温哥华的Balard Power System公司被公认为是国际开发、出产和营销零排放质子交流膜（PEM）燃料电池的领先者。国内从事PEMFC研讨的单位首要有中科院大连物理化学研讨所，北京世纪富源公司，北京绿能公司，上海神力公司等。现在，我国已具有研制50kW以上，可用于电动汽车的燃料电池动力模块的才能。
PEMFC的研讨涉及到电化学、机械规划、物理学、计算机模仿等各个方面。现在限制PEMFC展开的问题有许多，首要是处理催化剂的中毒问题和进步其活性，确保电解质膜的成型才能及机械强度以及密封的问题。现在国内有许多单位都在对催化剂做很多的研讨作业并取得了明显效果。如华南理工大学的廖世军选用Si-Mo酸共堆积制备催化剂，所得催化剂比E-TEK公司的催化活性要高，用他们自己制备的催化剂拼装的DMFC的电压为0.38V，电流大约在几十个mA.北京有色金属研讨总院的张向军等选用浸演复原法，进行浸演—复原—枯燥的过程，改变了C的外表官能团然后得到了高担载量高涣散性的PVC催化剂，有用削减了催化剂用量，优化了催化剂层的结构，降低了催化剂的制备本钱。北京交通大学的朱红等选用原位复原法制得了PVC催化剂。
4、MCFC
美国是从事熔融碳酸盐燃料电池最早和技能高度展开的国家之一，美国对熔融碳酸盐电池的开发要点在大容量的MW级机组的开发，从事熔融碳酸盐燃料电池研讨和开发的首要单位为煤气技能研讨所（IGT），该所已于1987年组建了M—C动力公司和能量研讨所（ERC），这两个单位现在均具有熔融碳酸盐燃料电池电站的出产才能。日本从1981年开端研讨展开熔融碳酸盐燃料电池技能，在完结1kW，10kW，30kW和100kW熔融碳酸盐燃料电池体系的实验后，于1988年由23家公司树立了熔融碳酸盐燃料电池研讨协会，意图是展开1000kW的熔融碳酸盐燃料电池涣散电站。1993年，大连化物所由所长基金赞助10万元展开了MCFC研讨，1994年中科院将MCFC列为院要点项目，出资50万元加以支撑，现在大连化物所已完结LiAlO2隔阂资料的制备，小电池规划及点评设备的树立。单电池功能已到达日本20世纪80时代中期水平、正准备展开百W级MCFC设备的研制。
研讨标明，本钱和寿数是影响MCFC的首要妨碍，阴极溶解、阳极蠕变、高温腐蚀和电解质丢失是首要影响要素。因而，研制新的电极资料，改善密封技能将是往后一段时期的研讨要害。
5、SOFC
美国对SOFC的研讨处于国际领先地位，2001年8月更又出资5亿美元进行SOFC的研制开发。现在美国国内进行该项意图单位首要有西屋动力公司，霍尼韦尔公司，Delphi主动体系公司等几家。作为日本“月光方案”的一部分，日本国内的三菱重工业公司在这一方面展开迅速，方案2010年将SOFC推入实用化水平。国内SOFC的首要研制单位有大连化物所，中科院上海硅酸盐研讨所，吉林大学，我国科技大学，中科院北京化冶所等单位。现在我国已具有了研制数kW级SOFC发电体系的才能。
SOFC在高温下作业也给其带来一系列资料、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分散以及热膨胀系数不同的资料之间的匹配和双极板资料的稳定性等，这些也在必定程度上限制着SOFC的展开，成为其技能打破的要害方面。
总的来说，美国、日本、加拿大以及一些欧洲国家介入燃料电池的研制较多，特别是美国和日本是研讨投入较多的国家，开发运用也处于国际前列。对燃料电池的研讨，我国也投入了相当大的人力物力。在燃料电池的根本理论研讨方面，咱们与国际先进国家的距离不太大，但在结构优化、资料运用，要害部件的规划与出产方面有必定距离。
1997年，国家科委批准将“燃料电池技能”列为国家“九五”方案中严重科技攻关项目之一。1999年国家电力总公司树立了燃料电池课题组，并于1999年3月召开了我国燃料电池电站技能道路研讨会。在国家自然科学基金会、“863”方案和国家科委等的支撑下，国内参加燃料电池研讨的单位首要会集在中科院体系和大学。中科院上海硅酸盐研讨所、上海冶金研讨所、长春运用化学研讨所和大连化学物理研讨所，清华大学、上海交通大学、北京科技大学和华南理工大学等从事了MCFC、SOFC和PEMFC燃料电池的根底性研讨。中科院大连化学物理研讨所对质子交流膜燃料电池进行了翔实的研讨，并开宣布多种功率等级的PEMFC。近年来，跟着研讨机构和经费投入的不断添加，我国对燃料电池催化剂的研讨取得了可喜的效果，从事质子交流膜燃料电池原资料及半成品制作的公司开端呈现，信任我国的燃料电池研讨将呈现一个簇新的局势。
