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摘 要本文从燃料电池的历史、基本工作原理、燃料电池的特点、燃料电池的应用四个方面介绍了燃料电池,基于现在全球资源短缺和环境污染的现状,我们可以预见到燃料电池将有很广阔的发展前景。
关键词燃料电池;分类;特点;应用
中图分类号TM911.4文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)022-0013-01
0引言
高度依赖于化石燃料为主要能源已经导致了严重的能源危机,中东各石油输出大国纷纷宣布石油将在几十年内耗尽,目前中国甚至已经有超过30%的石油依赖进口!能源短缺已经成为各国发展经济所面临的一个棘手的难题。另一方面,使用化石燃料引起了全球变暖,酸雨形成等严重的城市空气污染。利用化石燃料发电和用做交通燃油是引发环境污染的主要原因。利用可再生资源所产生的氢,具有清洁无污染,高效,可再生和资源丰富等优点,正在逐步取代化石燃料成為能源舞台上的主角。燃料电池(Fuel Cell,FC)是一种新兴的化学电源,具有转换效率高,清洁无污染,噪音低等优点,是未来发电的发展方向。
1燃料电池的现代发展史
燃料电池的历史可以追溯到第19世纪英国法官和科学家Willianl -Robert Grove爵士的工作。1839年,Grove所进行的电解作用实验—使用电将水分解成氢和氧—是人们后来称之为燃料电池的第一个装置 。然而燃料电池的现代发展史起始于20世纪60年代初期 。当时 ,美国政府的新机构—国家航空和宇宙航行局(NASA)正寻找为其即将进行的一系列无人航天飞行提供动力的方法。由于使用干电池太重 ,太阳能价格昂贵 ,而核能又太危险 。 最后 ,直到20世纪90年代 ,也就是 Grove试验之后的150多年 ,一种廉价的、 清洁的、可再生的能源最终变成了事实。2年后 ,Ballard和 Daimler Benz公司都生产出每升1kW 的燃料电池组。
2燃料电池的原理
燃料电池是一种等温进行,将储存在燃料,氧化剂中的化学能高效、清洁地转换成直流电的发电装置。其工作原理与化学电源类似,由电极作为电化学反应的场所,阳极催化燃料(氢)的氧化反应 ,阴极催化氧化剂的还原反应。导电离子通过电解质到达另一个电极,与通过外电路到达该电极的电子以及该电极处生成的离子结合生成水和热。当外电路接上负载时燃料电池便可以带动负载做功。
3燃料电池的特点
燃料电池与其它发电方式相比有独特的优点:
1)效率高。燃料电池发电不通过热机过程, 没有中间环节的能量损失,不受卡诺循环的限制,理论上它的发电效率可 达 85%—90%,实际应用中,由于阴、阳极化和浓差极化的存在和电解质的欧姆降以及热损失等,目前各类燃料电池的能量转化率达到40%—60%,但较内燃机的能量转化效率高约10%—20%,如果实现热电联供,燃料总利用率达 70%—80%。
2) 机动灵活。燃料电池发电装置由许多基本单元组成。一个基本单元是两个电极夹一个电解质板,基本单元组装起来就构成一个电池组,再将电池组集合起来就形成发电站。可以根据不同的需要灵活地组装成不同规模的燃料电池发电站。燃料电池的机动灵活性可以有效解决供电安全问题 。
3) 燃料多样。虽然燃料电池的工作物质主要是氢,但它可用的燃料有煤气、沼气、天然气等气体燃料,甲醇、轻油、柴油等液体燃料,甚至包括洁净煤。根据实际情况,可以因地制宜地使用不同的燃料或将不同燃料进行组合使用,达到就地取材、节省资金的目的。
4燃料电池的分类及特性
燃料电池可依据其工作温度、所用燃料的种类和电解质类型进行分类。按照工作温度,燃料电池可分为高、中、低温型三类。按燃料来源,燃料电池可分为直接式燃料电池(如直接甲醇燃料电池),间接式燃料电池(如甲醇通过重整器产生氢气,然后以氢气为燃料电池的燃料)和再生类型进行分类。现在一般都依据电解质类型来分类,可以分为五大类燃料电池,即,磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和碱性燃料电池。
5燃料电池的应用
燃料电池被认为是 2l世纪高效、洁净的新型发电方式之一。燃料电池在发电站、移动电站、微型电源、动力源等方面展露出广泛的应用前景。
5.1发电站
燃料电池主要以氢为燃料。氢可以用地球上存在的无穷尽的水作原料,因此不必担心资源竭问题。氢燃烧后的产物是水,因此它又是非常洁净的燃料。电是很难贮存的,但利用电解的方法来贮存氢燃料可实现大量蓄能。
5.2移动电站
燃料电池具有模块结构、积木性强、噪音小、维修方便等特点,是军事、野外作业、偏远无电地区等理想的移动电源。80年代末期,西方发达国家就致力于 PEMFC的军事应用研制开发。PEMFC作为便携式电源,主要替代目前常用的普通一次电池和蓄电池,用于未来单兵系统电源,常温下使用的各类仪表和军事通信设备电源等,PEMFC的比能量远远大于普通电池。即便是采用金属氢化物储氢的 PEMFC,其系统的重量比能量也是 Ni/Cd电池的7倍,Ni/MH电池的4 5倍,Li离子电池的2倍多。中国富原公司目前也开发出一系列 PEMFC野外移动电源,功率范围为 500 -1000W。
5.3微型电源
微型燃料电池在人们日常生活中的应用已为期不远了。微型燃料电池可用作手机电池、照相机、摄影机电池。美国研制的微型燃料电池,以25微米厚塑料薄膜为其基本容器,已具备批量生产能力 。
6结语
燃料电池的出现与发展,将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命,并且还会波及到汽车业,住宅,以及社会各方面的集中供电系统。在21世纪中它将会把人类由集中供电带进一种分散供电的新时代。因为太阳能供电虽然能替代部分能源,但它与天气有关,受气候的制约,核能利用又存在安全问题,唯有燃料电池供电,它没有二氧化碳的排放,可减轻温室效应使全球气候变暖问题,它解决了火力发电使全球环境污染的问题,它是一个纯正的绿色清洁能源。所以,我们要加速实现燃料电池的商品化进程,应该在这场能源革命中有所作为,跟上全球技术发展的步伐。
参考文献
[1]燃料电池知识—燃料电池的发展历史.
[2]倪萌.燃料电池的应用前景[J].华北电力技术,2004,8.
[3]王,吴岚军,郭少朋.利用生物技术发展的新型燃料电池--生物燃料电池[J].现代科学仪器,2005,5.
[4]徐良明,张晓清.燃料电池的发展与应用[J].重庆石油高等专科学校学报,2OO3,5.
[5]田大栓.燃料电池的特点与应用前景[J].煤气与热力,2006,26(12).
关键词燃料电池;分类;特点;应用
中图分类号TM911.4文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)022-0013-01
0引言
高度依赖于化石燃料为主要能源已经导致了严重的能源危机,中东各石油输出大国纷纷宣布石油将在几十年内耗尽,目前中国甚至已经有超过30%的石油依赖进口!能源短缺已经成为各国发展经济所面临的一个棘手的难题。另一方面,使用化石燃料引起了全球变暖,酸雨形成等严重的城市空气污染。利用化石燃料发电和用做交通燃油是引发环境污染的主要原因。利用可再生资源所产生的氢,具有清洁无污染,高效,可再生和资源丰富等优点,正在逐步取代化石燃料成為能源舞台上的主角。燃料电池(Fuel Cell,FC)是一种新兴的化学电源,具有转换效率高,清洁无污染,噪音低等优点,是未来发电的发展方向。
1燃料电池的现代发展史
燃料电池的历史可以追溯到第19世纪英国法官和科学家Willianl -Robert Grove爵士的工作。1839年,Grove所进行的电解作用实验—使用电将水分解成氢和氧—是人们后来称之为燃料电池的第一个装置 。然而燃料电池的现代发展史起始于20世纪60年代初期 。当时 ,美国政府的新机构—国家航空和宇宙航行局(NASA)正寻找为其即将进行的一系列无人航天飞行提供动力的方法。由于使用干电池太重 ,太阳能价格昂贵 ,而核能又太危险 。 最后 ,直到20世纪90年代 ,也就是 Grove试验之后的150多年 ,一种廉价的、 清洁的、可再生的能源最终变成了事实。2年后 ,Ballard和 Daimler Benz公司都生产出每升1kW 的燃料电池组。
2燃料电池的原理
燃料电池是一种等温进行,将储存在燃料,氧化剂中的化学能高效、清洁地转换成直流电的发电装置。其工作原理与化学电源类似,由电极作为电化学反应的场所,阳极催化燃料(氢)的氧化反应 ,阴极催化氧化剂的还原反应。导电离子通过电解质到达另一个电极,与通过外电路到达该电极的电子以及该电极处生成的离子结合生成水和热。当外电路接上负载时燃料电池便可以带动负载做功。
3燃料电池的特点
燃料电池与其它发电方式相比有独特的优点:
1)效率高。燃料电池发电不通过热机过程, 没有中间环节的能量损失,不受卡诺循环的限制,理论上它的发电效率可 达 85%—90%,实际应用中,由于阴、阳极化和浓差极化的存在和电解质的欧姆降以及热损失等,目前各类燃料电池的能量转化率达到40%—60%,但较内燃机的能量转化效率高约10%—20%,如果实现热电联供,燃料总利用率达 70%—80%。
2) 机动灵活。燃料电池发电装置由许多基本单元组成。一个基本单元是两个电极夹一个电解质板,基本单元组装起来就构成一个电池组,再将电池组集合起来就形成发电站。可以根据不同的需要灵活地组装成不同规模的燃料电池发电站。燃料电池的机动灵活性可以有效解决供电安全问题 。
3) 燃料多样。虽然燃料电池的工作物质主要是氢,但它可用的燃料有煤气、沼气、天然气等气体燃料,甲醇、轻油、柴油等液体燃料,甚至包括洁净煤。根据实际情况,可以因地制宜地使用不同的燃料或将不同燃料进行组合使用,达到就地取材、节省资金的目的。
4燃料电池的分类及特性
燃料电池可依据其工作温度、所用燃料的种类和电解质类型进行分类。按照工作温度,燃料电池可分为高、中、低温型三类。按燃料来源,燃料电池可分为直接式燃料电池(如直接甲醇燃料电池),间接式燃料电池(如甲醇通过重整器产生氢气,然后以氢气为燃料电池的燃料)和再生类型进行分类。现在一般都依据电解质类型来分类,可以分为五大类燃料电池,即,磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和碱性燃料电池。
5燃料电池的应用
燃料电池被认为是 2l世纪高效、洁净的新型发电方式之一。燃料电池在发电站、移动电站、微型电源、动力源等方面展露出广泛的应用前景。
5.1发电站
燃料电池主要以氢为燃料。氢可以用地球上存在的无穷尽的水作原料,因此不必担心资源竭问题。氢燃烧后的产物是水,因此它又是非常洁净的燃料。电是很难贮存的,但利用电解的方法来贮存氢燃料可实现大量蓄能。
5.2移动电站
燃料电池具有模块结构、积木性强、噪音小、维修方便等特点,是军事、野外作业、偏远无电地区等理想的移动电源。80年代末期,西方发达国家就致力于 PEMFC的军事应用研制开发。PEMFC作为便携式电源,主要替代目前常用的普通一次电池和蓄电池,用于未来单兵系统电源,常温下使用的各类仪表和军事通信设备电源等,PEMFC的比能量远远大于普通电池。即便是采用金属氢化物储氢的 PEMFC,其系统的重量比能量也是 Ni/Cd电池的7倍,Ni/MH电池的4 5倍,Li离子电池的2倍多。中国富原公司目前也开发出一系列 PEMFC野外移动电源,功率范围为 500 -1000W。
5.3微型电源
微型燃料电池在人们日常生活中的应用已为期不远了。微型燃料电池可用作手机电池、照相机、摄影机电池。美国研制的微型燃料电池,以25微米厚塑料薄膜为其基本容器,已具备批量生产能力 。
6结语
燃料电池的出现与发展,将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命,并且还会波及到汽车业,住宅,以及社会各方面的集中供电系统。在21世纪中它将会把人类由集中供电带进一种分散供电的新时代。因为太阳能供电虽然能替代部分能源,但它与天气有关,受气候的制约,核能利用又存在安全问题,唯有燃料电池供电,它没有二氧化碳的排放,可减轻温室效应使全球气候变暖问题,它解决了火力发电使全球环境污染的问题,它是一个纯正的绿色清洁能源。所以,我们要加速实现燃料电池的商品化进程,应该在这场能源革命中有所作为,跟上全球技术发展的步伐。
参考文献
[1]燃料电池知识—燃料电池的发展历史.
[2]倪萌.燃料电池的应用前景[J].华北电力技术,2004,8.
[3]王,吴岚军,郭少朋.利用生物技术发展的新型燃料电池--生物燃料电池[J].现代科学仪器,2005,5.
[4]徐良明,张晓清.燃料电池的发展与应用[J].重庆石油高等专科学校学报,2OO3,5.
[5]田大栓.燃料电池的特点与应用前景[J].煤气与热力,2006,26(12).