范文一：燃料电池的原理和应用

燃料电池的原理和应用吕咏萱 王 悦 高夏迪 覃 覃选题目的 燃料电池的一个重要的特点，是可以长时间不间断地工作。这一特点，使燃料电池兼 具普通化学电源能量转换效率高和常规发电机组连续工作时间长的两种优势。 身处二十一世 纪， 鉴于人们对耗竭现有库存自然资源的担心， 以及愈来愈多的人意识到大量焚烧矿物燃料 对环境的破坏，必将促使燃料电池在移动和静态能源的应用。19 世纪所发现的这种科学上 的奇特现象终将成为人们未来可利用的新能源。燃料电池的基本原理及种类 燃料电池的组成 燃料电池是一个电化学系统。它将化学能直接转化为电能且废物排放量很低。燃料电 池由 4 个主要部分组成： (1) 电极。为多孔结构，可由具有电化学催化活性的材料制成，也可以只作为电化学反应的 载体和反应电流的传导体。 (2) 电解质。通常为固态或液态，但也有关于 NH3 气氛中 NH4Cl 电解质的研究。电解质的状 态取决于电池的使用条件。 (3) 燃料。可以是气态(氢气等)或液态(甲醇等)，在极少数情况下也可以是固态(碳)。燃料 的状态可以由电池的工作状态和运行价格决定。 (4) 氧化剂。选择比较方便，纯氧、空气或卤素都可以胜任，而空气是最便宜的。 燃料电池的特点 可长时间不间断地工作——这使燃料电池兼具普通化学电源能量转换效率高和常规 发电机组连续工作时间长的两种优势。 高效——它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在 40-60%；如果 实现热电联供，燃料的总利用率可高达 80%以上。 环境友好——以纯氢为燃料时， 燃料电池的化学反应物仅为水； 以富氢气体为燃料时， 其二氧化碳的排放量比热机过程减少 40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。 安静——燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。 可靠性高——碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠， 可作为各种应急电源和不间断电源使用。38

燃料电池的种类及其工作原理燃料电池 名称 温 度 电解质 导电 离子+燃料氧化剂催化 剂电 效 率技术状态应用质子交换 膜 PEMFC SPFC 碱性 AFC低全氟磺酸 型固体聚 合物H氢或净 化重整 气-空气或 纯氧Pt/C 或 Pt-Ru /C4358%高度发展， 电动汽车， 需降低成 本 潜艇推动， 可移动动 力源低氢氧化钾 溶液OHA 型：纯 氢 B 型： 2H4 N 分解气A 型：纯 氧 B 型：空 气 空气多种6090%高度发展， 航天， 特殊 高效 地面应用磷酸 PAFC中浸有浓 H3PO4 的 SiC 微孔膜H+天然气 重整气 体2-Pt/C3742%高度发展， 特殊需求， 成本高， 余 热利用价 值低 区域性供 电熔融碳酸 盐 MCFC高浸有(K、 Li)的 LiAlO2 隔 膜CO3净化煤 气或天 然气空气雷尼 镍和 氧化 镍>50 %需延长寿 命区域性供 电固体氧化 物 SOFC高 氧化钇， 稳 定的氧化 锆O2-净化煤 气或天 然气空气5065%电池结构 选择， 开发 廉价制备 技术区域性供 电， 联合循 环发电直接甲醇 DMFC低全氟磺酸 型固体聚 合物(实际 为 PEMFC 的 变种)H+甲醇空气Pt/C40%发展早期移动电话， 笔记本电 脑(1)质子交换膜燃料电池 PEMFC/SPFC + 阳极反应：2H2 → 4H + 4e + 阴极反应：O2 + 4H + 4e → 2 H2O 总反应：2H2 + O2 → 2 H2O 图 1 显示了质子交换膜燃料电池的基本设 计。 在质子交换膜燃料电池中， 电解质是一片薄 的聚合物膜， 和质子能够渗透但不导电， 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。 每个电池能产生约 0.7 伏的 电。39

最主要的问题是制造成本，另一个大问题是这种电池需要纯净的氢方能工作。 (2) 碱性燃料电池 AFC 阳极反应：2H2 + 4OH → 4 H2O + 4e 阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e → 4OH 总反应：2H2 + O2 → 2 H2O 这是起步最早，发展最成熟的燃料电池。已成功应用于航天飞行中。我国早在六十年 代末就进行了 AFC 的研究。 (3) 磷酸燃料电池 PAFC + 阳极反应：2H2 → 4H + 4e + 阴极反应：O2 + 4H + 4e → 2 H2O 总反应：2H2 + O2 → 2 H2O 其产生的直流电可经直交变换以交流形式供给用户。 (4) 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 2阳极反应：CO3 + H2 → H2O + CO2 + 2e 2阴极反应：CO2 + 1/2 O2 + 2e → CO3 总反应： H2 + 1/2 O2 → H2O 2此电池与其他类型燃料电池的区别是， 由电极反应可知， MCFC 电池的导电离子为 CO3 。 在阴极 CO2 为反应物，在阳极 CO2 为产物。因此，电池工作过程中 CO2 在循环。为确保电池稳 定、连续地工作，必须使阳极产生的 CO2 返回到阴极。 (5) 固体氧化物燃料电池 SOFC 22阳极反应：H2 + O → H2O + 2e ，CH4 + 4O → 2H2O + CO2 + 8e 2阴极反应: O2 + 4 e → 2 O 总反应：H2 + 1/2 O2 → H2O，CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 从原理上讲，SOFC 是最理想的燃料电池类型之一。其具备以下优点：①是全固体的电 池结构， 避免了因使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题； ②电池在高温下工作， 电极反应过程相当迅速，无需采用贵金属电极，因而电池成本大大降低，高质量余热也可充 分利用；③燃料适用范围广。 (6) 直接甲醇燃料电池 DMFC + 阳极反应：CH3OH + H2O → CO2 + 6H + 6e + 阴极反应：3/2O2 + 6H + 6e → 3 H2O 电池反应：CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2 H2O 这种电池的期望工作温度比标准的 PEMFC 略高，其效率大约是 40%左右。其缺点是当 甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。 (7) 再生型燃料电池 RFC 再生型燃料电池的概念相对较新，但全球有许多研究小组正在从事这方面的工作。这 一技术与普通燃料电池的相同之处在于它也用氢和氧来生成电、 热和水。 其不同的地方是它 还进行逆反映，也就是电解。40

燃料电池的应用及发展趋势 空间领域：在 20 世纪 50 年代后期和 60 年代初期，美国政府为了替其载人航天飞行 寻找安全可靠的能源， 对燃料电池的研究给于了极大的关心和资助， 使燃料电池取得了长足 的进步。重量轻，供电供热可靠，噪声轻，无震动，并能生产饮用水，所有这些优点均是其 它能源不可比拟的。第一次商业化使用燃料电池便是在 Gemini 航天项目中。 运输：当前，以内燃机提供动力的汽车已成为有害气体排放的主要排放源。在世界各 地， 国家和地方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆， 燃料电池 可为这种要求带来实质的机遇。 现今燃料电池汽车是世界上的一大热点， 各大汽车品牌争先 恐后推出燃料电池汽车、越野车、摩托车，发展十分迅速。 移动装置：随着手机、笔记本电脑的普及，燃料电池使用寿命长，重量轻和充电方便 使其比常规电池具有得天独厚的优势。 许多数码品牌已经推出了其燃料电池产品， 并不断朝 着更小、更成熟的方向发展。 军事：燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置，从战场上的移动手提装备到海 陆运输，提供高效、持久、宁静的动力。自 20 世纪 80 年代以来，美国海军就使用燃料电池 为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。 燃料电池发电：与传统的矿物燃料相比，燃料电池的高效和低排放量使其对用户具有 极大的吸引力。此外，燃料电池技术的独立性对于那些国家电网不能覆盖，或国家电网不够 稳定而需要备用电力设备的地区而言，这种能源具有特殊的意义。参考文献(1)李国欣主编， 《新型化学电源导论》 ，复旦大学出版社，1992 年 (2)雷永泉等， 《新能源材料》 ，天津大学出版社，2000 年 (3)Annette Wille; Norbert Ber， 《燃料电池——能源转换的新来源》 ，ALSTOM 公司输配电 部 (4)《燃料电池教材》 ，http://www.stcsm.gov.cn/41

范文二：燃料电池的应用和发展

燃料电池的应用和发展

石新军

燃料电池(fuelcells,FCs)是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术。它是一种将储存在燃料(如氢气)和氧化剂(如氧气)中的化学能,通过电化学反应过程直接转化为电能的电化学发电装置。它是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化的动力装置,被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。

表1　5种燃料电池的主要特征

燃料电池

典　型工　作

()80

氢和氧的电化学反应发电的原理。直到20世纪60年代,随着航天工业的发展,燃料电池作为主电源系统

被成功应用到航天飞行中。经过百年的发展历程,燃料电池在国防、航天和民用的移动电站、分立电源、潜艇、电动车、计算机与通信等众多领域具有非。随着科技进。因此,氢能,已受到。

优点缺点

转　换

(%)

70

碱性燃料

KOH、H2O

电池

启动快、室需以纯氧温常压下工作成本高对CO敏

感、工作温度高、对CO2不

敏感

出下降可空气工作温度

可用天然

过高

气或甲烷作燃料可用空气工作温度

可用天然

过高

气或甲烷作燃料寿命长、可用空气作氧化剂、室对CO非温工作、比常敏感、反功率大、启应物需要动迅速、输加湿出功率可随意调整

磷酸燃料电池

H3PO420040

根据工作温度的不同,可将燃料电池分为低温(工作温度低于100℃)、中温(工作温度在100～)和高温(工作温度在600～1000℃)三种。300℃

固体氧化

物燃料电池

ZrO2Y2O3

1000>60

而最常用的是根据燃料电池所用电解质分类,据此可分为5种主要类型,即碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和质子交换膜燃料电

熔融碳酸

盐燃料电Na2CO3池

650>60

池(PEMFC)。其中后3种燃料电池是目前世界各国竞相研究开发的重点。表1列出了上述5种燃料电池的主要特点。

燃料电池的工作原理及特点

质子交换

含氟质

膜燃料电80～100

子交换膜

池

60

燃料电池是一种电化学装置,其组成与一般电池相同。单体燃料电池是由正负两个电极(负极即燃料电极,正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是,一般电池的活性物质贮存在电池内部,电池容量因此受到限制。而燃料电池的正、负极本身不个家庭,大大改变了当代社会的结构和面貌,甚至影响到人们的思维方式。历史和经验告诉我们,无论是过去,还是现在,乃至将来,社会和经济的发展总是离不开科学技术的进步,科学技术的进步离不开物理科学的创新成果,而物理科学的创新成果,靠的是具有高素质的物理科学人才。

(广东梅州嘉应学院物理系　514015)

现代物理知识

燃料电池已有160多年的发展史。早在1839

年,英国学者格罗夫(W.R.Grove)就首先提出通过等其他新技术的发展过程中,物理科学研究成果也同样起到了很大的作用。可以说没有物理科学的创新成果,就不可能有这些新技术的发明或迅速发展。而且在21世纪的今天,我们仍然可以看到,在物理科学研究的新成果带动下,许多领域的应用科学技术得到了进一步发展,并出现了一个又一个新的产业部门,其影响遍及生产、科研、国防、医学,乃至每

?16?

包含活性物质,只是个催化转换元件。因此燃料电池是把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给,发生反应。原则上只要反应物不断输入,反应产物就不断排出,燃料电池就能连续发电。这里以氢-氧燃料电池为例说明燃料电池的基本工作原理,图1是组成氢-氧燃料电池的基本单元示意图。其阳极为氢电极,阴极为氧电极。

通常,阳极和阴极上都含有一定量的催化剂,目的是用来加速电极上发生的电化学反应。燃料电池的工作原理如下。

①氢气通过管道或导气板到达阳极,在阳极催化剂的作用下,1个氢分子解离为2个氢离子(即质子),并释放出2个电子,阳极反应为H2+2OH-→2H2O+2e-

。

成物是水,所以完全没有污染。

③它不同于常规电池,燃料电池是一种发电装置、能量转换装置,而不是能量存储装置,所以不需要充电,运行时间长。

④燃料电池的工作没有机械运动,所以不会产生噪音。

⑤燃料电池的电极和一般电池的电极不同,它只是化学反应的场所和电流的通道,并不参与化学反应,因此没有电极损耗,工作可靠、寿命长,一般可达5万～10万小时。

⑥燃料电池除了可用氢气作燃料外,还可用天然气、煤气,甲醇等作燃料,因而其燃料具有多样性。

⑦由于采用模块化结构,燃料电池发电装置可,电池组,。

,尤其是无污染,因。在21世纪,燃料电池,成为能源工业的一支新军。目前,有关燃料电池燃料与供应系统的研究开发已成为众多相关学科与技术领域的一个重大课题。

燃料电池的应用

由于燃料电池的诸多特性使其广泛应用于电动汽车、航天飞机、潜艇、通讯系统、中小规模电站、家用电源,以及其他需要移动电源的场所。以下是应用的几个方面。

汽车工业　车用燃料电池所具有的效率高、启动快、环保性好、响应速度快等优点,使其当仁不让地成为21世纪汽车动力源的最佳选择,是取代汽车内燃机的理想解决方案。从燃料电池的发展势头看,汽车内燃机的生产将会在21世纪中叶终止。燃料电池汽车的最大优点是清洁、无污染,所排出的唯一废物是水。在全球环境保护问题日益突出的今天,燃料电池汽车作为环保型汽车越来越受到人们的重视。世界各大汽车制造厂商普遍认为,近期真正有可能取代传统汽车的清洁交通工具,只能是燃料电池汽车“,燃料电池就是汽车工业的未来”。近几年燃料电池汽车的发展势头大大超过了蓄电池电动汽车。随着大规模应用前景的显现,美国、欧洲和日本的汽车制造厂商都在加紧开发车用燃料电池技术;预计三四年后,燃料电池汽车将会进入批量生产阶段,并投放市场。依据燃料的不同,汽车用燃料电

?17?

图1　组成燃料电池的基本单元示意图

②在电池的另一端,氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极;同时,氢离子穿过电解质到达阴

极,电子通过外电路也到达阴极。

③在阴极催化剂的作用下,氧与氢离子和电子发生反应生成水,阴极反应为O2+4H++4e-→2H2O。总的化学反应为2H2+O2→2H2O。

与此同时,电子在外电路的连接下形成电流,通过适当连接可以向负载输出电能。当然,只有燃料电池本体还不能工作,必须有一套相应的辅助系统,包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能,综合了常规电池和内燃机的优点,克服了它们的缺点,因此具有特殊的生命力。综合起来,它具有以下优点。

①由于燃料电池的工作原理是建立在电化学理论之上,不受热机效率的限制,所以其效率是内燃机效率的2～3倍。

②参与的化学反应是氢(燃料)和氧(空气),生

18卷2期(总104期)

池可分为氢燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池、汽油燃料电池

。

燃料的环保车已得到日本交通部批准获得汽车牌

照,并开始在日本国内进行公路越野试验。其引擎的输出功率为65kW。此外,马自达将使用开发的燃料电池车参加日石三菱及戴姆勒等共同开展的燃料汽车越野试验计划。

图2D是丰田汽车公司在2001年第35届东京汽车展上展出的新型汽油燃料电池汽车“FCHV25”,它是用改质型汽油类燃料的清洁碳氢化合物燃料来制取氢气的。丰田将改质器做得更小并安装在汽车底板下,其尺寸为宽600mm、厚880mm、高200mm。据说丰田目前已开始在车辆中安装这种改质器进行行驶试验。不过,丰田觉得这一尺寸仍然略大,准备进一步将其缩小到现在的1/3左右,以便能够安装到引擎室中。

　它的能量转换效率高、、污染物排放量很少。美“:燃料电池将结束火力发电时代。”目前国外重点开发能源发电的有以下几种燃料电池。

磷酸盐燃料电池:美国已经完成12～200千瓦级就地发电装置现场试验,技术趋于成熟,已可作为商品出售。日本自1981～1990年进行集中研究,目前5兆瓦级加压型和1兆瓦级常压型电厂已投入运行。

熔融碳酸盐燃料电池:从1987年开始,美国燃料电池研究重点已由磷酸盐型转向高温熔融碳酸盐型。截至1993年完成70kW、120kW级熔融碳酸盐燃料电堆的评估试验,第一座演示性200kW电站已于1994年底运转,1998年开始出售正式产品。

质子交换膜燃料电池:加拿大巴拉德公司和世界许多著名公司共同合作开发千瓦级以下的燃料电池发电厂。经过5年研发,第一座250kW发电厂于1997年8月成功发电,1999年9月运至美国,经过周密测试和评估,在提高设计性能与降低成本的基础上,第二座电厂诞生,现安装在柏林,输出功率为250kW,也是在欧洲的第一次测试。很快巴拉德公司第三座250kW电厂也于2000年9月出现在瑞士的测试现场,2000年10月第四座燃料电池电厂在日本NTT公司安装完成,开拓了亚洲市场,促进了其商业化进程。第一个早期商业化电厂已在2001年底面市。

现代物理知识

图2　几种典型燃料电池汽车

图2A是通用汽车公司在2001年法兰克福汽

车展上展出的新型氢燃料电池车“氢动三号”。其主要性能为:液体氢罐容量为68L、氢储存量为416kg,燃料电池组的尺寸为472mm×251mm×496mm、额定输出功率为94kW,驱动电机的输出

功率为60kW、最高速度为150km、连续行驶距离为400km

。

图2B是戴姆勒-克莱斯勒集团2000年11月7日,在柏林推出的一种甲醇燃料电池新车型NECAR5。它是以奔驰A级车为基础改装的,配备

了加拿大巴拉德公司的最新质子交换膜燃料电池,采用甲醇来制取氢,燃料电池组最大输出功率为75kW、最高车速为150km/h、一次充注续驶里程为450km;燃料电池的效率比以往测试车型提高了50%,同时驱动系统的体积显著减小,重量也大幅度

减轻。

图2C是日本马自达与美国福特汽车公司在小型轿车“Premacy”的基础上,联合开发的乙醇燃料电池车“Premacy2FC2EV”。这辆可坐5人、用乙醇作

?18?

固体氧化物燃料电池:在固定电站领域,被称为第三代燃料电池的固体氧化物燃料电池,正在积极的研制和开发中,是蓬勃兴起的新型发电方式之一。壳牌氢气公司和西门子、西屋电力公司联手,开发和销售一种独具特色的、以天然气为燃料的发电技术。该技术结合并应用了高温固体氧化物燃料电池,以及壳牌公司开发的二氧化碳清除技术,它不产生导致温室效应的气体。除了电力以外,这种先进的装置只产生水和纯CO2。CO2将被注入废弃的油气贮藏池,在此永久“归隐”,以取代曾埋藏在地底达数百万年之久的碳氢化合物。与常规发电技术相比,对发电量达10兆瓦级的发电厂而言,新型固体氧化物燃料电池发电技术能更有效地利用燃料,且成本更低廉、占地更少。我国在开发燃料电池能源发电方面也做出了可喜的成绩。最近,上海交大结合我国在21世纪能源发展的多元化趋势,吸收了国内外宝贵经验,率先在国内成功进行了1千瓦～115电池发电实验。2001年7月,1060瓦以上,14818mA/cm2。

船舶工业　,所有燃料电池都适用于水面舰船的发电和(或)推进系统。这些燃料电池所用的燃料有氢气、富氢气体(如甲烷)或液态碳氢化合物(如甲醇、柴油),后者必须经过适当的重整才能用于燃料电池系统。

美国海军1995年完成的一项燃料电池技术在用作船用电网和推进系统时,就其对驱逐舰和小型护卫舰等海军战舰的设计性能及其影响进行了评价研究。1998年美国海事署对燃料电池在集装箱船上的应用进行了研究,该船所需总动力为5440kW,它具备在集装箱内贮存加压天然气(LNG)的所有必要条件。在8×40ft型的集装箱船中所装载的天然气燃料,能够行驶大约560海里(1海里≈11852千米),它比使用柴油约便宜了30%,但缺点是熔融碳酸盐燃料电池的预期寿命不长,在船上只能运行大约5年时间。

德国西门子公司一直进行着潜艇动力电源的研究,在212级潜艇使用的质子交换膜燃料电池单元基础上,最近又研制出120千瓦单元。此单元功率密度可达280和300W/kg,从2000年开始批量生产。另外,西门子公司还研制了30～45千瓦氢-空

18卷2期(总104期)

气燃料电池单元,它用贮存在舰艇上的氢或柴油液体燃料重整制得的氢来工作,在2000年已用于水面舰艇。2003年建成的Class212型潜艇,带有一套300kW的供电装置,依靠一个甲醇裂解炉产生氢气,

巡航速度可达8海里/小时,氧气储备可供燃料电池、裂解器和全体船员呼吸使用,发电效率达70%。

航天工业　60年代,燃料电池成功地应用于阿波罗登月飞船。从60年代开始,氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域。

美国飞机制造业巨头波音公司与设在西班牙马德里的波音技术研究开发中心等联合研制一种使用环保燃料电池的电动飞机。波音公司表示,研制这种电动飞机,主要是想检测燃料电池在航空领域应用的潜力。,而只是取。该系统位于飞机。与现有的燃油辅助动力系统相比,燃料电池系统噪音更低,更加清洁、高效,它使用同样的燃料能生产双倍电力,因此可以大大减少航空运输对环境的污染。波音公司飞机新产品开发部的首席工程师迈克?弗兰德说,燃料电池是一种潜力巨大的新技术,它在未来民航飞机上的应用前景广阔。

移动通信　未来数年内,新的动力之源———迷你型燃料电池将成为最抢手的便携设备电源,它将带来电池能源的革命,在手机、笔记本电脑、掌上电脑等电子产品上都将出现它小巧的身影。

高分子型燃料电池手机:2001年日本电器公司试制了一种新型高分子型燃料电池,看上去就像是一块饼干。它的原理是如同打火机装油一样,从注油口注入燃料补充电力,以供长期使用。手机有了它,可以使用1个月以上,电脑则可连续使用数天。

甲醇燃料电池手机:摩托罗拉及美国洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)国家实验室联合开发了一种微型燃料电池,预计这种电池终有一天取代目前使用的传统电池,被各种各样的电子产品用作电源,包括手机、笔记本电脑、手持式照相机、电子游戏机等,此种电池的底面尺寸约为1平方英寸、厚度小于0190英寸。使用液体甲醇作燃料,可以十分方便地安装在各种电子产品内。电池的能量密度超过传统充电电池的10倍。预计3～5年后,体积将明显小于目前

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的充电电池,价格也将大大低于如今的充电电池。

乙醇燃料电池手机:以色列密迪斯技术公司(MedisTechnologies)则采取截然不同的方法———采用液态电解质,它与法国手机制造商签订协议,正在兴建一座蓄电池厂,每年能生产5000万微型燃料电池。该电池以乙醇作燃料,对旅行者尤为适用。公司总经理风趣地说道“:我可以从饭店的冰箱拿出一瓶上好的伏特加酒,往燃料夹中倒一些,就可使用手机了!即使便宜的伏特加也能管用。”机器人　美国南佛罗里达大学科学家已研制出了一种靠“吃肉”给体内补充电能的机器人。这种机器人看上去像一列小火车,有12只轮子,体内装有一块微生物燃料电池,为机器人运动和工作提供动力。这种微生物燃料电池可以通过细菌产生酶,消化肉类食物,然后把获取的能量再转化为电能,供给机器人使用。发明者威尔金森教授说,实验表明这个机器人“吃蔬菜”效果不佳,此外,这种机器人还可以“吃糖块”。,生物燃料电池的发展　最近,燃料电池技术又有了新的突破,英国科学家研制成功了生物燃料电池。一般燃料电池都用贵金属作为催化剂。这类催化剂都是稀有金属,因而价格昂贵。这一状况严重妨碍了大功率燃料电池和大型燃料电池的推广,对大型燃料电池发电厂的发展有着很大的负面影响。不久以前,英国肯特大学和牛津大学的科学家们合作,从细菌细胞中提炼出一种叫做甲醇脱氢酶的生物催化剂。这种酶能够加速氢气的释放,从而使电子数目大大增加。在酶催化剂的作用下,刚刚问世的生物燃料电池显示出功率大、体积小、效率高、成本低等突出优点。其能量转化效率高达60%～70%。生物燃料电池发展前途广阔,其实用化和商业化问题正处于进一步研究之中。

21世纪,氢能将取代煤、石油、天然气等矿物能源,人类将告别矿物能源时代,步入氢能时代。燃料电池作为把氢能直接转化为电能的洁净发电装置,即将大规模进入社会的各个领域。

燃料电池发展前景展望

燃料电池的开发研究以及商业化,是实现节能和环保的重要手段。燃料电池的先进性和实用性已

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经得到公认,在加大对燃料电池的开发、研究与利用力度方面尽管还存在一些问题,比如电极材料、制造成本、催化剂等问题,但是瑕不掩瑜,加快燃料电池发展必然是世界发展的总趋势。在发展燃料电池过程中,应该根据各种不同燃料电池各自的优缺点和发展障碍,有针对性地展开适宜的研究,使各种燃料电池都能发挥应有的作用。

在全球面临着环境恶化和能源危机的情况下,我国加入同发达国家在清洁能源研究开发领域的战略竞争。“燃料电池发电技术”被列入《科技发展“十五”计划和2015年远景规划》。中国科学院启动科技创新战略行动计划重大项目———“大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术”。中科院和科技部为这项21逾121世纪。

。可以相信,随着,燃料电池商业化进程中的问题会逐步得到妥善解决,其成本价格将会逐渐降低,燃料电池将会如计算机一样,深入到人类活动的各个领域,直至走进千家万户。

(广东武警广州指挥学院　510440)

镍氧化物纳米管可提高

锂离子电池的电化学性能

澳大利亚伍伦贡大学(Uni2

versityofWollongong)的几位研究者通过模板程序合成了单一取向、排列整齐的镍氧化物(NiO)纳米管束,并用于锂离子电池,从而提高了其电化学性能。

每一根NiO纳米管长60微米,外侧直径200纳米,管壁厚20～30纳米。合成过程中,首先制成Ni(OH)2纳米管,接着将其加热到350℃,使其充分转化为NiO纳米管。他们在把NiO纳米管粉末用于锂离子电池后,测定了电池的锂存储能力和电化学性能。他们发现,充放电20次后,NiO纳米管电极的放电能力超过标准NiO纳米晶体粉末电极30%。阻抗数据表明,与参考的NiO粉末电极系统相比,NiO纳米管电极使锂的扩散受到约束,并将这一过程持续下去,因而使其电化学性能得到提高。

(高凌云编译自JournalofNanoscienceandNa2notechnology,2006年第1期)

现代物理知识

科苑快讯

范文三：燃料电池的历史和现状

2002年第17卷第2期　　　　　　　　　电　力　学　报　　　　　　　　　Vol.17No.22002

　(总第59期)　　　　　　　　JOURNALOFELECTRICPOWER　　　　　　　　(Sum.59)

文章编号:　1005-6548(2002)02-0099-06

燃料电池的历史和现状

孟黎清1

(11山西大学工程学院,山西太原　030013)

Ξ

TheHistoryandStatusofFuelCell

MENGLi2qing1

(11EngineeringCollegeofShanxi,　摘　要:　简述了燃料电池的发展历史和工作原理,,关键词:　;中图分类号:　TM911.4　　文献标识码:　AAbstract:　Thedevelopmenthistoryandtheprinci2pleandcharacteroffuelcellsarereviewed.Thevirtuesanddisadvantagesamongeachtypeoffuelcellsarecompared.Anoutlineoftheprospectsofvar2iouskindsoffuelcellsispresented.

KeyWords:　newpowersource;fuelcell;powergeneration

应用已取得了重大的进展。

1　燃料电池的发展历史

燃料电池在大规模产业化之前,已经有很长的发展历史。1839年WillianGrove(格罗夫)发明了第一个燃料电池,是把封有铂电极的玻璃管浸在稀硫酸中,先由电解产生氢和氧,接着连接外部负载,这样氢和氧就发生电池反应,产生电流[1]。格罗夫清楚地认识到燃料电池的工作行为只能发生在反应气体、电解液和导电电极催化剂铂箔相互接触的三相反应区[2],并指出,强化在气体、电解液与电极

引　言

以燃煤为主的传统能源是引起全球变暖的主要原因,而使用核能又会产生核废料,这就促使人们去寻找更加理想的替代能源。除水力发电外,燃料电池就是一种很有吸引力的选择,它能产生满足生态环境要求的清洁、高效的电力,与汽轮机相比,是一种更好的能源转换装置。自1839年第一个燃料电池问世以来,因许多技术上的困难,其发展和商业化使用一直受到限制。直到20世纪60年代,由于在太空计划中的成功应用,使燃料电池技术得

Ξ收稿日期:　2001-12-05

三者之间的相互作用是提高电池性能的关键。如今,如何制取尽可能扩展的三相反应区的电极仍是

[4]

燃料电池研制的主要课题[3]、。格罗夫当时就预

见到,如果氢气可以被煤、木材和其他易燃材料所替代,燃料电池就可以作为一种商业化的电源。

1896年,W.W.Jacques描绘了直接用当时的主

要燃料———煤作燃料的燃料电池(DCFD)。他的想法引起了公众的极大关注。但由于无法解决炭对电解质的污染,DCFD没有取得满意的效果,最终被放弃。1897

年,W.Nernst(能斯特)发现了“能斯特

　　　作者简介:　孟黎清(1974-),女,河北邯郸市人,山西大学工程学院建筑系助教,从事力学、材料科学教学与研究。

物质”———氧化钇稳定氧化锆(85%ZrO2—15%Y2O3)。1900年,他用“能斯特物质”作为电解质,

Ni-ZrO2金属陶瓷作阳极和电子电导氧化物作阴

极代替了昂贵的铂。

制作了一个固体氧化物燃料电池(SOFC)。

1900年早期,熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)

2　燃料电池的分类

按照所用电解质的不同,可将燃料电池分为五大类:

1)　碱质型燃料电池(AFC);

2)　固体聚合物燃料电池(SPFC)或称质子交

诞生在德国E.Baur研究小组。1910年,Baur的学)作为电解质生I.Taitelbaum在熔融NaOH(380℃

的燃料电池中加入多孔的MgO隔膜[2]。在50年代早期J.A.A.Letelaar和G.H.J.Broers用覆盖金属网的金属粉末薄层作电极,银作阴极(O2,CO2),镍作阳极(燃料),包含Li2-K2CO3或Li2-Na2-K2CO3组成的低共溶体盐电解质的多孔烧结MgO

换膜燃料电池(PEMFC);

3)　磷酸型燃料电池(PAFC);4)　熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC);5)　固体氧化物燃料电池()。

电解质基板,带孔的不锈钢基板作为支撑物。第一个加压MCFC在80年代早期运行。

1902年J.H.Reid和21(()℃或220℃工作。KOH溶液作电解质,双层孔径的烧结镍作阳极,掺锂的氧化镍作阴极。如用30%KOH溶液作电解质,在200℃和45个大气压

30年代末,F.T.Bacon(培根)的AFC研究工作方为燃料电池创立了

下,可获得在800mA/cm2的电流密度下0.78V的电池电压。

AFC中的电池反应:

声名,并在60年代早期第一个应用于太空计划[2]。其改进后被作为阿波罗登月计划的宇宙飞船用电池。Bacon电池使燃料电池由实验走向实用,具有里程碑意义[4]。

1906和1907年,F.Haber等人研究了H2-O2

阳极(负极):H2+2OH-?2H2O+2e-阴极(正极):0.5O2+H2O+2e-?2OH-总反应:H2+0.5O2?H2O+直流电+热量在电解液中,在阳极OH-离子失去电子,产生水,水分子迁移到阴极稀释了电解液降低了电池的电导率,因此使电池的性能退化。对这个问题,有两种解决方法:一是循环电解液,这样水被蒸发,热量也散失。另一种是循环氢气,可将水蒸气带走。改进AFC的主要挑战是从两电极处的气流中将CO2完全除去,通常的方法是将含有CO2的气体燃

燃料电池可逆电动势的热力学。他们用一个两面覆盖铂或金的薄玻璃圆片作为电解质,并与供应气体的管子连接,被认为是固体聚合物燃料电池(SPFC)的原型[2]。第一个SPFC是60年代由美国

通用电气公司(GE)为NASA开发出来的。

SOFC的理论解释由能斯特的学生W.Schot2tky于1935年发表。受Schottky的工作启发,E.Baur和H.Preis于1937年制造出第一个实用性的SOFC。它是用氢气和氧气为反应物,包括炭的阳

料通过热的可逆溶剂RNH2,它与CO2生成水,应用这项技术,CO2的浓度第一次通过后就可降到50×10-6体积分数。通常通过两次以上就足以使CO2的浓度降到AFC可以承受的限度。

极,FeO的阴极“,Nernst物质”的电解质,在1050℃下工作。这个电池产生了1mA/cm2的电流密度和650mV的电压。1962年,J.Weissbart和R.J.Ruka报道了他们用Ca稳定ZrO2的电解质,Archer

212　固体聚合物燃料电池(SPFC)

固体聚合物燃料电池(SPFC)在25～120℃工作。就设计和运行来说,SPFC是最精致的燃料电池。历史上SPFC有许多称谓,包括离子交换膜(IEM),固体

等首次在1965年展示了采用此种电解质,用烧结铂作电极的100W的电池组SOFC发电机。后来,

聚合物电解质(SPE)和质子交换膜(PEM)。所有这些名字都说明了用一个固体聚合物作为电解质的事实。SPDC中的电化学反应如下:

阳极:H2?2H++2e-阴极:0.5O2+2H++2e-?H2O

总电池反应:H2+0.5O2?H2O+直流电+热量在电池里,氢离子H+(质子)在电解质中传导电子。从目前的技术水平看,最好的电解质材料是高氟磺酸型质子交换膜。用于燃料电池的理想的聚合物具有如下的特性:①高抗氧化性;②高质子电导率;③高化学稳定性;④高机械强度和低的密度。这些聚合物是被完全氟化的,有与聚四氟乙烯相似的主干结构。

体和铂催化剂之间有最大的接触,而又使气体不能通过电解液。

综上所述,PAFC的主要特征如下:①可以在CO2

气体下工作;②工作温度200℃时,可以经受1%～2%的CO;③可以有效地利用电池堆的余热。

利用余热的能力使得PAFC比AFC和SPFC具有更高的整体能量效率。

214　熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)

典型的MCFC是在1至10个大气压、大约650℃下工作。目前电池材料以多孔Ni作阳极,多孔Li掺杂的NiO作阴极,熔融的碳酸盐(62%Li2CO3-%K23),2和CO的混合

,22H2和CO2MCFC工作。MCFC的电化学反应如下:

-阳极:H2+CO2?H2O+CO2+2e-,3

-CO+CO2?2CO2+2e-3

-阴极:0.5O2+CO2+2e-?CO23

213　,SPFC的电池一样。

PAFC以磷酸作为电解液,耐CO2,所用的磷酸

成分凝固点在42℃,盛在SiC制成的多孔基体中。磷酸在外界温度<>

磷酸作为电解质优于其它酸,因为:①高温下可工作;②耐CO2;③低气压;④高深解氧性;⑤高温下良好的离子导电率(无电子电导率);⑥高温下)。低的腐蚀率;⑦与电极的大的接触角(>90℃

总反应:0.5O2+H2?H2O+直流电+热量,

CO+0.5O2?CO2+直流电+热量

熔融的碳酸盐有很强的腐蚀性。为使腐蚀性降低到最小程度,将熔融碳酸盐吸附于LiAlO2基板中,由于毛细管作用熔融碳酸盐保存在这种陶瓷瓦片中。在工作温度下,碳酸盐与LiAlO2基板是糊状的,其在电池四周形成了气体密封(湿密封)。在湿密封区,特别是阳极一边,易受到来自熔融碳酸盐的腐蚀。由于在气压减小的状况下工作,阳极比阴极具有更负的电位,因此阳极材料多孔Ni的结构是电化学稳定的。阴极材料NiO在碳酸盐中有轻微的溶解,其溶解物在电解质中扩散并移动到Ni阳极。由于相对负电位,从NiO中溶解的Ni将

在PAFC内部,磷酸在聚四氟乙烯(PTFE)粘结SiC粉末构成的基体中,由于毛细管力,磷酸饱浸在多孔基体的孔中。为降低电池内阻,SiC基体厚度在0.1～0.2mm.对基体材料的要求是:①对酸有较高的吸附力;②绝缘体;③隔绝反应气体;④高的热导率;⑤高温化学稳定性;⑥机械强度高。

考虑电池的成本,用重整气体代替纯的氢气更加经济,但其中杂质对电池有消极的影响。为了提高电池性能,电极由憎水剂(如PTFE)处理过的多孔碳基底为支撑层和PTFE粘合的铂催化层组成。电极的特性影响气体在电解液中的扩散,所以电极材料必须是多孔的,而且孔隙要非常细。使反应气

电解淀积到电解质基板上,产生电子电导和因此发生电池的短路,降低电池的寿命。CO2的分压和电解质的碱性影响NiO的溶解,其反为:NiO+CO2?

-Ni2++CO2为了解决此问题,正在开发替代NiO3。

的阴极材料,另一途径是从电解质的成分着手。

如同PAFC,MCFC除了能发电,还能生产高品

　　　　　　　　　　　　　　　　　　2002年电　力　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　102

位热。能从MCFC产生的余热的温度远高于PAFC,因此MCFC有更高的能量转换效率。

性高;②电子电导性好;③高温和还原环境下稳定;④与其他电池组分的热匹配;⑤使燃料气体容易渗透和移动的透气性;⑥抗硫污染和抗氢气、一氧化碳气体。

目前采用的阳极材料是Ni-ZrO2金属陶瓷。在金属陶瓷中掺入ZrO2起一个多孔支撑的作用和抑制高温工作条件下Ni金属粒子的烧结,同时它还增加了燃料气体(H2、CO)氧化反应的有效表面积。金属陶瓷的电性能强烈依赖着Ni的含量和粒径。理想Ni含量为35%(体积比),既可以保证所需的电子电导,又可以将热膨胀系数不匹配现象降①高氧离子②;③高温稳定性;④与电极材料的热匹配;⑤高致密,防止燃料气体传输至阳极。

从Nernst时代起到现在,Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)一直是SOFC和其他许多电化学装置首选的

215　固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池(SOFC)是全固体装置,工作温度在600～1000℃。与其他类型的燃料电池的化学反应发生在气液固三相区不同,SOFC的电化学反应是发生在气固两相区,不存在电解质的腐蚀问题。两个多孔陶瓷电极被致密的氧离子导体的陶瓷电解质分开。在阳极,燃料气体(H2、CO)进入阳极与氧离子反应生成水并释放出电子进入外电路。在阴极空气中的氧气从外电路接受电子形成氧离子。电子从阳极经外电路输送到阴极,从而产生直流电[5]。SOFC中的电化学反应如下:

阳极:H2+O2-?H2O+-,

(O2e-(2-2+CO28e-);

阴极:0.5O2+2e-?O2-;全电池反应:

0.5O2+H2?H2O+直流电+热量,(CO+0.5O2?CO2+直流电+热量),(CH4+2O2?2H2O+CO2+直流电+热量)。

电解质材料,因为它具有高的氧离子电导率和在氧化和还原气氛下,令人满意的稳定性。YSZ的离子迁移数(离子电导率与总电导率之比)接近于1,而且它可以烧结到很高的密度而防止渗气。所以YSZ是SOFC的电解质的很好选择。YSZ唯一的

引人注意的是SOFC可以用多种燃料工作(如H2、CO、CH4)。根据电解质是氧离子导体还是质子(H+)导体,将SOFC分为两类。这两类电池的主

不足是在低温下,其电导率降低,因此为获得足够的电导率,YSZ的SOFC要在大约1000℃工作。在这样高的工作温度下,SOFC的各个组成部分的热学和化学稳定性是一个很大的问题。

要区别在于燃料电化学反应过程中生成水的区域相异,质子导体燃料电池在阴极侧生成水,而氧离子导体燃料电池在阳极侧生成水[5]。一般只考虑固体氧离子导体作为电解质[5]。

SOFC的阴极材料,必须满足许多特定的要求,

3　各种燃料电池的比较和应用展望

对AFC的研究相对较早、较全面。美国NASA的阿波罗登月飞船、航天飞机和空间轨道站的动力电源均为AFC,

这些电池的运行寿命均已达数千小时。还有用于潜水探察艇、深海潜水救助艇的AFC系统。目前的研究方向是电站型和地面交通器动力电源方面,1959年Allis-Chalmers公司研制出过燃料电池拖拉机;美国联碳公司(UCC)与通用汽车公司合作研制出了32kW碱性氢氧燃料电池,电池工作温度为338℃,但都因其昂贵的费用而无法商

其标准是:①高的电催化还原活性;②高电子电导率;③高温和氧化环境下稳定;④要与其他电池组成热匹配;⑤保证氧气充分传输的透气性。因此,其材料的选择余地是很小的[4]。Pt是最适合的金属电极材料(阳极和阴极),Pt在氧化和还原环境下都很稳定,Pt的热膨胀系数与YSZ电解质的热膨

[5]胀系数接近[1]、,但Pt很贵。

作为SOFC阳极材料的标准是:①催化氧化活

业化。对AFC最主要的挑战是抗CO2性差,甚至空气中的CO2(体积分数大约为350×10-6)也足以使电解质碳化,在孔状电极上沉积下来。为了保持电池的性能,就必须从气流中将CO2除去。由于低耐CO2性和耗费大量的铂电极使AFC非常昂贵。

与AFC相比,固体氧化物燃料电池(SOFC)对CO2不敏感,但对CO敏感,CO能使该电池中毒,降

主要研究目标。技术成熟的100kW级、电极面积1m2的加压外重整MCFC火力发电厂,以天然气

为燃料,热电效率>45%,运行寿命>5000h.1997年由Ballard公司与美国能源公司(ERC)共同

建设了MCFC的250kW的电站。

1965年美国的“双子星座”飞船上安装了质子

交换膜燃料电池(PEMFC)作为电源系统,进行了数天的飞行试验,效果良好。由于采用聚苯乙烯磺酸型离子交换膜作电解质,电池的寿命与性能受到了一定的限制。早期的PEMFC的发展一直受着昂贵的必需结构材料和高的Pt。直到2080,,同时膜电极,,为,因此PEMFC重现了活力,一些新的用途也陆续得到了开发。1981年,美国GE公司开展研制交通运输器具的动力电源,这项研究使PEMFC的发展向前大大地迈进了一步,从这以后,世界各国都争相去研究高性能、长寿命适合交通器具用的PEMFC.1993年,加拿大Bal2lard公司首次推出了PEMFC作为动力电源的大型

低其性能。SOFC也需要大量铂以促进电池的反应,这就限制了它的广泛应用。为了保持电池的性能,SOFC须在高温下工作,所以特别需要考虑的是长期保持热学—力学—化学的稳定。如果能降低工作温度,就需要寻找比传统YSZ有更高离子电导率的材料。目前正在研究的中温电解质镓酸镧———LaGaO31962,SOFC,SOFC的发展奠定

了基础。20世纪80年代中后期,它开始向研究大功率SOFC电池堆发展。并于1987年,在日本东京、大阪煤气公司各安装了3kW级列管式SOFC发电机组,成功连续运行了5000h,标志着SOFC研究从实验研究向商业的发展。90年代该公司开始开发高转化率、2MW级的SOFC发电机组。

磷酸型燃料电池(PAFC)在大电站方面发展较快,60年代末美国研制出了40kW级热电联产型现场式PAFC发电装置,1984年实现了大功率PAFC电站性能的4.5MW输出功率装置运行试

公共客车。预计这种电池到2004年正式实现商业化生产。世界知名汽车制造商也都参加了燃料电池车辆的研制,大大的促进了PEMFC的发展。因而未来十年,极有可能出现10万辆燃料电池汽车。除民用能源外,PEMFC在一些军事方面也有着重要的用途。德国Siemens公司一直在进行着潜艇动力电源的研究。经过近20年的发展,PEMFC已成为一种新型、有远大前途的燃料电池。

综上所述,AFC由于其高的铂载量及高的材料要求,使其只适用于太空及军事方面,而PAFC和PEMFC将是近期趋于商业化的两种燃料电池。燃

验,1991年美国的IFC、EPRI和DOE合作开发的11MW级PAFC发电装置,开始运行试验,现已并

网发电,为东京湾畔4000户家庭供电。虽然PAFC对CO的H2S敏感,但是通过产业界的努力,

仍在大型发电站方面有着很大的发展潜能。

20世纪50年代初,熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)由于其作为大规模民用发电装置的前景而

料电池整个系统运行的协调性将是解决其商业化的主要技术问题的一个重要方面。如何更有效地利用铂,如何更简便地提供燃料等是燃料电池商业化的主要技术问题。发展电动汽车是燃料电池商业化的突破口。日后努力方向主要是在成本上,即

引起了世界范围的重视。之后,MCFC的发展非常快,在电池材料、工艺、结构等方面都得到了很大的改进,到了80年代,它已被作为第二代地面燃料电池,而成为近期实现兆瓦级商品化燃料电池电厂的

通过发展更廉价的材料、提高单电池的能量值、大批量生产等措施去实现。参考文献:

[1]　郭公毅1燃料电池[M]1北京:能源出版社,19841[2]　FengZheng,PhaseStabilityandProcessingofSrsndMg

DopedLanthanumGallate,adissertationsubmittedforthedegreeofPh.D,UniversityofWashington:Materials

Science&EngineeringDepartment,20001

[3]　衣宝廉1燃料电池———高效、环境友好的发电方式

[M]1北京:化学工业出版社,20001

[4]　中国电工技术学会“电工高新技术丛书第一分册”

[M].北京:机械工业出版社,20001

[5]　林维明1燃料电池系统[M]1北京:化学工业出版社,

19961

[责任编辑:张　炜]

(上接第80页)鲁棒性。PID控制响应曲线。仿真结果说明,当控制对象参

3　仿真结果及结论分析

对仿真模型作R=1的阶跃变化,系统响应曲线如图6所示,其中曲线a为模糊控制响应曲线,曲线b为常规PID控制响应曲线。采样周期为5PD控制,,ku,过大时系统失稳

。

数变化时,常规PID控制系统调节效果变差,而模糊控制系统反映并不敏感,控制效果仍然很好。这

。

图7　调节对象参数改变后的仿真结果曲线

4　结束语

图5　常规PID

串级调节系统示意图

计算机仿真试验对实际控制有重要指导意义。由前模糊控制器的设计和仿真过程可见MATLAB的模糊逻辑工具箱及SIMULINK有如下特点:

a1可灵活地设计模糊控制器。在模糊逻辑工

具箱中能方便地修改输入输出的论域、模糊子集、隶属度函数、模糊控制规则、模糊决策方法及解模糊方案,然后仿真找到较佳的控制方案;

b1可直接计算出模糊控制表,供单片机进行实

图6　系统阶跃变化响应曲线

际控制时使用。而人工计算此表非常繁琐;

c1在SIMULINK环境下,可组成更复杂的控

当控制对象参数变化时,模糊控制与常规PID控制的效果又如何呢?我们在控制系统结构不变情况下,改变控制对象的参数如下;

G(s)=

(1+110.48s)3(1+55.07s)

制系统。如对象为时变行、非线性,控制器为模糊与PID的混合形式。

参考文献:

[1]　亢海伟,杨庆芬,王硕禾1基于MATLAB模糊逻辑工

然后再次进行仿真,这时仿真结果如图7所示。其中曲线a为模糊控制响应曲线,曲线b为常规

具箱的模糊控制系统仿真[J]1电子技术应用,20001

[责任编辑:张丽香]

范文四：燃料电池正极上氧气的存在形式

燃料电池中正极电极反应式的几种形式

燃料电池中,正极反应物为氧气,氧气分子(O 2)得电子,

转化为氧负离子(O 2-) ,氧负离子的存在形式是决定电极反应式 书写正误的关键。 氧负离子的存在形式与反应环境有关, 与电池 内电路中传导的阴离子有关。

一、有水环境(溶液中) : 氧气分子(O 2)得电子,转化为

氧负离子(O 2-) ,氧负离子不稳定,与水结合生成 OH -;电池内 电路中传导的阴离子是 OH -

如:碱性介质的燃料电池:正极电极反应式:O 2+4e-+2H2O=4OH-

二、无水环境(1)熔融碳酸盐中,氧气分子(O 2)得电子,

转化为 O 2-, 与 CO 2结合转化为 CO 32-, 电池内电路中传导的阴离 子是 CO 32-,如:

例 1. 有人设计出利用 CH 4和 O 2的反应,用铂电极在 KOH 溶液中构成原电池。电池的总反应类似于 CH 4在 O 2中燃 烧,则下列说法正确的是() ①每消耗 1mol CH4可以向外电路提供 8 mol e-②负极上 CH 4失去电子, 电极反应式 CH 4+10 OH― -8e -— CO 32― +7H2O ③负极上是 O 2获得电子, 电极反应式为 O 2+2 H2O +4e-— 4 OH― ④电池放电后,溶液 pH 不断升高 A .①② B .①③ C .①④ D .③④

A

(2) 固体陶瓷, 固体陶瓷多以传导 O 2-为主, 氧气分子得电子后,

以氧负离子 (O 2-) 形式存在, 电池内电路中传导的阴离子是 O 2-,

如:例 3、新型燃料电池,一极通入空气,另一极通入丁烷气体,电 解质是掺杂氧化钇(Y 2O 3)的氧化锆(ZrO 2)晶体,在熔融状态下能

传 导 O 2-。 下 列 对 该 燃 料 的 说 法 正 确 的 是 ( )

A. 在熔融电解质中, O 2-由负极移向正极

B. 电池的总反应是:2C 4H 10+13O 2=8CO 2+10H 2O

C. 通入空气的一极是负极,电极反应为:O 2+4e -=2O 2-

D. 通入丁烷的一极是正极,电极反应为:C 4H 10 +26 e-+13 O2-=

4 CO2 ↑+5 H2O

例 2. 一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率而备受

重视。现在用 Li 2CO 3和 K 2CO 3的熔融盐作电解质,

工作温度为 700℃的燃烧电池,一极通 CO 气体,另一

极通空气和 CO 2的混合气体,其电池总反应是

2CO+ O2=2 CO2。则下列说法不正确的是()

B A .负极的电极反应为 CO+ CO32― -2e -=2CO 2

B .正极的电极反应为 O 2+2H2O+4e-=4OH ―

C .电池工作时,熔融盐中 CO 32― 向负极移动

D .电池工作时,熔融盐中 CO 32― 的物质的量保持不变

范文五：运行参数对直接甲醇燃料电池动态响应的影响Ⅱ．电池温度，氧气压力和流量

运行参数对直接甲醇燃料电池动态响应的

影响?(电池温度，氧气压力和流量

电源技术研究与设计一t,,,,,|/.一.v一

运行参数对直接甲醇燃料电池动态响应的影响

II.电池温度,氧气压力和流量

汪茂海,郭航,马重芳

(北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室

传热与能源利用北京市重点实验室,北京l00022)

摘要:在不同负载下,实验研究了电池温度,阴极侧压力及氧气流量对液相进料直

接甲醇燃料电池动态响应的影响.实验

结果表明:在本文的实验工况下,电池的响应电压值随着电池温度,氧气压力和流

量的提高而增加;在高电池温度,氧气

压力和流量下电池的响应更快而且更稳定.按定斜率加载电流时,温度,氧气压力

和流量对电池动态响应电压的影响很

小.电池内部传质和电化学反应的动态变化和相互作用是电池动态响应的关键. 关键词:直接甲醇燃料电池;动态响应;电池温度;压力;流量

中图分类号:TM9ll文献标识码:A文章编号:l002—087X(2005)06—0406—04

Theinfluenceofoperatingparametersonthedynamicresponseofa

directmethanolfuelcell

ILCelltemperature.oxygenpressureandflowrate WANGMao-hai.GUOHang.MAChong—fang

(EnhancedHeatTransferandEnergyConservationKeyLabofMinistryofEducation,HeatTr

ansferandEnergyConersionKeyLabofBeijing Municipality,CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeiiingUniversityofTec

hnology.Beiiin2l00022.China1

Abstract:Theeffectsofcelltemperature,cathodepressureandoxygenflowrateonthedynami

cresponseofaliquidfeeddirect

methanolfuelcellundervariableloadingcycleswereinvestigatedexperimentally.Thedatar

evealthatunderoperating

conditionsinthispaper,thecellhashigherrespondvoltage,fasterandmorestableresponseath

ighercelltemperature,cathode

pressureandoxygenflowrate.Theinfluenceofcelltemperature,cathodepressureandoxygenflowrateonthecellresponseis

lesssignificantundergradualloading.Thetransientbehaviorsandinteractionbetweenphysi

csandelectrochemicalprocesses

insidefuelcellsplaykeyrolesinthecelldynamicresponse. Keywords:directmethanolfuelcell;dynamicresponse;celltemperature;pressure;flowrate

前篇文章I1】研究了阳极甲醇溶液浓度的流量对直接甲醇燃

料电池的动态响应的影响.经过对实验数据的分析得到:电池

内部传质的动态变化及其与电化学反应的相互作用是电池动

态响应的关键.由于电池温度,氧气压力和流量对电池的传质

和化学反应同样有着重要的影II~[z31,因此.在前面研究的基础

氧气压力和流量对直接甲醇燃 上,本文实验研究了电池温度,

料电池动态性能的影响.

收稿日期:2004—08—17

基金项目:同家自然科学基金项目(50236010,50406010.

50028605),中德科学促进巾心项目【GZ207(101/7)】.北京工业大学博

士科研启动基金项目(52005014200401)和青年基金项目(JQ

0504200363)=

作者简介:汗茂海(1978--).男.江西省人.博士生.主要研究方向

为质子交换膜燃料电池一

Biography:WANGMao—hal(1978—1.male.candidateforPhD.

联系人:郭航

1实验

实验系统及实验电池见文献[1】.本文中作者在不同电池温

度,氧气流量和压力下应用按不同规律动态变化的电流,实验

考察了电池温度,氧气流量和压力对直接甲醇燃料电池动态响 应的影响.

2结果与分析

2.1电池温度的影响

图l,图2和罔3所示为不同的负载循环下电池温度对电 池动态性能的影响考察的电池温度值有:60?,70?,80?: 图l和图3中的放电电流设定为lA.2A和5A:除电池温度 外,其它的运行参数都保持不变:甲醇溶液浓度1.0mol/L,反 应物进口温度70?,甲醇溶液流量10mL/min,氧气流量700 mL/min,出口常压一各图中共同的现象是加载时电池的响应电 乐随工作温度升高l而提升,原闪是提高电池温度能增强催化

电源技术研究与设计

剂的活性【41,强化反应物在电池内部的传递【5j,提高质子交换膜 的传导率等.

图l瞬间加载/卸载时电池温度对电池动态响应的影响 Fig.1Theeffectofcelltemperatureollthecellvoltageresponse

underconstantpulsedloadconditions 图2持续加载/瞬间卸载时电池温度对电池动态响应的影庳 Fig.2Theeffectofcelltemperatureonthecellvoltageresponse

undergradualloadingfollowedbyasuddenunloading

图1所示为瞬间加载/卸载时,不同电池温度下电池电 压信号对电流变化的动态响应.从图中可以看出,高温时电池 的响应更快也更稳定,除了提高温度能提升催化剂活性外.主 要原因是增加电池温度会加快电池内部的物质传递,从而缩 短了电化学反应和传质过程问达到平衡的时间

图2为持续加载/瞬间卸载时电池温度对电池电压动态 响应的影响.负载循环中同时考虑了三种不同的加载斜率: 0.5A/s,0.2A/s,0.1A/s=如图所示,按一定斜率加载电流时,电

压开始下降很快,然后会忽然堑漫,这个转折对应于极化曲线 'ff咿‰

中活化极化向欧姆极化区的转变.电压以较小斜率下降过程 中,各个浓度下电池电压的响应值间的差距随着电流的增大 而增大.同时,这个差距还会随着加载斜率的减小而增大.原 因是大斜率(0.5A/s)加载时,加载过程经历的时间较短,浓度 不同引起的传质上的差别来不及反映在响应电压上(电化学反 应比传质过程快得多),小斜率加载则为反映传质上的差别提 供了更多的时间.

图3表示的是持续加载后定电流工作时不同电池温度下 的电池动态响应.负载中加载斜率有种:0,5A/s,0.2A/s和 0.1A/s.持续加载到5A后定电流运行60s,重新加载前的开 路时间设定为20s.定斜率加载过程中电压下降的规律和图2 中一样.很明显的一点是,定电流工作(5A)时各个电池温度对 应的响应电压值之间的差距要大于持续加载过程.原因是由 于化学过程比物理过程快,那么在电流连续变化的情况下,电 O?7

O?6

O?5

o.4

O?3

O?2

O.1

O.0

02004006008001000

t|s

图3持续加载后定lU流I:if-时电池温度时电池动态响应的影响 Fig_3Theeffectofcelltemperatureonthecelldynamicresponse

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池没有足够的时间在响应电压上反映出因温度不同造成的传 质差异.

2.2阴极侧压力的影响

不同负载变化时氧气压力对电池动态性能的影响如图

4,图5和图6所示.图中比较了氧气表压分别为0Pa,0.5x l0Pa和1.0x10sPa时的电池动态响应.其中图4和图5中 的负载循环和图l,图2一样.除了氧气压力外,其它反应参 数为:电池温度80?,甲醇溶液浓度1.0mol/L,反应物进口 温度70?,甲醇溶液流量10mL/min,氧气流量700mL/min. 从各图中可以看出,提升阴极压力有利于电池的动态响应,电 池的响应电压值随着压力的升高而增加,原因是增加阴极压 力能强化氧气向催化剂层的传递,减少甲醇窜流,增加氧气和 催化剂反应机会的同时,减小了窜流到阴极的甲醇和阴极催 化剂的反应机率【,】.

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研究与设计

图4瞬间加载/卸载时阴极压力对电池动态响应的影响

Fig.4Theeffectofcathodepressureonthecellvoltageresponse

underconstantpulsedloadconditions 图5持续加载/瞬间卸载时阴极压力对电池动态响应的影响 Fig.5TheeffectofcathodepressureonthecellvoltageIesp0nsc

underlloadingfollowedbyasuddenunloading

图4所示为瞬间加载/卸载时阴极压力对电池动态响

应的影响.由图可知,高的阴极压力时,电池电压对动态电流 变化的响应更快也更稳定,其中一个原因是提高阴极压力能 加快氧气在电池内的传递过程,从而促进了电池内部传递过 程与电化学过程的平衡.

图5表示的是持续加载/瞬间卸载时不同阴极压力下电

池的动态响应.从图中可以看出,持续加载时,阴极压力对电 池动态响应的影响很小,原因是化学过程比物理过程f传递, 积聚等)要快得多,那么在电流连续变化时,电池就没有足够 的时间在响应电压上反映出因阴极压力不同造成的传质上 的差别.不同压力下响应电压值间的间隔随着加载电流的增 加而略有加大,而且这个间隔随着加载斜率的减小而增大. 一,.一.‰—?

图6瞬间加载,定电流运行后持续卸载时阴极压力对电池动态响 应的影响

Fig.6Theeffectofcathodepress~eonthecelldynamicresponse

underasuddenloading~llowedbyconstantloadingandgradual

unloading

原因是电流的增加和斜率的减小都意味着电池有更多的时间 来体现传质上的差异.

瞬间加载,定电流放电后持续卸载时阴极压力对电池动

态响应的影响如图6所示.定电流(5A)工作后的卸载斜率设 定了三种:0.5A/s,0.2A/s和0.1A/s,重新加载前的开路时间 是20S.由图可以看到,定电流运行时不同压力对应的响应电 压间的差距明显大于按一定斜率卸载的过程.原因仍然是电 流连续变化时,电池内传质的变化跟不上化学反应的变化卸 载过程中电压的响应规律与图5中持续加载过程一样.

2.3氧气流量的影响

图7,图8和图9所示为不同加载波形下氧气流量对电

池动态特性的影响.考察的氧气流量有1000mL/min,700 图7瞬间加载/卸载时氧气流量对电池动态响应的影响

Fig.7TheeffectofoxygenflowrateOilthecellvoltagel'esponso

underconstantp~sedloadconditions

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研究与设计

图8持续加载/瞬间卸载时氧气流量对电池动态响应的影响 Fig.8Theeffectofoxygenflowrateonthecellvoltageresponse

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图9负载"梯形"变化时氧气流量对电池动态响应的影响 Fig.9Theinfluenceofoxygenflowrateonthecellvoltageresponse

undertrapezium?likeloadconditions

mlJmin和400mL/min.其中图7和图9中的加载循环和图1, 图2一样.除了氧气流量外,其它的反应参数保持不变:电池 温度80?,甲醇溶液浓度1.0mol/L,反应物进口温度70?, 甲醇溶液流量10mL/min,出口常压.各图中的一个共同点 是,响应电压值随着氧气流量的增加而提高.原因是提高氧气 流量能增强氧气向催化剂层的传递,加速阴极流道内水的排 出f21.

图7所示为瞬间加载,卸载时氧气流量对电池动态响应 的影响.如图所示,高的氧气流量时,电池的响应更快,更稳 抽t,w",I/.wtjv

定.原因是氧气流量的提高能加速氧气在电池内部的传递过 程,从而加速了化学过程和传质过程间的平衡

图8表示的是持续加载时不同氧气流量下电池电压对变 化负载的动态响应.从图中可以看,持续加载过程中,氧气 流量对电池动态响应的影响很小,原因是化学过程比物理过 程(传递,积聚等)要快得多,那么在电流连续变化时,电池就没 有足够的时间在响应电压上反映出因氧气流量不同造成的传 质上的差别.不同氧气流量对应的响应电压值问的差距随着 加载斜率的减小而略有增大.原因是减小斜率相当于增加了 加载时间,这样电池用来形成因氧气流量不同造成传质上的 差异的时间就更多.

图9说明了"梯形"负载时氧气流量对电池动态响应的

影响.图中加载和卸载的斜率都是0,lMs,定电流工作时间为

60S,加载前开路时间是20S.持续加载过程中电压的响应规

律和图8所述一致.定电流(5A)I作时不同氧气流量对应的

响应电压值问的问隔明显大于定斜率加载或卸载过程,原因

是定电流工作时,电池有足够的时间来反映因氧气流量不同

而造成的响应电压的不同.

3结论

本文实验研究了电池温度,氧气流量和压力对直接甲醇

燃料电池动态特性的影响,实验结果表明:(I)提高电池温度

能提升电池的响应电压,并使电池的响应更快和更稳定;f2) 电池的响应电压随着氧气压力和流量的提高而升高,而且高

的氧气压力和流量能给出更快和更稳定的电池响应;(3)按一

定斜率加载电流时,电池温度,氧气压力和流量对电池电压的

响应影响很小.电池内部传质的动态变化及与电化学反应的

相互作用是电池动态响应的关键:

'

参考文献:

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