燃料电池及其应用 页码，1/9 燃料电池及其应用 邱爽指导教师张常群 摘要：内容包括：燃料电池的概念：各种燃料电池的工作原理：燃料电池的物理化学原理：燃 料电池的历史、优缺点、特点及分类；几种燃料电池的综述：燃料的来源与资源评估：国内外燃料 电池的研究现状与发展现状：燃料电池的应用与新技术：关于燃料电池的最新科技动态等。 现在国内外电动气车的蓄电池主要有铅蓄电池、锌空气电池、银锌蓄电池、燃料电池等数种 其中燃料电池是近年来才出现的新事物，被许多人认为是一个发展方向，因为它功率密度高、工作 密度低、起动性能好、运动部件少、安全可靠、污染少、噪音低等多项优点。 (一)燃料电池的概念 燃料电池是一种把贮存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转化为电能的能量转 换装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂 在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作 燃料电池与 规电池不同在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂通过电化学反应生成水，并 释放出电能：只要保持燃料供应，电池就会不断工作提供电能。 (二)各种燃料电池的工作原理 燃料电池是怎样产生电的呢？首先从电解水谈起。电解水可将水分解为氢和氧，这是一般的化 学知识。而燃料电池将这个过程反过来做，把氢和氧这两种气体合成水分，并且将由此产生的能量 直接转换成电流。在这个过程中，这两种气体不能直接接触，要用一层电解质将它们隔开。电解质 是由经过镀铂处理的高分子箔片组成，并只允许两气体之一以带电方式即离子形式通过电解质层， 当离子为氢离子（质子），它的每一个质子留下一个申子，这样在申解质的氢气一侧形成正电荷 从而形成一定的电压 有电压就有电流。 因此燃料电池就产生电能】 (三)燃料电池所涉及的物理化学原理 以氢氧燃料电池为例。把氢气通入阳极处，根据表面化学的知识，加催化剂的多孔石墨可以增 大电极的表面积。催化剂多为含过渡元素的化合物。例如，N、P对氢气有较好的吸附能力，每有 2mol氢气被氧化，就同时有4mol电子放出，电子通过导线移动到阴极处，在阴极上的大最氧气就得 到了电子，每有1mol氧气被还原，就同时有4mol电子被吸收。因此，总过程是氢气不断被氧化的同 时，氧气不断被还原。然而，此过程中，OH(aq)因受吸引不断向阳极聚集，Kt(aq)则向阴极聚集。 根据电池总反应，氢气和氧气的最终产物是水。 燃料电池的一个显著特点是不受卡诺循环的限制。能量转换铰缟。燃料电池的理论效率为： =1 燃料电池的理论能量转换效率可达80%~100%。实际应用中，由于阴、阳极极化和浓差极化的 存在和电解质的欧姆降以及热损失等，燃料电池的能量转换效率刀为： △H 下降为40%~60%，但仍较内燃机的能量转换效率高10%~20%。 (四)燃料电池的发展历史和优、缺点 1。燃料由池的发展历中 燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。自1839年G.R.Grove建造世界 fi】 //E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 邱爽 指导教师 张常群 摘要: 内容包括：燃料电池的概念：各种燃料电池的工作原理；燃料电池的物理化学原理；燃 料电池的历史、优缺点、特点及分类；几种燃料电池的综述；燃料的来源与资源评估；国内外燃料 电池的研究现状与发展现状；燃料电池的应用与新技术；关于燃料电池的最新科技动态等。 现在国内外电动气车的蓄电池主要有铅蓄电池、锌-空气电池、银锌蓄电池、燃料电池等数种， 其中燃料电池是近年来才出现的新事物，被许多人认为是一个发展方向，因为它功率密度高、工作 密度低、起动性能好、运动部件少、安全可靠、污染少、噪音低等多项优点。 （一）燃料电池的概念 燃料电池是一种把贮存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转化为电能的能量转 换装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂 在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作。燃料电池与常 规电池不同在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂通过电化学反应生成水，并 释放出电能；只要保持燃料供应，电池就会不断工作提供电能。 （二）各种燃料电池的工作原理 燃料电池是怎样产生电的呢？首先从电解水谈起。电解水可将水分解为氢和氧，这是一般的化 学知识。而燃料电池将这个过程反过来做，把氢和氧这两种气体合成水分，并且将由此产生的能量 直接转换成电流。在这个过程中，这两种气体不能直接接触，要用一层电解质将它们隔开。电解质 是由经过镀铂处理的高分子箔片组成，并只允许两气体之一以带电方式即离子形式通过电解质层， 当离子为氢离子（质子），它的每一个质子留下一个电子，这样在电解质的氢气一侧形成正电荷， 从而形成一定的电压，有电压就有电流。因此燃料电池就产生电能。 （三）燃料电池所涉及的物理化学原理 以氢氧燃料电池为例。把氢气通入阳极处，根据表面化学的知识，加催化剂的多孔石墨可以增 大电极的表面积。催化剂多为含过渡元素的化合物。例如，Ni、Pd对氢气有较好的吸附能力，每有 2mol氢气被氧化，就同时有4mol电子放出，电子通过导线移动到阴极处，在阴极上的大量氧气就得 到了电子，每有1mol氧气被还原，就同时有4mol电子被吸收。因此，总过程是氢气不断被氧化的同 时，氧气不断被还原。然而，此过程中，OH-(aq)因受吸引不断向阳极聚集，K+(aq)则向阴极聚集。 根据电池总反应，氢气和氧气的最终产物是水。 燃料电池的一个显著特点是不受卡诺循环的限制。能量转换铰缟。燃料电池的理论效率为： 燃料电池的理论能量转换效率可达80%～100%。实际应用中，由于阴、阳极极化和浓差极化的 存在和电解质的欧姆降以及热损失等，燃料电池的能量转换效率 为： 下降为40%～60%，但仍较内燃机的能量转换效率高10%～20%。 （四）燃料电池的发展历史和优、缺点 1．燃料电池的发展历史 燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。自1839年G.R.Grove建造世界 H T S H G ∆ ∆ = − ∆ ∆ η = 1 η H E IR nF H nFV ∆ − − − = ∆ − = η+ η− η 燃料电池及其应用 页码，1/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，2/9 上第一个燃料电池以来，燃料电池以经历150余年的发展历史。然而，真正引起科学家广泛兴越 的是始于20世纪50年代Bacon型燃料电池的研究和进展。燃料电池的首次应用是在1960年作为宇宙 飞船的空间电源，此后燃料电池技术开始迅速发展。60~0年代集中研究航空、航天方面用的燃料 电池，80年代后期中点研究地面用的燃料电池。下表概括了不同历史时期燃料电池发展的里程碑。 燃料电池发展的里程碎 1839年 以氢气和氧气为原料，t丝为两电极的第一个燃料电池，这是燃料电池发展的 维形 1889年 Mond和Langer重复了创始人Grove的实验， 并引入燃料电池的概念，他们首汾 发现铂化的电极容易被燃料气中存在的CO所毒化。 1902~1904年 Reid在1902年和Lno在1904年首次用KOH溶液作为燃料电池的电解质，为碱性 燃料电池发展的雏形。 1939年 1939年研制了电解质为27%KOH的碱性燃料电池 工作温度为100℃， 气体压力为220bar,在0.89V获得的电流密度为13mA·cm' 1959年 Bacon发明了双孔烧结Ni汽体扩散电极，并演示5W的碱性燃料电池系统 1962年 美国通用电力公司发展了PEMFC技术，PEMFC和AFC燃料电池先后被成功地用 于双子星座和Apollo登月飞行 1967年 磷酸燃料电池(PAFC)问世，并获得优先发展 1977年 世界上第一个兆瓦级燃料电池(1 MWPAFC)在美国通过了测试，后来 4.5 MWPAFC工厂相纪又在美国和日本试验成功 1983年 重新开始PEMFC的研究 1991年 世界上最大容量的燃料电池发电厂，11MW的MCFC燃料电池在日本问世 1992年 开始研制直接甲PEMEC 1993年 世界上第 个以PEMFC作为动力电源的电动客车出现在加拿大的衔头，并进行 了展示。 2.燃料电池的优点 (1)不受卡诺循环限制，能量转换效率高： (2)洁净、无污染、噪声低： (3)模块结构、积木性强，比功率高。既可以集中供电，也适用分散供电： (4)高温燃料电池可实现热电联供。 3.燃料电池的缺点： 由于燃料电池结构复杂，生产成本最昂而无法推广。 (五)燃料电池的特点及分类 1.燃料电池的特点 (1)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40一60%：如果实 现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上， (2)环境友好一据国家氢能领域首席科学家、清华大学教授毛何有温室效应的化学物质，也 不会引起酸南和烟雾。如汽车使用燃料电池，利用氢和氧化学反应，它所产生的只是电、热和水蒸 气，唯一的副产品就是水， 真正达到排放零污染。水又是制氢气的原料，整个过程是循环和清 的。 (3)安静 一燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。 (4)氢能源可再生，用之不尽一燃料电池车的氢来源广泛，不仅可从城市煤气和天然气中得 到，也可通过太阳能、生物细黄分解农作物秸轩和有机废水中得到，最主要是从水中通过申解的 方法把氢元素从水中分解出来。氢燃料可再生和重复利用，不存在枯竭问题，海洋、湖泊、江河 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
上第一个燃料电池以来，燃料电池以经历150余年的发展历史。然而，真正引起科学家广泛兴趣 的是始于20世纪50年代Bacon型燃料电池的研究和进展。燃料电池的首次应用是在1960年作为宇宙 飞船的空间电源，此后燃料电池技术开始迅速发展。60～70年代集中研究航空、航天方面用的燃料 电池，80年代后期中点研究地面用的燃料电池。下表概括了不同历史时期燃料电池发展的里程碑。 燃料电池发展的里程碑 2．燃料电池的优点 （1）不受卡诺循环限制，能量转换效率高； （2）洁净、无污染、噪声低； （3）模块结构、积木性强，比功率高。既可以集中供电，也适用分散供电； （4）高温燃料电池可实现热电联供。 3．燃料电池的缺点： 由于燃料电池结构复杂，生产成本最昂而无法推广。 （五）燃料电池的特点及分类 1．燃料电池的特点 （1）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。 （2）环境友好——据国家氢能领域首席科学家、清华大学教授毛何有温室效应的化学物质，也 不会引起酸雨和烟雾。如汽车使用燃料电池，利用氢和氧化学反应，它所产生的只是电、热和水蒸 气，唯一的副产品就是水，真正达到排放零污染。水又是制氢气的原料，整个过程是循环和清洁 的。 （3）安静——燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。 （4）氢能源可再生，用之不尽——燃料电池车的氢来源广泛，不仅可从城市煤气和天然气中得 到，也可通过太阳能、生物细菌分解农作物秸秆和有机废水中得到，最主要是可从水中通过电解的 方法把氢元素从水中分解出来。氢燃料可再生和重复利用，不存在枯竭问题，海洋、湖泊、江河就 1839年 以氢气和氧气为原料，Pt丝为两电极的第一个燃料电池，这是燃料电池发展的 雏形。 1889年 Mond和Langer重复了创始人Grove的实验，并引入燃料电池的概念，他们首次 发现铂化的电极容易被燃料气中存在的CO所毒化。 1902～1904年 Reid在1902年和Lno在1904年首次用KOH溶液作为燃料电池的电解质，为碱性 燃料电池发展的雏形。 1939年 Bacon于1939年研制了电解质为27%KOH的碱性燃料电池，工作温度为100℃， 气体压力为220bar，在0.89V获得的电流密度为13mA·cm-2 1959年 Bacon发明了双孔烧结Ni气体扩散电极，并演示5kW的碱性燃料电池系统 1962年 美国通用电力公司发展了PEMFC技术，PEMFC和AFC燃料电池先后被成功地用 于双子星座和Apollo登月飞行。 1967年 磷酸燃料电池（PAFC）问世，并获得优先发展 1977年 世 界 上 第 一 个 兆 瓦 级 燃 料 电 池（1MWPAFC）在 美 国 通 过 了 测 试，后 来 4.5MWPAFC工厂相纪又在美国和日本试验成功。 1983年 重新开始PEMFC的研究 1991年 世界上最大容量的燃料电池发电厂，11MW的MCFC燃料电池在日本问世 1992年 开始研制直接甲醇PEMFC 1993年 世界上第一个以PEMFC作为动力电源的电动客车出现在加拿大的街头，并进行 了展示。 燃料电池及其应用 页码，2/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，3/9 是我们的“氢矿” (5)氢燃料电池车安全 氢燃料车比汽油车安全得多。即使在失火的情况下也便于逃生。汽 油车发生事故或遇火，油箱会发生爆炸，油产生的热和毒气都会致命。而氢燃料车在猛烈的撞击 下，甚至储氢罐破裂都不会引起大火，在可逃生时不会被大火烧伤。即使氢气采用压缩储存，也只 是易燃。如果撞击后氢燃料外溢没有着火 它会蒸发到空气中，不产生污染 但它绝不会爆炸，因 为氧气只有与氧气或空气在密闭的空间里（如一个容器里）混合后才会引起爆炸。 (6)携带氢燃料三种方式 一燃料电池车携带氢气有三种方式，即压缩后存储在高压容器中： 液化后存储在绝热容器中：与某些金属及合金化合后以固体氢化物方式存储。最后一种储存方法， 金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样，储氢效率很高。目前，世界上三种储氢方法都有试 验样车。如迈阿密汽车使用压缩氢气，加到福尼亚公共汽车使用氢化物储存，德国的一些示范公共 汽车使用液氢。 2.燃料电池的分类 见下表。 工作 电池类型 燃料 特点 技术状态 度/C 及应用 碱性燃料电池 室温 纯氢 纯 能量转化效率高：高比功 高度发展，20世纪60年代己在 (AFC) -200 率：高比能量：但不适合 航天中成功应用，可作为特殊 在地面上应用。 地面应用 质子交换膜燃 室温 纯氢 可室温快速启动：无电 高度发展，适用于分散电站、 料电池 -100 净化 液流失：水易排出：寿命 电动车、潜艇推动、各种可移 (PEMFC) 整气 长，比计率与比能是高。 动电源、家庭动力源。已有电 动样车。需题降低成本，尽异 实现产业化。 直接甲醇燃料 室温CH,OH 来源丰富，价格低廉 正在开发。适宜为手机、笔 电EODMEC) -200 本电脑等供电。 碳移做料申池 100 重整气 建分敬申站运行可靠用 高度发展，适用于特殊需求、 (PAFC) 20 动时间长， 成 区域性分散电站。 高，余热利用价值低 缩融碳酸盐燃 600 净化 月有律立分做由站的用 适宜建区域性分散电站，正在 料电池 200 煤 势，余热利用价值高 进行现场实哈，需证长寿命】 (MCFC 才能有竞争力，实现商业化 天然 固体氧化物燃 800 净化煤 全固体结构，无使用液体 活宜建站大、中型电站、分数 料电池 电解质带来的腐蚀和电解 电站，电池结构选择开发廉价 (SOFC) 1000 天然 液流失问题。可望实现 寿 命运行 高工作温度 其技术难点。 (六)几种燃料电池的综述 1,氢氧型燃料电池 在字宙飞船上使用的是氢氧型燃料电池，在电池中充有浓KOH电解质，在电池工作过程中氢气 和氧气分别被导入阳极和阴极，发生的电极反应如下： i //E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
是我们的“氢矿”。 （5）氢燃料电池车安全——氢燃料车比汽油车安全得多。即使在失火的情况下也便于逃生。汽 油车发生事故或遇火，油箱会发生爆炸，油产生的热和毒气都会致命。而氢燃料车在猛烈的撞击 下，甚至储氢罐破裂都不会引起大火，在可逃生时不会被大火烧伤。即使氢气采用压缩储存，也只 是易燃。如果撞击后氢燃料外溢没有着火，它会蒸发到空气中，不产生污染。但它绝不会爆炸，因 为氢气只有与氧气或空气在密闭的空间里（如一个容器里）混合后才会引起爆炸。 （6）携带氢燃料三种方式——燃料电池车携带氢气有三种方式，即压缩后存储在高压容器中； 液化后存储在绝热容器中；与某些金属及合金化合后以固体氢化物方式存储。最后一种储存方法， 金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样，储氢效率很高。目前，世界上三种储氢方法都有试 验样车。如迈阿密汽车使用压缩氢气，加到福尼亚公共汽车使用氢化物储存，德国的一些示范公共 汽车使用液氢。 2．燃料电池的分类 见下表。 （六）几种燃料电池的综述 1．氢-氧型燃料电池 在宇宙飞船上使用的是氢-氧型燃料电池，在电池中充有浓KOH电解质，在电池工作过程中氢气 和氧气分别被导入阳极和阴极，发生的电极反应如下： 电池类型 工作 温 度/℃ 燃料 氧 化 剂 特 点 技术状态 及应用 碱性燃料电池 (AFC) 室温 ～200 纯氢 纯 氧 能量转化效率高；高比功 率；高比能量；但不适合 在地面上应用。 高度发展，20世纪60年代已在 航天中成功应用，可作为特殊 地面应用。 质子交换膜燃 料电池 (PEMFC) 室温 ～100 纯氢 净化重 整气 氧 气 空 气 可室温快速启动；无电解 液流失；水易排出；寿命 长；比功率与比能量高。 高度发展，适用于分散电站、 电动车、潜艇推动、各种可移 动电源、家庭动力源。已有电 动样车，需要降低成本，尽早 实现产业化。 直接甲醇燃料 电池(DMFC) 室温 ～200 CH3OH 空 气 来源丰富，价格低廉 正在开发。适宜为手机、笔记 本电脑等供电。 磷酸燃料电池 (PAFC) 100 ～200 重整气 空 气 建分散电站运行可靠度 高，但启动时间长，成本 高，余热利用价值低。 高度发展，适用于特殊需求、 区域性分散电站。 熔融碳酸盐燃 料电池 (MCFC) 600 ～200 净化 煤气 重整气 天然气 空 气 具有建立分散电站的优 势，余热利用价值高。 适宜建区域性分散电站，正在 进行现场实验，需延长寿命， 才能有竞争力，实现商业化。 固体氧化物燃 料电池 (SOFC) 800 ～ 1000 净化煤 气 天然气 空 气 全固体结构，无使用液体 电解质带来的腐蚀和电解 液流失问题，可望实现长 寿命运行，高工作温度是 其技术难点。 适宜建造大、中型电站、分散 电站，电池结构选择开发廉价 制备技术。 燃料电池及其应用 页码，3/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，4/9 阴极（氧化反应）2H,(g+4OHr(aq)一4H,00+4e Ee=-0.83V 阴极（氧化反应）20，(g2H,0①+4e→40H(aq) E0=.+0.40V 总反应为：2H,(g+0,(g)→2H,0(g) E=+123V 电池符号为：(-)PH2KOHO,Pt(+) 电池在70~140℃下工作，产生额定电动势E=+0.9V,工作过程中产生的水蒸气被排出电池。燃 料电池剖示图如下图所示 氢氧型燃料电池的未来应用的一个可能性是从太阳捕获动力。利用现代发展的催化方法可以利 用太阳光将水分解为氢和氧，然后将它们用于燃料电池来产生电流。如下图所示：一座用于空间技 术的燃料电池。它的长度为25寸，重68磅，它用氢气和氧气来产生电流。每工作1千瓦小时，能产生 1品特纯的饮用水。 2 直接甲醇燃料电池 直接甲醇燃料电池是经由甲醇和氧的相关电极反应产生电流，发电所需的燃料为液甲醇和氧 (空气)。由于该类燃料电池摒弃了氢气，在某些应用领域具有明显的优势。同时由于DMFC结构 简单、操作方便，燃料来源丰富、价格便宜、便于携带与储存，近些年来倍受产业界的青睐。该电 池可用于笔记本电脑、摄像机、手机等小型民用可移动电源等，应用前景十分广阔 小分子尤其是甲醇 斗具有以下优点：(1)在常温常压下是液体 日时O门晋睡荔田玉买孙连 携 富，价格低廉：(4)无C一C键束缚电化学活性高。 甲醇燃料电池以质子交换膜或酸性电解液为电解质时的反应如下： 负极反应：CH,OH+H20一C02+6H+6 正极反应：6+3/202+6e→3H20 电池反应：CH,OH+320, =C02+2H,0 理论计算结果表明：直接甲醇燃料电池的电动势为：1.214V,能量转换效率可达96.68%。3 质子交换膜燃料电池 (1)工作原理 质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂碳铂钉碳为 电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的 金属板为双极板。图1为质 子交换膜燃料电池的工作原理示意图。其电极反应类同于其它酸性电解质 燃料电池。 图1质子交换膜燃料电池的工作原理示意图 (2)主要特点及应用 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
阴极（氧化反应）2H2(g)+4OH- (aq)→4H2O(l)+4e- =-0.83V 阴极（氧化反应）2O2(g)+2H2O (l) +4e- → 4OH-(aq) =-+0.40V 总反应为：2H2(g)+O2(g) → 2H2O(g) =+1.23V 电池符号为：（-）|Pt|H2|KOH|O2|Pt（+） 电池在70～140℃下工作，产生额定电动势E=+0.9V，工作过程中产生的水蒸气被排出电池。燃 料电池剖示图如下图所示： 氢-氧型燃料电池的未来应用的一个可能性是从太阳捕获动力。利用现代发展的催化方法可以利 用太阳光将水分解为氢和氧，然后将它们用于燃料电池来产生电流。如下图所示：一座用于空间技 术的燃料电池。它的长度为25寸，重68磅，它用氢气和氧气来产生电流。每工作1千瓦小时，能产生 1品特纯的饮用水。 2．直接甲醇燃料电池 直接甲醇燃料电池是经由甲醇和氧的相关电极反应产生电流，发电所需的燃料为液甲醇和氧气 （空气）。由于该类燃料电池摒弃了氢气，在某些应用领域具有明显的优势。同时由于DMFC结构 简单、操作方便，燃料来源丰富、价格便宜、便于携带与储存，近些年来倍受产业界的青睐。该电 池可用于笔记本电脑、摄像机、手机等小型民用可移动电源等，应用前景十分广阔。 有机小分子尤其是甲醇，作为燃料电池的燃料具有以下优点：（1）在常温常压下是液体，携带 和储存都很方便；（2）燃料氧化产生的最终产物是CO2和H2O，对环境污染极小；（3）来源丰 富，价格低廉；（4）无C—C键束缚电化学活性高。 甲醇燃料电池以质子交换膜或酸性电解液为电解质时的反应如下： 负极反应：CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- 正极反应：6H++3/2O2 +6e- → 3H2O 电池反应：CH3OH+3/2O2==== CO2+2H2O 理论计算结果表明：直接甲醇燃料电池的电动势为：1.214V，能量转换效率可达96.68%。3． 质子交换膜燃料电池 （1）工作原理 质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳铂-钌/碳为 电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的 金属板为双极板。图1为质子交换膜燃料电池的工作原理示意图。其电极反应类同于其它酸性电解质 燃料电池。 图1 质子交换膜燃料电池的工作原理示意图 （2）主要特点及应用 θE+ θE− Eθ 燃料电池及其应用 页码，4/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，5/9 质子交换膜燃料电池除具有燃料的一般特点外，同时其有可室温快速启动，电解液流失，水易 排出，寿命长，比功率与能量高等突出优点。因此，它不仅可用于建设分散电站，也特别适宜于用 作可移动动力源，是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源之一，是军民通用的一种新型可 移动动力源。 可作为水下机器人、潜艇不依赖空气推进的电源，也是利用氯碱厂副产物氢发电的最 佳候选电源 (3)技术状态 60年代，美国首先将质子交换膜燃料电池用于双子星座航天飞行。但该电池当时采用的是聚苯 乙烯磺酸膜，在电池工作过程中该膜发生了降解。膜的降解不但导致电池寿命的缩短，而且还污染 了电池的生成水 使宇航员无法饮用。其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氯磺酸膜 长了电池寿命，解决了电池生成水被污染的问题，并用小电池的生物卫星上进行了搭载实验。但在 美国航天收音机用电源的竞争中未能中标，让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池(ABC),造成质子 交换膜燃料电池的研究长时间内处于低谷。 1983年加拿大国防部资助巴拉德动力公司质子交换膜燃料电池的研究。在加拿大、美国等国科 学家的共同努力下，质子交换膜燃料电池取得了突破性进展。不但大幅度提高了电池性能，而且使 电极的铂担最降至低于0.5mgcm2,电池输出功率密度高达0.5~2W/cm2,电池组的重量比功率和体 积比功率分别达到700wkg和1000wM。 自1997年至2001年，国内外己经研制成功41种车用质子交换膜燃料电池。日本丰田与美国通用 公司、日本东艺公司与美国国际燃料电池公司、德国BMW公司与西门子公司、雷诺汽车公司与意大 利De Nor 公司分别组成联盟开发燃料电池电动车。本田已经投资数亿美元。 在燃料电池电动车的研发。其中，以加拿大的巴拉德 美国的福特 德国的戴姆勒克菜斯 物的联盟最具代表性。基于戴姆物-克莱甘斯勒的A级车，已经推出NECAR一NECAR5五代质子交换 膜燃料电池车。1999年开发的NECAR4被评为当年度世界杰出科技成果。 对于燃料电池A的研究开发，德国处于国际领先恤位。德国U209加转燃料电池发动机分段实 验成功。 证实燃料电池AP与斯特林发电机、 闭路循环柴油机相比，具有效率高 噪音小和红外辐 射低等优点。在携带相同燃料和氧化剂的情况下，燃料电池续航最大。具有发展成为潜艇单一型动 力的潜力。 在通讯移动电源领域，美国的摩托罗拉公司，日本的日立、东芝和索尼等大型电子公司都参与 燃料申池作为移动通讯申源的竞争开发，。其中美国易哈领的科学家和日立公司均研制出了几个月不 用充电的手机电池样本 从而显示了燃料电池在这一领域的巨大的应用潜力 但是，尽管质子交换膜燃料电池己经在电动车、潜艇和移动电源等领域里的研究开发取得了上 述进展。把这些技术实际应用投放市场还用很长的路要走。还有许多关键技术问题需要解决。 (4)我国技术现状 中国以中科院大连化学物理研究所为代表的科研技术人品，经过三十多年的科研和国家“力 五”科技攻关 在PEMFC系统技术上取得了长足的进展，初步形成了自主的知识产权体系。已成 地组装了百瓦至30kW的系列电池组系统，组装总量累计已超过120kW,其5水W与6×5kW=30kW系 统与中科院北京电工所研制的电控制的电控制及电推进动力系统成功地完成了联试，并已于2000年 底与二汽集团进行电动汽车装车实验，开创了围内以燃料电池为动力源的电动汽车的先例。燃料电 池推动电动中巴车的最快的时速达60公里，上路试车成功，这标志者中国的燃料电池整体科研水平 己具有世界先进水平】 “十五”期间，国家将大务发展燃料电池技 燃料电池 动汽车”将 为863重大专项，有关国防方面也将有重大课题提出。2002年初，“大功率质子交换膜燃料电池发动 机及氢源技术”被列为中科院科技创新战略行动计划的重大项目之一，中科院和科技部为这项21世 纪首选的洁净、高效发电技术投资逾1亿元。 在燃料电池的开发领域，中国在4年间走过了发达国家10多年的历程。拥有全世界164项专利中 的41项。我国燃料电池发展的近期目标是提高我国燃料电池电动车的国际地位和影响，实现我国汽 i //E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
质子交换膜燃料电池除具有燃料的一般特点外，同时具有可室温快速启动，电解液流失，水易 排出，寿命长，比功率与能量高等突出优点。因此，它不仅可用于建设分散电站，也特别适宜于用 作可移动动力源，是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源之一，是军民通用的一种新型可 移动动力源，可作为水下机器人、潜艇不依赖空气推进的电源，也是利用氯碱厂副产物氢发电的最 佳候选电源。 （3）技术状态 60年代，美国首先将质子交换膜燃料电池用于双子星座航天飞行。但该电池当时采用的是聚苯 乙烯磺酸膜，在电池工作过程中该膜发生了降解。膜的降解不但导致电池寿命的缩短，而且还污染 了电池的生成水，使宇航员无法饮用。其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸膜，延 长了电池寿命，解决了电池生成水被污染的问题，并用小电池的生物卫星上进行了搭载实验。但在 美国航天收音机用电源的竞争中未能中标，让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池（ABC），造成质子 交换膜燃料电池的研究长时间内处于低谷。 1983年加拿大国防部资助巴拉德动力公司质子交换膜燃料电池的研究。在加拿大、美国等国科 学家的共同努力下，质子交换膜燃料电池取得了突破性进展。不但大幅度提高了电池性能，而且使 电极的铂担量降至低于0.5mg/cm2，电池输出功率密度高达0.5～2W/cm2，电池组的重量比功率和体 积比功率分别达到700w/kg和1000w/l。 自1997年至2001年，国内外已经研制成功41种车用质子交换膜燃料电池。日本丰田与美国通用 公司、日本东芝公司与美国国际燃料电池公司、德国BMW公司与西门子公司、雷诺汽车公司与意大 利De Nora公司分别组成联盟开发燃料电池电动车。本田已经投资数亿美元。 在燃料电池电动车的研发。其中，以加拿大的巴拉德——美国的福特——德国的戴姆勒-克莱斯 勒的联盟最具代表性。基于戴姆勒-克莱甘斯勒的A级车，已经推出NECAR～NECAR5五代质子交换 膜燃料电池车。1999年开发的NECAR4被评为当年度世界杰出科技成果。 对于燃料电池AIP的研究开发，德国处于国际领先地位。德国U209加装燃料电池发动机分段实 验成功。证实燃料电池AIP与斯特林发电机、闭路循环柴油机相比，具有效率高、噪音小和红外辐 射低等优点。在携带相同燃料和氧化剂的情况下，燃料电池续航最大。具有发展成为潜艇单一型动 力的潜力。 在通讯移动电源领域，美国的摩托罗拉公司，日本的日立、东芝和索尼等大型电子公司都参与 燃料电池作为移动通讯电源的竞争开发。其中美国曼哈顿的科学家和日立公司均研制出了几个月不 用充电的手机电池样本。从而显示了燃料电池在这一领域的巨大的应用潜力。 但是，尽管质子交换膜燃料电池已经在电动车、潜艇和移动电源等领域里的研究开发取得了上 述进展。把这些技术实际应用投放市场还用很长的路要走。还有许多关键技术问题需要解决。 （4）我国技术现状 中国以中科院大连化学物理研究所为代表的科研技术人员，经过三十多年的科研和国家“九 五”科技攻关，在PEMFC系统技术上取得了长足的进展，初步形成了自主的知识产权体系。已成功 地组装了百瓦至30kW的系列电池组系统，组装总量累计已超过120kW，其5kW与6×5kW=30kW系 统与中科院北京电工所研制的电控制的电控制及电推进动力系统成功地完成了联试，并已于2000年 底与二汽集团进行电动汽车装车实验，开创了国内以燃料电池为动力源的电动汽车的先例。燃料电 池推动电动中巴车的最快的时速达60公里，上路试车成功，这标志着中国的燃料电池整体科研水平 已具有世界先进水平。“十五”期间，国家将大务发展燃料电池技术。“燃料电池电动汽车”将列 为863重大专项，有关国防方面也将有重大课题提出。2002年初，“大功率质子交换膜燃料电池发动 机及氢源技术”被列为中科院科技创新战略行动计划的重大项目之一，中科院和科技部为这项21世 纪首选的洁净、高效发电技术投资逾1亿元。 在燃料电池的开发领域，中国在4年间走过了发达国家10多年的历程。拥有全世界164项专利中 的41项。我国燃料电池发展的近期目标是提高我国燃料电池电动车的国际地位和影响，实现我国汽 燃料电池及其应用 页码，5/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，6/9 车工业跨越式发展：中期目标是提高能源利用效率，优化能源结构，维护国家能源安全，减少 环境污染：远期目标是迎接氢能时代的到来。 (十)燃料电池的来源与资源平估 从理论上讲，任何能发生申化学氧化还原反应的气体均可作为燃料申油的燃料或氧化剂。氢二 是燃料电池常用的燃料气。氧是燃料电池中常用的氧化剂 它能很方便地从空气中获取。在地球周 用单质氢是极少的，在地壳中的某些特定条件下虽然也有氢气存在，但都难于开采与回收。然而， 氢具有高的电化学反应活性，可以从石油、天然气、甲醇、烃类或煤等通用燃料中转化而得。生物 质能也是氢的重要来源，如：细菌制氢、发酵制氢及沼气回收等。工业刷产氢也是燃料电池获得燃 料的有效途径。据统计我国在合成氨工业中氢的年回收量可达标14&acue:108m3:在氯碱工业中 有87&acue:106m3的氢可供回收利用。此外，在治金工业、发酵制酒厂及丁淳溶剂厂等生产过程 中都有大量氢可回收。上述各类工业别产氢的可回收总量，估计可达标15亿立方米以上。 除氢气之外，还有一些气体如CO也可作为MCFC与SOFC的燃料。这样，天然气、管道煤气均 是大型燃料电池发电站可资利用的丰富燃料资源。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利 用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径，因此，我国丰富的煤炭资源也是燃料电池所需燃料的 巨大来源 未来大规模推广使用燃料电池仍需要解决氢源问题。从石油、天然气和煤等化石燃料中制取氢 气，从长远考虑仍存在者资源枯竭问题。众所周知，水是由氢和氧组成，因此大量的氢可从水中提 取，特别是海水，真是取之不尽，用之不竭。我们将这一美好理想，寄希望于太阳光能制氢的实 现。 (八)国内外燃料电池的研究现状 1.困内燃料电池的研究现状 我国在20世纪60年代初就开始进行航天用的燃料电池的研究，但在70年代初停止该研究后，没 有接若开始民用燃料电池的研究。直到90年代初的“九五”期间，在中国科学院的推动下，由科技 部和中国科学院共同立项才开始进行民用燃料电池的研制。比国外晚20年左右，因此，我国在民用 燃料电池的研究水平与国外有很大的差距， 2.国外燃料电池的研究现状 目前，在SOFC技术处于领先地位的是美国西屋电器公司，在1997年以研制成100kW的管式 SOC,以天然气为燃料。其单体电池的寿命可达60.000。其主要的问题是电池的制造成本较高 而Sie 、ZTEK等公司研制的是平板型SOFC,如ZTEK公司以研制成27.5kW的平板型SOFC 关国和日本在M心C方面的研制比较先进，进行这方面研究的公司有日本日立和石川岛福将 工业(H),美国国际燃料电池公司(IFC)等以研制成兆瓦级的电池组，寿命可达20,000h,单体 电池的寿命可达40,000h。MCFC现以成为美、日、欧发展的重点，目前主要的问题已接近解决，正 在进行兆瓦级电站的试运行，不久可望达到商品化程度。 3.燃料电池的发展现状 90年代中期以来，国家自然科学基金委员会积极支持燃料电池的基础研究：国家科技部和中国 科学院其同投入了较多的资金，加强燃料电池系统的研制与工程开发，从而使我国的燃料电池研究 出现了新的势头 国家“九五”科技攻关项目和中国利学院“九五”应用研究与发展重大顶目“燃料电池技术” 是由国家科技产和中科院共同组织的重大攻关课题，总的目标是：利用我国的资源优势， 从高起点 做起，加强创新。在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括三个子 目：“质子交换膜燃料电池技术”、 “熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技 术”。其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。中国科学院“九五” 特别支持项目的目标是：研制的PEMEC电池模块输出功率与国际同步，电池性能达到或超过国际90 年代水平，并在石油、气象、铁路及通讯等部门，获得实际应用。承担上述燃料电池项目的有中国 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
车工业跨越式发展；中期目标是提高能源利用效率，优化能源结构，维护国家能源安全，减少 环境污染；远期目标是迎接氢能时代的到来。 （七）燃料电池的来源与资源评估 从理论上讲，任何能发生电化学氧化还原反应的气体均可作为燃料电池的燃料或氧化剂。氢气 是燃料电池常用的燃料气。氧是燃料电池中常用的氧化剂，它能很方便地从空气中获取。在地球周 围单质氢是极少的，在地壳中的某些特定条件下虽然也有氢气存在，但都难于开采与回收。然而， 氢具有高的电化学反应活性，可以从石油、天然气、甲醇、烃类或煤等通用燃料中转化而得。生物 质能也是氢的重要来源，如：细菌制氢、发酵制氢及沼气回收等。工业副产氢也是燃料电池获得燃 料的有效途径。据统计我国在合成氨工业中氢的年回收量可达标14´；108m3；在氯碱工业中 有87´；106m3的氢可供回收利用。此外，在冶金工业、发酵制酒厂及丁淳溶剂厂等生产过程 中都有大量氢可回收。上述各类工业别产氢的可回收总量，估计可达标15亿立方米以上。 除氢气之外，还有一些气体如CO也可作为MCFC与SOFC的燃料。这样，天然气、管道煤气均 是大型燃料电池发电站可资 利用的丰富燃料资源。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利 用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径，因此，我国丰富的煤炭资源也是燃料电池所需燃料的 巨大来源。 未来大规模推广使用燃料电池仍需要解决氢源问题。从石油、天然气和煤等化石燃料中制取氢 气，从长远考虑仍存在着资源枯竭问题。众所周知，水是由氢和氧组成，因此大量的氢可从水中提 取，特别是海水，真是取之不尽，用之不竭。我们将这一美好理想，寄希望于太阳光能制氢的实 现。 （八）国内外燃料电池的研究现状 1．国内燃料电池的研究现状 我国在20世纪60年代初就开始进行航天用的燃料电池的研究，但在70年代初停止该研究后，没 有接着开始民用燃料电池的研究。直到90年代初的“九五”期间，在中国科学院的推动下，由科技 部和中国科学院共同立项才开始进行民用燃料电池的研制。比国外晚20年左右，因此，我国在民用 燃料电池的研究水平与国外有很大的差距。 2．国外燃料电池的研究现状 目前，在SOFC技术处于领先地位的是美国西屋电器公司，在1997年以研制成100kW的管式 SOFC，以天然气为燃料。其单体电池的寿命可达60,000h。其主要的问题是电池的制造成本较高。 而Siemens、ZTEK等公司研制的是平板型SOFC，如ZTEK公司以研制成27.5kW的平板型SOFC。 美国和日本在MCFC方面的研制比较先进。进行这方面研究的公司有日本日立和石川岛播磨重 工业（IHI），美国国际燃料电池公司（IFC）等以研制成兆瓦级的电池组，寿命可达20,000h，单体 电池的寿命可达40,000h。MCFC现以成为美、日、欧发展的重点，目前主要的问题已接近解决，正 在进行兆瓦级电站的试运行，不久可望达到商品化程度。 3．燃料电池的发展现状 90年代中期以来，国家自然科学基金委员会积极支持燃料电池的基础研究；国家科技部和中国 科学院其同投入了较多的资金，加强燃料电池系统的研制与工程开发，从而使我国的燃料电池研究 出现了新的势头。 国家“九五”科技攻关项目和中国科学院“九五”应用研究与发展重大项目“燃料电池技术” 是由国家科技产和中科院共同组织的重大攻关课题，总的目标是：利用我国的资源优势，从高起点 做起，加强创新。在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括三个子项 目：“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技 术”。其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。中国科学院“九五” 特别支持项目的目标是：研制的PEMFC电池模块输出功率与国际同步，电池性能达到或超过国际90 年代水平，并在石油、气象、铁路及通讯等部门，获得实际应用。承担上述燃料电池项目的有中国 燃料电池及其应用 页码，6/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，7/9 科学院及部门所属的12个研究所，科研人员130余人。 重大攻关课题“燃料电池技术” ，在国家科技部和中国科学院的精心组织与大力支持下，取得 了重大进展。中科院大连化物所研制并组装出1OOW至5kW多种规格的PEMFC电池组用于3OkW燃料 电池电动汽车的PEMFC屐机正在进行5kW单元的运行试验。“燃料电池电动汽车装车实验研究”由 中国科学院电工研究所负声，现已完成整车性能、电气主回路、电控系统及25kW取动电机设计：建 成了功率驱动台架试验系统 由中国科学院电工研究所负责的“PEMFC电源系统研制”课题， 士 从事PEMFC电源系统关键技术研究和系统工程开发。建有可进行千瓦级PEMFC电源寿命试验的 “燃料电池系统实验室”。现已完成PEMFC移动电源专用微型H/O减压阀、多种小型金属储氢器及 系列功率变换器等系统部件的开发。目前，正在进行自然对流型（无空气泵式）PEMFC便携式电源 的系统华成工作。MC下C、SOFC、DM正C在基础研究和转置研制方面也取得了良好讲展，中科院大 连化物所组装出工作面积28m2和110m2的MCFC电池。中科院上海硅酸盐所全部采用国内原材料利 自主研究的技术，建立并运行了一个10单元平板型SOFC电池堆，单电池有效面积9cm2,电池堆 大功率密度92mWm2。大连化物所正在进行SOFC电池材料、结构设计和组装技术的研究与开发， 研生制出的中温电池性能在800℃时法到02WCm2。中科院化工治金所1995年从饿罗斯引讲排了200W切 状叠层电池组进行了运行试验。中科院长春应用化学所对直接甲醇燃料电池(DMC)的电催化 剂、电极、电极/膜集合体及单体电池的结构优化等进行了系统研究。8OC常压下，F©TMPP DMF( 电池输出功率密度达.3wcm2,该性能处于国际领先水平。该所研制的直接甲醇/空气燃料电池，在 常温常压下输出功率密度峰值达到24mW/cm,。 我国燃料电池领域经过20余年的积累与发展，已初步形成了一支学科专业较为齐全的研究与开 发队伍，研究条件明品改善。在E下C方面，体水平与先进国家的差距正在缩小，单项技术有 自己的知识产权 已具备电池关键材料制备、部件试制，组装千瓦级电池组和进行应用系统开发的 能力。在MCFC、SOFC等方面，总体水平与先进国家仍有较大差距。目前，已建立了MCFC、 SOC电池的材料制备、元件试制、电池组装和系统测试等实验室及试验基地十余个，从而为我国高 温燃料电池的研究奠定了初步基础 为进一步推动高效、清洁发电技术的研究与开发，“燃料电池发电技术”已被列入《科技发展 “十五”计划和2015年远景规划》 (九)燃料电池的应用 1.燃料电池在医学上的应用 燃料电池的一种新的潜在应用是作心群病人的心脏起搏器的电源。近些年来，用电池起越的起 搏器保持有规律的和正常的心脏跳动方面，对于挽救许多人的生命来说实在是有重要意义的 即使使用最近发展起来的长寿命电池， 每经过1至2年相当 的 间隔就需要进行 一次小的外科 术来更换电池。如果采用燃料电池，由于电极材料可以长期地连续补充，就使周期性的外科手术成 为不必要的了。在狗的身上己实验性的使用了“生物化学”电池来启动心脏起搏器，这种电池使用 一种金属和体内氧及体液来产生电流。可将一种金属铝名镁埋藏在皮下作为负极（阳极）：体内氧 作为正极（阴极） 2.燃料电池在其它设施上的应用 兆瓦级 后域分数由 百千有 大型电动交通工具动力源，如水面舰艇、潜艇、公共汽车等：小型移动电站：小型分 级 立固定电站 十千瓦 电动车动力源，中型通信站的后各电源 级 干瓦级 各种移动式动力源，如家用电源、野外作业动力源、前沿坑道动力源、游船动力源、 水下作业平台动力源等。 \TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
科学院及部门所属的12个研究所，科研人员130余人。 重大攻关课题“燃料电池技术”，在国家科技部和中国科学院的精心组织与大力支持下，取得 了重大进展。中科院大连化物所研制并组装出100W至5kW多种规格的PEMFC电池组用于30kW燃料 电池电动汽车的PEMFC屐机正在进行5kW单元的运行试验。“燃料电池电动汽车装车实验研究”由 中国科学院电工研究所负责，现已完成整车性能、电气主回路、电控系统及25kW驱动电机设计；建 成了功率驱动台架试验系统。由中国科学院电工研究所负责的“PEMFC电源系统研制”课题，主要 从事PEMFC电源系统关键技术研究和系统工程开发。建有可进行千瓦级PEMFC电源寿命试验的 “燃料电池系统实验室”。现已完成PEMFC移动电源专用微型H/O减压阀、多种小型金属储氢器及 系列功率变换器等系统部件的开发。目前，正在进行自然对流型（无空气泵式）PEMFC便携式电源 的系统集成工作。MCFC、SOFC、DMFC在基础研究和装置研制方面也取得了良好进展。中科院大 连化物所组装出工作面积28m2和110m2的MCFC电池。中科院上海硅酸盐所全部采用国内原材料和 自主研究的技术，建立并运行了一个10单元平板型SOFC电池堆，单电池有效面积9cm2，电池堆最 大功率密度92mW/cm2。大连化物所正在进行SOFC电池材料、结构设计和组装技术的研究与开发， 研制出的中温电池性能在800℃时达到0.2W/cm2。中科院化工冶金所1995年从俄罗斯引进了200W块 状叠层电池组进行了运行试验。中科院长春应用化学所对直接甲醇燃料电池（DMFC）的电催化 剂、电极、电极/膜集合体及单体电池的结构优化等进行了系统研究。80℃常压下，FcTMPP DMFC 电池输出功率密度达.3w/cm2，该性能处于国际领先水平。该所研制的直接甲醇/空气燃料电池，在 常温常压下输出功率密度峰值达到24mW/cm2。 我国燃料电池领域经过20余年的积累与发展，已初步形成了一支学科专业较为齐全的研究与开 发队伍，研究条件明显改善。在PEMFC方面，总体水平与先进国家的差距正在缩小，单项技术有了 自己的知识产权，已具备电池关键材料制备、部件试制，组装千瓦级电池组和进行应用系统开发的 能力。在MCFC、SOFC等方面，总体水平与先进国家仍有较大差距。目前，已建立了MCFC、 SOFC电池的材料制备、元件试制、电池组装和系统测试等实验室及试验基地十余个，从而为我国高 温燃料电池的研究奠定了初步基础。 为进一步推动高效、清洁发电技术的研究与开发，“燃料电池发电技术”已被列入《科技发展 “十五”计划和2015年远景规划》。 （九）燃料电池的应用 1．燃料电池在医学上的应用 燃料电池的一种新的潜在应用是作心脏病人的心脏起搏器的电源。近些年来，用电池起搏的起 搏器保持有规律的和正常的心脏跳动方面，对于挽救许多人的生命来说实在是有重要意义的。不 过，即使使用最近发展起来的长寿命电池，每经过1至2年相当短的间隔就需要进行一次小的外科手 术来更换电池。如果采用燃料电池，由于电极材料可以长期地连续补充，就使周期性的外科手术成 为不必要的了。在狗的身上已实验性的使用了“生物化学”电池来启动心脏起搏器，这种电池使用 一种金属和体内氧及体液来产生电流。可将一种金属铝名镁埋藏在皮下作为负极（阳极）；体内氧 作为正极（阴极）。 2．燃料电池在其它设施上的应用 兆瓦级 局域分散电站 百千瓦 级 大型电动交通工具动力源，如水面舰艇、潜艇、公共汽车等；小型移动电站；小型分 立固定电站。 十千瓦 级 电动车动力源，中型通信站的后备电源 千瓦级 各种移动式动力源，如家用电源、野外作业动力源、前沿坑道动力源、游船动力源、 水下作业平台动力源等。 燃料电池及其应用 页码，7/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，8/9 百瓦级 初步代步工具动力源，如电动自行车、电动摩托车等：展览演示用电源：小型服务 器、终端、微机的不间断动力源。 十瓦级 使携式电源，如单兵电源、应急作业灯、警用装备等。 瓦级小型使携式电源 (十)燃料电池的新技术 1.带有新的离子导电膜的燃料电池： 这种膜包含许多对酸稳定的聚合物分子，每个分子含有至少一种离子导电部分，该部分与至少 种柔性连接部分以共价键健合。该膜含有的聚合物分子的离子导电部分是这样排布的，许多连续 的 于是这些离子导电通道就处于由柔性连接部分的弹性 质当中了，优选的膜是通过 宾到第面%的化应的条件下so阀 磺化，以及装 该聚合物加热制成的。 2.再生氢氧燃料电池 再生氢氧燃料电池将水电解技术（电能+2H,0一2H,+0,)与氢氧燃料电池技术(2H,+0,一 HO+电能)相结合，氢氧燃料电池的燃料H,、氧化剂0，可通过水电解过程得以“再生”，起到蓄 能作用。燃料电池工程中心研究双效催化剂和双效氧电极的制备方法，研制薄层电极并制备膜电极 三合一组件，降低电极铂担量。电极的铂担量已降至0.02mg/cm2。同时进行固体电解质的水电解质 的水电解技术开发，掌握了水电解用膜电极的制备技术。研制出国内第一套百瓦级再生燃料电池系 统 3.美国开发出新型燃料电池 美国科学家设计出一种利用海底淤泥中有机碎屑的新型燃料电池。它可以给设在偏远海域的海 洋探测器提供能源。 美国海军研究实验室和俄勒冈州立大学科学家们在最新一期《自然生物技术》杂志上发表文章 说，他们在两个直径14厘米的石墨盘上安装电极，并在盘上钻出小洞，以增加化学反应的面积。研 究人员把到 小 里入海底沉积物中，另 个置于水面上。埋在海底的盘 逐渐增长的细茵在 消化有机物时能把电子集中到电极上，然后电子通过水中氧传输到水面的电极，这就形成电流。它 产生的功率达0.02毫瓦，这已经足够驱动简单的海洋探测器。 因为细菌消化的有机物材料可以不新从沉入海底的生物碎屑得到补充，发电的原材料不必担 心， 而此前由于更换电池成本昂贵，海洋探测器很少被放入偏远海域 今年 时候， 曾有研究人员在美国《科学》杂志上报道，置于实验室水箱的电极上附有某种 细茵后，电极间传递的电流强度可以驱动袖珍计算器。 (十一)关于燃料电池的最新科技动态 1,清华正研制奥运环保公交 以氢气为燃料，尾气只有水蒸气，燃料电池车是真正的 “零污染”环保车。清华大学专为奥运 会准备的燃料电池公交车已经进入发动机实验部分，预计今年年底，我国首辆燃料电池公交车将研 制成功。 该项目负责人之一、国家氢能领域的首席科学家毛宗强博士说，燃料电池车的外形和普通的公 交车一样，它是利用氢和氧化学反应产生出电，然后再用电能做取动，氢和氧化合产生水基气，不 排任何污染物。燃料电池车大规模应用后可以改变目前人们过分依赖石油资源的现状，全球的温室 效应、城市污染等难题也能得到缓解了。 目前，美国、日本都投入了巨资开发燃料电池车，我国的“863”、“973”也将其列为重点项 目。到2008年北京要实现90%的公交车为清洁能源车，发动机的好坏直接影响车辆的性能。另外， 热管理系统、控制系统配合、怎样安全地使用和储备氢…，这些问题都需要在不断地调试中逐步 解决。 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
（十）燃料电池的新技术 1．带有新的离子导电膜的燃料电池； 这种膜包含许多对酸稳定的聚合物分子，每个分子含有至少一种离子导电部分，该部分与至少 一种柔性连接部分以共价键健合。该膜含有的聚合物分子的离子导电部分是这样排布的，许多连续 的离子导电通道人膜的第一面贯穿到第二面，于是这些离子导电通道就处于由柔性连接部分的弹性 基质当中了，优选的膜是通过在适合生成25mol%以上的磺化度的条件下用SO3将SEBS磺化，以及将 该聚合物加热制成的。 2．再生氢氧燃料电池 再生氢氧燃料电池将水电解技术（电能+2H2O→2H2+O2）与氢氧燃料电池技术（2H2+O2→ H2O+电能）相结合，氢氧燃料电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”，起到蓄 能作用。燃料电池工程中心研究双效催化剂和双效氧电极的制备方法，研制薄层电极并制备膜电极 三合一组件，降低电极铂担量。电极的铂担量已降至0.02mg/cm2。同时进行固体电解质的水电解质 的水电解技术开发，掌握了水电解用膜电极的制备技术。研制出国内第一套百瓦级再生燃料电池系 统。 3．美国开发出新型燃料电池 美国科学家设计出一种利用海底淤泥中有机碎屑的新型燃料电池。它可以给设在偏远海域的海 洋探测器提供能源。 美国海军研究实验室和俄勒冈州立大学科学家们在最新一期《自然生物技术》杂志上发表文章 说，他们在两个直径14厘米的石墨盘上安装电极，并在盘上钻出小洞，以增加化学反应的面积。研 究人员把其中一个小盘埋入海底沉积物中，另一个置于水面上。埋在海底的盘上逐渐增长的细菌在 消化 有机物时能把电子集中到电极上，然后电子通过水中氧传输到水面的电极，这就形成电流。它 产生的功率达0.02毫瓦，这已经足够驱动简单的海洋探测器。 因为细菌消化的有机物材料可以不断从沉入海底的生物碎屑得到补充，发电的原材料不必担 心，而此前由于更换电池成本昂贵，海洋探测器很少被放入偏远海域。 今年早些时候，曾有研究人员在美国《科学》杂志上报道，置于实验室水箱的电极上附有某种 细菌后，电极间传递的电流强度可以驱动袖珍计算器。 （十一）关于燃料电池的最新科技动态 1．清华正研制奥运环保公交 以氢气为燃料，尾气只有水蒸气，燃料电池车是真正的“零污染”环保车。清华大学专为奥运 会准备的燃料电池公交车已经进入发动机实验部分，预计今年年底，我国首辆燃料电池公交车将研 制成功。 该项目负责人之一、国家氢能领域的首席科学家毛宗强博士说，燃料电池车的外形和普通的公 交车一样，它是利用氢和氧化学反应产生出电，然后再用电能做驱动，氢和氧化合产生水蒸气，不 排任何污染物。燃料电池车大规模应用后可以改变目前人们过分依赖石油资源的现状，全球的温室 效应、城市污染等难题也能得到缓解了。 目前，美国、日本都投入了巨资开发燃料电池车，我国的“863”、“973”也将其列为重点项 目。到2008年北京要实现90%的公交车为清洁能源车，发动机的好坏直接影响车辆的性能。另外， 热管理系统、控制系统配合、怎样安全地使用和储备氢……，这些问题都需要在不断地调试中逐步 解决。 百瓦级 初步代步工具动力源，如电动自行车、电动摩托车等；展览演示用电源；小型服务 器、终端、微机的不间断动力源。 十瓦级 便携式电源，如单兵电源、应急作业灯、警用装备等。 瓦级 小型便携式电源 燃料电池及其应用 页码，8/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，9/9 2.与打火机一样大小的燃料电池 日本科学家须田精一郎开发出与打火机一般大小的燃料电池。这种电池制作简单，可应用在移 动电话、汽车及家庭等领域。 新型燃料电池的工作原理是：将硼化氢溶解于碱性溶液中，然后将溶解物与双氧水同时提供给 电池，让氢气和氧气在液体中直接进行反应，从产生电。这是新型燃料电池不同于现有燃料电泄 的特点。后者需要以气体形式供氢，需要有制氢装置、耐高压容器等。这成为目前燃料电池技术中 最大的难关。而新型燃料电池可用塑料容器贮藏液体燃料，结构要简单得多。 从理论上计算，这种新型燃料电池的最大输出电压为1.64伏特，实际输出电压可达到13一1.5伏 特，而现有燃料电池实际输出电压为0.7伏特。 (十二) 目前，我国燃料电池的研究形式很好。特别是PEMFCI取得了长足的进展。在此基础上，除继续 做好对大功率PEMFC的材料、部件和工艺技术的研究外，还应加强PEMFC系统工程关键技术开发 和系统集成。PEMFC系统集成的水平是PEMFC电源走向实用化、商品化的关键。此外，天然气重 整制氢开发与实用化对在我国推 PEMFC发电系统有者重要的现实意义。PEMFC电动汽车在各类 电动汽车发展中有明显的优势，应加强PEMFC2发动机系统及其装车技术的研究 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，从我国能源结构的实际出发，高度依赖煤炭消费的 格局短期内不会改变。因此，开发以煤为一次能源的高温型MCFC和SOFC,对我国具有特别重要的 意义。由于我国在MCFC和SOFC方面起点低，应洗好整体技术的突破点，加强多孔、薄膜电极过程 动力学理论、 新型关键材料的设计、制备及多相复杂界面等方面的基础研究 燃料电池将是21世纪最有竞争力的全新的高效、清洁发电方式。我国煤炭资源丰富，又是燃煤 大国，大力开发燃料电池，对提高一次能源利用效率，发展洁净煤发电技术，具有特别重要的意 义。预计燃料电池系统将在洁净燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电 源等方面，有着广污的应用前景和百大的潜在市场。 我相信， 燃料电池的应用必然会取代内燃机，因为，这是科技文明进步发展的必然 参考书目 1.摘自《物理化学》（下册），复旦大学化学系物理化学教学组编P390: 2.摘自《普通化学》第三分册美，WH内博盖尔等著： 3.摘自《应用电化学》§3.4“燃料电池”P119一125 致谢 本读书报告是我与广大同学和张老师共同努力的结果。在此，谨对帮助过我的张常群老师和广 大同学表示由衷的成谢。尤其要成谢张常群老师。在张老师生病期间.仍然关心我的读书报告。张 老师执著的敏业精神与高尚的言行是我学到了许多在书本中学不到的东西，我获益匪浅，感触良 多，远远胜过了写一份读书报告所学到的。在些我对张老师给与我的帮助说声：“谢谢！” 由于这是我第一次写读书报告，水平有限，加之时间仓促，其中错误和不妥之处在所难免，殷 切希望放大同学和老师给与批评与指正。 2003年6月 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
2．与打火机一样大小的燃料电池 日本科学家须田精一郎开发出与打火机一般大小的燃料电池。这种电池制作简单，可应用在移 动电话、汽车及家庭等领域。 新型燃料电池的工作原理是：将硼化氢溶解于碱性溶液中，然后将溶解物与双氧水同时提供给 电池，让氢气和氧气在液体中直接进行反应，从而产生电。这是新型燃料电池不同于现有燃料电池 的特点。后者需要以气体形式供氢，需要有制氢装置、耐高压容器等。这成为目前燃料电池技术中 最大的难关。而新型燃料电池可用塑料容器贮藏液体燃料，结构要简单得多。 从理论上计算，这种新型燃料电池的最大输出电压为1.64伏特，实际输出电压可达到1.3～1.5伏 特，而现有燃料电池实际输出电压为0.7伏特。 （十二）小结 目前，我国燃料电池的研究形式很好。特别是PEMFC取得了长足的进展。在此基础上，除继续 做好对大功率PEMFC的材料、部件和工艺技术的研究外，还应加强PEMFC系统工程关键技术开发 和系统集成。PEMFC系统集成的水平是PEMFC电源走向实用化、商品化的关键。此外，天然气重 整制氢开发与实用化对在我国推广PEMFC发电系统有着重要的现实意义。PEMFC电动汽车在各类 电动汽车发展中有明显的优势，应加强PEMFC发动机系统及其装车技术的研究。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，从我国能源结构的实际出发，高度依赖煤炭消费的 格局短期内不会改变。因此，开发以煤为一次能源的高温型MCFC和SOFC，对我国具有特别重要的 意义。由于我国在MCFC和SOFC方面起点低，应选好整体技术的突破点，加强多孔、薄膜电极过程 动力学理论、新型关键材料的设计、制备及多相复杂界面等方面的基础研究。 燃料电池将是21世纪最有竞争力的全新的高效、清洁发电方式。我国煤炭资源丰富，又是燃煤 大国，大力开发燃料电池，对提高一次能源利用效率，发展洁净煤发电技术，具有特别重要的意 义。预计燃料电池系统将在洁净燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电 源等方面，有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场。 我相信，燃料电池的应用必然会取代内燃机，因为，这是科技文明进步发展的必然。 参考书目 1．摘自《物理化学》（下册），复旦大学化学系物理化学教学组编P390； 2．摘自《普通化学》第三分册[美]，W.H.内博盖尔等著； 3．摘自《应用电化学》§3.4“燃料电池”P119～125。 致谢: 本读书报告是我与广大同学和张老师共同努力的结果。在此，谨对帮助过我的张常群老师和广 大同学表示由衷的感谢。尤其要感谢张常群老师，在张老师生病期间，仍然关心我的读书报告。张 老师执著的敬业精神与高尚的言行是我学到了许多在书本中学不到的东西，我获益匪浅，感触良 多，远远胜过了写一份读书报告所学到的。在些我对张老师给与我的帮助说声：“谢谢！”。 由于这是我第一次写读书报告，水平有限，加之时间仓促，其中错误和不妥之处在所难免，殷 切希望放大同学和老师给与批评与指正。 2003年6月 燃料电池及其应用 页码，9/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22