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1、 近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望 学 院（系）：环境学院 专 业：环境科学与工程 学 生 姓 名：张瑜涛 学 号：21418081 完 成 日 期：2014 年 12 月 20 日 大连理工大学 Dalian University of Technology 近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-目 录 摘 要.2 Abstract.3 1 引言.4 1.1 当今世界能源现状与环境问题.4 1.2 燃料电池的产生背景.5 2 燃料电池的工作原理及优缺点.6 2.1 燃料电池的工作原理.6 2.2 燃料电池的优缺点.7 3 燃料电池的研究现状及应用.7 3.1 燃
2、料电池的研究现状.7 3.2 燃料电池的主要应用.8 4 燃料电池的前景发展.11 5 从环境与能源角度看待燃料电池技术.11 结 语.13 参 考 文 献.14 近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-燃料电池技术的发展现状与展望 摘 要：随着全球化步伐的加快，世界范围内工业的快速发展，对能源的需求也日益增加。化石能源利用的同时，给环境带来了巨大的压力，严重危害了人类社会的健康。燃料电池的特点决定了其广泛的应用前景，燃料电池的本质可以理解为化石能源的化学发电系统，其高效、清洁也有利于国家和社会的可持续发展。本文主要阐述了燃料电池的产生背景、原理，在此基础上，论述了目前燃料电池技
3、术的主要研究现状以及发展前景，并提出当今世界能源技术的前进的主方向。关键词：燃料电池；能源；原理；研究现状；发展前景 近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-Current Situation and Prospect of Fuel Cell Technology Abstract:with the quickening pace of globalization,the rapid development of worldwide industry,the demand for energy is also increasing.At the same time,the ut
4、ilize of fossil brought great pressure on the environment,which cause serious damage to the health of human society.the characteristics of fuel cell determines its widespread application prospect.The nature of the fuel cell can be understood as the fossil energy chemical power generation systems.the
5、 high efficient,clean and conducive to the sustainable development of the state and society.this article mainly elaborated the background and principle of fuel cell,on this basis,this paper discuss the current research status and development prospect of fuel cell technology,and puts forward the main
6、 direction of worlds energy technology.Key words:Fuel Cell;Energy;the Principle;the Research Status;Prospects for Development 近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-燃料电池技术的发展现状与展望 1 引 言 1.1 当今世界能源现状与环境问题 21 世纪以来，世界全球化步伐的加快，科技与技术的飞速发展和人类生活水平的极大提高，同时也以惊人的速度消耗着全球的自然资源。随着全球能源问题的日益严峻，应对气候变化挑战日益加剧，同时，能源的稀缺性和环境污染的不可逆性
7、，让全球各国对能源与环境问题更加重视起来1。从 2102 年受到经融危机影响以来，全球各国经济格局也发生了翻天覆地的变化，欧美发达国家的低迷对能源的需求放缓，然而新兴国家对能源资源的消耗日益增长。在今后的几十年中，能源将在全球经济发展中特别是在发展中国家经济发展中扮演重要角色。世界仍将以化石燃料作为主要的能源供应，同时可再生能源、新能源将逐步发展成为全球能源格局中重要的一部分。据统计，2012 年，全球石油消费增长 0.7%，达到 8800 万桶/日，涨幅为 60 万桶/日，低于历史水平2。但是，同时中国再次成为全球石油消费增长的最大来源（增长 5.5%，即每日 50.5万桶/日），但增速低于
8、过去十年的平均水平。目前全球天然气产销比较旺，全球天然气消费增长2.2%。就目前，全球能源消费中，煤炭的消费仍然持续增长，尤其是我国煤炭的消费，我国仍然是以煤炭为主要的能源的国家。核能的利用有所下降，2011 年全球核能发电量下降 4.3%，创下有史以来最大降幅2。目前我国经济正在快速发展，其中能源消费过度依赖于煤炭资源，石油尤其是天然气的利用率严重不足。随着世界经济的发展，推进绿色、环保、低碳经济的呼声日渐高涨，促使我国能源结构不断优化。当前，全球主要的环境威胁是：非洲、西亚和亚太地区低收人国家的粮食供应无保障和贫困；拉丁美洲和加勒比地区的生态退化和生物多样性丧失；东欧及经济转型国家膨胀的能
9、源需求；温室气体以及臭氧层破坏；跨国界污染传输;普遍的城市污染、土地退化；大量化学品的使用对人体健康的威胁，以及大量不可近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-持续性的生产和消费方式。其中,面临最大环境威胁的是亚太、非洲、拉丁美洲和西亚地区。就我国目前的环境现状，由于以煤炭为主要能源，而且我国煤炭的利用相对较低，排放到大气中的二氧化碳、二氧化硫等严重污染大气环境。同时粉煤灰也是重要的固体废弃污染物，也是我国目前面临的主要问题之一。我国由能源引起的环境问题发达国家要更严重，这是因为世界能源结构早由以煤为主的时代转变为天然气时代，油气和电力等清洁能源在一次能源比例占70%以上，而我国
10、仍停留在以煤为主的时代，煤在一次能源中占60%以上。如果能源与环境问题得不到解决，不仅人类社会可持续发展的目标难以实现，而且人类的生存环境和生活质量也会受到严重影响。1.2 燃料电池的产生背景 能源问题近些年一直受到广泛的关注。随着三大化石能源的不断使用，能源储备、过度开采、环境问题的越来越严重。世界能源组织调查显示，包括煤、石油、天然气等在内的矿物质能源将在未来的 100200 年内耗尽，新的能源利用技术将不断的开发并利用起来3。燃料电池就是一种潜力巨大的新能源。最早在 1839 年，英国的 Grove 发明了燃料电池。燃料电池是一种使用燃料进行化学反应所产生电力的装置。20 世纪 60 年
11、代应用于美国军方，后于 1965年应用于美国双子星计划双子星 5 号太空舱。最常见的燃料电池是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格便宜，加上对人体无化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热。燃料电池经过 100 多年的发展，终于在 20 世纪末迎来了新的发展机遇，成为世界各国的研究热点。能源是国民经济的动力，也是衡量综合国力和人民生活水平的重要指标。能源是国民经济的动力。随着世界范围内工业的高速发展,全世界对能源的需求日益增加。另外，能源的使用以化石燃料为主，排放了大量二氧化碳。氮氧化物及硫化物等污染物，造成了环境污染，严重危害人民健康。因此，采用清洁、高效的能源利用方式，积极开发新
12、能源，有利于国家和社会经济的可持续发展。随着燃料电池技术不断成熟，以及西气东输工程提供了充足天然气源，燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景4。近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-2 燃料电池的工作原理及优缺点 2.1 燃料电池的工作原理 燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。可以按照电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物电池及熔融碳酸盐电池等5。燃料电池的实际过程是氧化还原反应，其工作原理如 2.1 所示。通常由四个部分组成燃料电池，分别是阳极、阴极、电解质和外部电路。在燃料电池的阳极和阴极分别通
13、入燃料气和氧化气。在阳极上，燃料气放出电子，经过外部电路，电子传导到阴极与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。图 2.1 燃料电池的工作原理 由于燃料电池本身发生的是电化学反应，同时由于内部电阻，燃料电池在运行的过程中会产生热量。电池的阴阳两极也可以作为氧化还原反应的催化剂。以质子交换膜燃料电池为例，主要组成部件包括：膜电极组件（MEA）、双极板及密封元件等。其中核心部件就是膜电极组件，由阴阳多空气体扩散电极和电解质隔膜组成，也是电化学反应发生的核心部位。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应和氧还原反应，电子通过外电路做功，反应产物为水。
14、在一定工作条件下，一节单电池工作电压仅为 0.7V 左右。所以为了满足实际需要，燃料电池通常由数百个单电池串联而成形成模块或燃料电池堆。理论上只要外部不断的供给燃料和氧化剂，燃料电池就可以持续发电。近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-2.2 燃料电池的优点 在继水力、火力、核电之后，燃料电池被誉为第四代发电技术6。理论上，只要连续供给燃料就能连续发电 燃料电池的优点：1)无噪音。通常燃料电池结构简单，运动部件少，工作时基本无噪声。即使在 11MW 级的燃料电池发电厂附近，所测得的噪音也低于55dB。2)有较广的燃料范围。天然气、石油、煤炭等化石产物，或者是沼气、酒精灯均可以作
15、为燃料。因此燃料电池可减缓主流能源的消耗。3)发电效率高。通常燃料电池的发电效率可达到 85%90%，但由于工作时各种极化的限制，目前燃料电池的能量转化效率约为40%50%。4)环境友好性。燃料电池通常以富氢的物质作为燃料，二氧化碳排放量较少，一定程度上减少了温室效应。同时燃料电池发生的是电化学反应，无燃烧过程，所以一般不会排放氮氧化物，减轻了对大气的污染。5)便于投资建设。燃料电池组装方便，维修可靠，不需要大量的辅助设施。6)负荷调节灵活，稳定性好。燃料电池能承受额定功率以上过载运行或者低于额定功率运行，稳定性较好，可不间断的供电。同时当负载有变动时，燃料电池会很快的响应。3 燃料电池的研究
16、现状及应用 3.1 燃料电池的研究现状 在发达国家将开发大型燃料电池作为重点研究项目。目前，已经取得了许多研究成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机广泛应用于发电及汽车上7。由于这种发电模式可以很大程度上降低对大气的污染，解决电力高峰期的电力供应、电网调峰等问题。现在，在一些发达国家的各等级燃料电池发电厂相应的建成，如 2MW、4.5MW、11MW 成套燃料电池设备发电已经进入商业化生产。近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易于维护等优点将引起 21 世纪新能源与环保的绿色革命8。燃料电池发电在北美、日本和欧洲迅速的进入工业化规模阶
17、段，将成为第4 代发电模式。由于碱性燃料电池在世纪的应用中，通常使用空气作为氧化剂，这样会受到二氧化碳的影响而使效率和寿命大大降低，因此，人们认识到碱性燃料电池不适合作为汽车动力等方面的应用，并将研究重点转向了质子交换膜燃料电池，只有少数机构还在对碱性燃料电池进行研究。在解决碱性燃料电池的这个问题方面，国内外进行了一系列研究。E Gulzow 等研究发现：为使在二氧化碳浓度较高的情况下能够正常运行，采用特殊的方法制备电极。在制备过程中，催化剂材料与 PTFE（聚四氟乙烯）细颗粒在高速下混合，PTFE 覆盖在催化剂表面从而增加了电极的强度，同时也避免了电极被电解液完全淹没，减小了碳酸盐析出堵塞微
18、孔对电极造成机械损伤的可能性8。此外，还允许气体进入电极，在发生电化学反应的区域形成1 个三相区。还有人提出利用氨作为氢源，避免二氧化碳毒化的问题。在使用氨气作为氢源在碱性燃料电池中广泛使用，具有较好的发展前景。在国内，早在 20 世纪 59 年代左右，就开展燃料电池方面的研究，在燃料电池的关键材料、关键技术的创新方面得到了许多突破。目前，陆续开发出30KW 级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，相机开发出60KW、75kw等多种规格的质子交换膜燃料电池组。开发出电动轿车用净输出 40KW，使得中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。清华
19、大学科研人员研制出新型铂/碳电极催化剂9。长春应用化学研究所研制出纳米级高活性电催化剂用作阳极催化剂10。该催化剂粒度均匀，电化学性能优于国际同类产品。此外，我国科研人员在研究催化剂时普遍把粉末状活性炭加入铝箔酸溶液，再加入过量甲醛还原，反应中采用软脂酸、硬脂酸或硅油作为表面活性剂，掺杂组分是 Pd、Ru 等金属元素或非金属物质之一11。3.2 燃料电池的主要应用 最早开发研究的是碱性燃料电池（AFC）技术，在20世纪60年代，碱性燃料电池应用于航天飞机领域。如图3.1列出了燃料电池的几个应用案例。表 3.2给出了中国研制的有关航天用燃料电池的性能参数。磷酸型燃料电池（PAFC）也是近代化学课
20、程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-第一代燃料电池技术，是目前最为成熟的应用技术，已经进入商业化应用和批量生产。但由于其成本太高，目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。熔融碳酸型燃料电池(MCFC)是第二代燃料电池技术,主要应用于设备发电。固体氧化物燃料电池(SOFC)。以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点，发展最快，应用广泛,成为第三代燃料电池13。目前正在开发的商用燃料电池还有质子交换膜燃料电池(PEMFC)。它具有较高的能量效率和能量密度,体积重量小,冷启动时间短,运行安全可靠。另外,由于使用的电解质膜为固态,可避免电解质腐
21、蚀。燃料电池技术的研究与开发已取得了重大进展,技术逐渐成熟,并在一定程度上实现了商业化。作为21世纪的高科技产品,燃料电池已应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业,受到各国政府的重视。表3.1 燃料电池的航天应用案例12 表 3.2 中国研制的航天用燃料电池性能参数12 近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-燃料电池由于其轻质、高效的动力源一直是美国航天技术的首选。同时燃料电池在军事方面也有很大程度上的应用，如 AIP 潜艇的动力源。如图 3.1 是潜艇燃料电池模块13。表 3.3 给出潜艇用燃料电池模块技术参数12。图 3.1 潜艇用燃料电池模块技术参数
22、 表 3.3 潜艇用燃料电池模块技术参数 近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-燃料电池在潜艇上面的应用可以降低潜艇的噪音，有利于潜艇的隐蔽在深海中。4 燃料电池的前景发展 燃料电池的优点决定了它具有广阔的应用前景。如小型发电设备、长效电池或者电动汽车上。在发电设备的应用上，其销售价格可以与一般的发电设备相竞争。但燃料电池在电动汽车上的应用是长期的，需要进行产业化。然而汽车需要的是发电机，发电机的价格远比燃料电池便宜。所以开发出经济且适用、续航力长的燃料电池很重要。目前国内外的燃料电池研究主要集中在电解质膜、电极、燃料和系统结构。在美国、欧洲、日本、澳大利亚等国家普遍重视研究固
23、体氧化物燃料电池的开发研究及商业化，这也是解决世界节能和环保的重要手段14。然而目前固体氧化物燃料在应用中存在不少问题，如电极材料、制造成本和操作温度高等。但是就目前的形势来看，固体氧化物燃料电池必将是世界能源发展总趋势15。降低电池操作温度和微型化是固体氧化物燃料电池的发展趋势。燃料电池发展的难题是材料制备。5 从环境与能源角度看待燃料电池技术 燃料电池的本质可以理解为化石能源的化学发电系统，传统化石能源的利用模式是通过燃烧生成热能和机械能，这一方式一方面受到卡诺循环的约束，单程能量转化效率被限制在 20%左右；另一方面，有害的燃烧产物对环境产生严重威胁。而燃料电池的能量转化不经热机循环，其
24、理论转化率可达 80%90%；并且反应产物主要是水，基本无污染排放，清洁环保。因此，燃料电池长期受到广泛重视，被支持着称为“终极能源”的美誉。从应用领域看，燃料电池的商用市场主要包括三个部分：固定市场、移动市场和便携市场。目前在各个领域均推出了商业化的示范产品。但是从全过程生命周期的角度分析，燃料电池相对于传统化石能源在节能和碳减排未必存在优势。以推广程度较高的氢燃料电池为例，氢气的生产和储运需要耗费大量能源，一方面燃料在成本结构中占比不菲，另一方面在能源消耗的阶段上，牺牲了生产和资源环节而确保了终端应用环节的能耗效率。因此，氢气的近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-生产工艺
25、、储运方式，以及在生产过程中所采用的可再生能源的比例等因素对于燃料电池系统的能耗和碳排放都会产生重大影响。在这一点上，燃料电池汽车与二次电池汽车是类似的。近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-结 语 如果认为蒸汽机的发明是科技革命的导火索，那么燃料电池的研究和发展，也可以认为是便携式电子设备的一场能源革命，并且会发展到汽车业、住宅及社会生活的各个方面的供电系统。因为太阳能供电虽能替代部分能源，但受到天气与气候的制约，核能存在安全问题，化石能源发电对环境的污染已经达到了人类无法承受的境况。而燃料电池的有点决定了其前景，是纯正的绿色清洁能源 燃料电池可以将人类的发电史带进一个分散供
26、电的新时代，随着研究的步步深入，燃料电池世界的神秘面纱会被慢慢的揭开。初生的婴儿，人只见其粉雕玉琢，便觉前途无量，渐长渐成，方知为人不易。一门技术总是要在工业化的前夜或起点才倍觉艰难当心态从憧憬转而务实，眼光从亮点移向困难，新的问题如泉涌出，手段和方法却总捉襟见肘。燃料电池的工业化和商业化之路，或许只走完了最开始的一小段 当然，随着燃料电池的一系列关键问题得到解决，以及新技术开发研究和商业化，发展中的燃料电池技术必将能够加快世界的可持续发展的步伐。近代化学课程作业 燃料电池技术的发展现状与展望-14-参考文献 1 曾少军.全球能源与环境现状及前景.国际经济分析与展望J.2013:183-185
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