固体氧化物燃料电池电解液的研究
摘要：本文介绍了近年来固体氧化物燃料电池的电解质的研究情况，论述了晶体材料，重点是电池组件的导电机理，介绍了影响电导率的几个因素。总结了目前的研究现状以及今后的发展趋势，阐明了各种材料的作用与意义。
关键字：固体氧化物燃料电池，SOFC，电解液
1 引言
固体氧化物燃料电池( solid oxide fuel cell，SOFC)是通过电化学反应将化石燃料中的化学能直接变成电能的一种发电装置。因为它工作温度高，废热可以得到有效利用，能量转化效率是所有燃料电池中最高的(可高达70%以上)，全固体的电池结构，不存在漏液问题；余热利用价值高，SOFC高质量的余热可以用于热电联供，使得其宗的发电效率可以达到80%以上；不采用贵金属作为催化剂，因此制造成本大大降低；由于运动部件很少，工作时安静；又因为采用全固态结构，无酸碱腐蚀性物质包含在电池中，电池的污染排放极低，因而被称之为21世纪的一种绿色发电技术[1]。此外，SOFＣ不仅可以使用纯氢燃料，还可以使用资源丰富而且经济的天然气、液化石油气作为燃料，实现低成本的运行。
固体氧化物燃料电池也是一种新颖的电化学发电装置，在环境友好和高效能源方面显示出很大的优势，越来越受到人们的广泛关注[2]。以YSZ为电解质的传统SOFC存在操作温度高( 850～1000 ℃) ，电池材料会产生不良界面反应，电化学性能降低和密封难度大等问题，制约了SOFC 的商业化发展。降低SOFC 操作温度有利于提高电池材料的化学稳定性和热稳定性，可利用便宜的金属连接材料从而使电池的成本降低。开发中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)，已成为SOFC商业化发展的必然趋势。通常采用两种途径来降低SOFC的操作温度:一是改进电池的制备技术，如降低电解质层厚度和优化电极结构[3]，降低欧姆电阻和界面电阻。另一是开发在较低温度下仍具有良好导电性能及催化性能的电池材料。
近年来SOFC发展特别迅速，尤其是人们从不断发生的地震灾害、意外大停电和其他突发性灾害(如雪灾)方面逐渐认识到了集中供电方式的弊病。我国每年夏季的持续高温或冬季持续低温使得空调用电猛增，集中供电方式也难以满足这类短期负荷的突跃性需求变化。与之相比，分散式电源则比较灵活，可以把灾害的影响控制在局部。SOFC电站由于其所具有的独特优势，特别适合作为政府重要部门、医院、交通枢纽等地的分散电源，因此它也被公认为21世纪分散电站的主体。
综上所述，发展SOFC有利于未来的能源与环境事业。国际上发达国家目前正竞相开发SOFC。美国的固态能源转化联合会(SECA)正在推动3—10kW 级发电的低成本SOFC模块，成本目标定为400 美元/kW。日本和欧洲许多国家也都在开发数千瓦到数十千瓦级的SOFC发电系统。按照目前我国的SOFC科研进展情况，到2020年预计可以实现5—10kW 级发电模块的产业化批量生产。
本文就固体氧化物燃料电池电解质方面做阐述，了解当前最新情况。
2 电解质材料
在SOFCs工作过程中，电解质起着传递O2-和隔离空气与燃料的双重作用，电子经电解质由阳极流向阴极，O2-由阴极流向阳极，电解质是连接燃料电池阴阳极的桥梁[4]。根据导电离子类型的不同可将电解质材料分为质子导电型电解质和氧离子导电型电解质。质子型导电电解质的研究目前人们还仅仅局限于基础材料、导电机理等方面，并且这类SOFC所应用的燃料范围有限。本文主要介绍氧离子传导型固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展；面心立方萤石型、立方钙钛矿型和磷灰石型结构氧化物具有高离子电导率的电解质材料。
2.1 ZrO２基氧化物电解质材料
ZrO2基固体氧化物燃料电池电解质材料中，氧化钇稳定氧化锆(YSZ) 是研究最早、研究最充分的电解质材料之一。随着SOFC工作温度的降低YSZ电导率大大降低，电解质的欧姆阻抗急剧增大，限制了它在电解质自支撑的平板式中温SOFC中的应用。目前关于ZrO2基电解质材料的研究工作主要集中在使其薄膜化或者将其与其他类型的离子导电电解质复合形成复合型电解质材料等方面，以达到降低电池工作温度的目的。Song等[5]采用较经济、可大批量生产的流延法在阳极基体上制备了厚度为10μm的YSZ薄膜，所组装的单电池750℃时输出功率密度为230 mW·cm-2。
2.2 CeO
2及 Bi
2
O
3
基氧化物电解质材料
碱土金属氧化物和稀土金属氧化物掺杂的CeO2电解质材料具有高电导率，是近几年来应用于中SOFC的新型电解质材料。如在CeO2中掺入Gd2O3形成Ce0．8Gd0．2O2-δ( CGO) ，800 ℃时其电导率与YSZ 在1000℃时的电导率相当。但还原气氛下，Ce4 +易被还原为Ce2 +，引入电子电导，致使电池开路电压下降，降低了SOFC的效率。有人设计在CeO2基电解质Ce0
．8
Sm0．2O2-δ表面涂YSZ层以阻塞电子电导，得到较好效果。Bi2O3基电解质材料离子电导率也很高，δ-Bi2O3表现出最高的氧离子电导率(750℃时为1S/cm)。但在低氧分压下，Bi2O3基电解质在燃料侧还原出细小的金属微粒，极大地破坏了电解质材料的性能。解决CeO2
及Bi2O3基电解质材料所存在问题的方法主要有: (1)通过引入Gd，Pr等杂质来提高Bi2O3在还原气氛下的抗还原能力; (2)通过在电极/电解质间添加阻挡层(双层复合电解质)以阻塞CeO2基电解质的电子电导; (3)在氧化铈和氧化铋中掺入同价和变价的氧化物(如Y2O3和ZrO2或Sm2O3和YSZ)以形成复合电解质材料，不仅可以提高其离子电导率并可降低电解质的电子电导率。
钙钛矿类电解质材料
2.3LaGaO
3
自从Ishihara 等最先发现掺杂的LaGaO3钙钛矿型氧化物具有较高的中温氧离子导电性能，这类钙钛矿型氧化物被人们广泛研究[6]。其在中温条件下具有较高的离子电导率，在较宽的氧分压范围内不产生电子电导，具有良好的机械强度性能。当LaGaO3钙钛矿的A位掺杂Sr，B位掺杂Mg时形成(LSGM)因对称
Sr0．1Ga0．8Mg0．2O2．85的电导率分别为0．011 性增加，在570℃和800℃时La0
．9
S/cm和0.104 S/cm，而此温度时YSZ的电导率分别为0.003 S / cm 和0.036 S / cm。同时钙钛矿类电解质材料与La1-x Sr x CoO3-δ，La1-x Sr x Co1-y Fe y O3-δ等电极材料具有很好的相容性。但LSGM 作为电解质材料也有一些不利的方面，如Ga元素易蒸发、Ga元素易在阳极/电解质界面处还原，在高温共烧结时电极与电解质间产生元素互扩散等。这些问题可以通过加入少量变价离子，采用在电极/电解质间添加LDC 过渡层或采用低温脉冲激光沉积电池制备工艺来解决[7]。
2.4磷灰石型电解质
磷灰石型氧化物Ln10-x ( MO4) O y ( Ln = La、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy，M= Si、Ge)作为一类性能良好的可满足SOFCs 使用要求的电解质材料正引起人们的浓厚兴趣。磷灰石型氧化物的晶体结构为六方晶系( P63 / m 空间群)，由M-O四面体阴离子基团和具有7、9两种配位数Ln3+组成。这一独特结构使得磷灰石型氧化物具有特殊的离子运输功能和高的离子电导率。在对硅系磷灰石型氧化物研究方面发现[8,9]，600℃时La10Si6O27氧离子电导率YS的2倍，600℃以下La10Si6O27氧离子电导率YSZ要高，500℃时La10Si6O27氧离子电导率与LSGM相近，是(CeO2)0。79( Er2O3)0.21的3倍，是BaGe0．8Gd0．2O3的5倍，350℃以下La10Si6O27氧离子电导率高于( Bi2O3)0．75( Y2O3)0．25，200℃时La10Si6O27氧离子电导率( 1.32×10-5S/cm) 比(Bi2O3)0.75( Y2O3)0．25的离子电导率(8.82×10-7S / cm)大15倍。在锗系磷灰石型氧化物方面，Nakayama[10]制备的La9(GeO4)6O1.5在800℃时的离子电导率达到0.16×10-2S/cm; Berastegui[11]发现La8.933Sr0.6(GeO4)6O2的电导率在1160 K时达到0.16 S/cm。Tian等[12]通过溶胶凝胶-自燃烧法制备出La9. 33Ge6O26在800℃时离子电导率为2.6×10-2S/cm，电导活化能为0.89eV。磷灰石型电解质作为一种新型电解质，由于具有高的氧离子电导率、低的活化能和适中的热膨胀性能等优点，使得它成为中低温化SOFCs 电解质的一种候选材料；但是目前
磷灰石类电解质的化学稳定性、相容性等还需进一步考察，磷灰石型氧化物欲在SOFCs 中得到广泛应用还有待于进一步完善和研究。
2.5薄膜工艺在 SOFCs 中应用及研究
由于传统电池电解质较厚，电池内阻较高，需较高的操作温度，给SOFCs 带来一系列的问题，如材料间热膨胀系数的不匹配，电解质与电极间的界面扩散，电极和电解质的稳定性等，改善和解决此类问题的一个重要途径就是将其薄膜化。研究表明薄膜比厚膜有着更好的化学均匀性和更好的成分控制，可有效地降低SOFCs操作温度、提高电池的电性能。如当YSZ厚度约为10μm 时，其比电阻小于0.15Ω·cm2，在800℃工作时电池的功率密度达0．1 W/cm2[13]。Sasaki 等[14]采用EVD法在阴极管上沉淀了18μm厚的电解质薄膜，比功率可达0.8W/cm2；Sun等[15]采用泥浆涂敷法形成的单电池在850℃时功率达0.55 W/cm2。对于SOFCs电解质薄膜的制备，目前国内外已有多种的技术和工艺报道。这些制备方法按原理可分为: 化学法(化学气相沉淀法、喷雾热解法、溶胶-凝胶法等) 、物理法(溅射涂层法、等离子喷雾法、脉冲激光沉淀法等)和液相法(电泳沉淀法、丝网印刷法、流延法等) 。尽管这些薄膜制备技术在电解质的制备与应用过程中得到了很大的发展，但仍然存在着一定的不足(如电解质薄膜致密度、薄膜厚度的可控性、附着力以及烧成时出现缺陷而且成本居高不下等) ，还不能完全适应于SOFCs商业化生产需求。因此，开发出高稳定性，适用于大规模生产的SOFCs 电解质薄膜制造技术将会是我们今后研究的主要课题。
3 展望
固体氧化物燃料电池(SOFCs) 的中低温化是SOFCs商业化发展的必然趋势，而电解质在其中则起到关键性的作用。人们对各种适合做电解质的材料进行了大量的研究，发现CeO2基电解质、Sr与Mg 掺杂的LaGaO3基电解质材料是最有希望能运用于中低温SOFCs之中，有望不久实现其商业化。而磷灰石类电解质的出现拓宽了人们的视野，让研究不再仅限于在高对称性的材料中寻求电解质材料，为开发电解质提供一条新思路。改善和提高SOFCs电解质导电性能的另一个途径是将其薄膜化。但薄膜技术在SOFCs中的应用目前还处于初期阶段，大规模运用于生产仍需进一步改善和研究。目前，对于SOFCs电解质的研究，西方发达国家处于世界领先水平，而国内在这一领域起步较晚，研究和发展相对落后，要想缩短这一差距，其中最重要的一点就是能在电解质制备和性能上有所突破。所以寻求高离子电导电解质材料和电解质材料的薄膜化仍将会成为未来电解质材料的主要研究方向。
参考文献
[1]王绍荣( Wang S R),中国科技成果( China Science and Technology Achievements)，
2007(06)，57．
[2]黎朝晖,侯书恩,庞松．中温固体氧化物燃料电池阴极材料La0．7Sr0．2Co0．1CuO3-δ的制备与
表征[J].硅酸盐通报，2010，29( 1) : 33-37．
[3]Inagaki T，Nishiwaki F S，Yamasaki S，et al．Intermediate temperature solid oxide fuel cell
based on lanthanum gallate electrolyte[J].J．Power Sources，2008，181( 2) : 274-280．[4]Philippe K，Harry L T．Solid state ionic: roots，states and future
prospects[J].J．Am．Ceram．Soc．2002，85: 1654-1680．
[5]Song J H，Park S II，Lee J H，et al．Fabrication characteristics of an anode-supported thin-film
electrolyte fabricated by the tape casting method for IT-SOFC[J].J．Mater．Process．Technol．，2008，198( 1-3) : 414-418．
[6]李勇，邵刚勤，段兴龙，等．固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展[J].硅酸盐通报，
2006，25( 1) : 42-45．
[7]刘旭俐，马俊峰，刘文化，等．固体氧化物燃料电池材料的研究进展[J].硅酸盐通报，2001，
1: 24-27．
[8]Nakayama S，Sakamato M．Electrical properties of new type high oxide ionic conductor
La10Si6O27[J].Journal of European Ceramic Society，1998，18: 1413-1418．
[9]Sansom J E H，Najib A，Slayer P R．Oxide ion conductivity in mixed Si/Ge apatite-typ
systems[J].Solid State Ionics，2004，173: 353-355．
[10]Nakayama S，Higuchi Y，Kondo Y，et al．Effect of cation or oxide ion-defect on
conductivities of apatite-type La-Ge-O systern ceramics[J].Solide State Ionics，2004，170: 219-223．
[11]Berastegui P，Hull S，Garcia F J，et al．A structural investigation of La2(GeO4) O and
alkaline-earth-doped Nd9．33 ( SiO4) O2[J].Journal of Solid State Chemistry，2002，168: 294-305．
[12]田长安，蔡铜祥，曾燕伟，等．新型电解质材料La9。33Ge6O26的制备及性能[J].硅酸盐
学报，2009，37( 9) : 1485-1489．
[13]张义煌，董永来，江义，等．薄膜中温固体氧化物燃料电池( SOFC) 研制及性能考察[J].
电化学，2000，6( 1) : 78-83．
[14]Sasaki H，Otoshi S，Suzuki M，et al．Fabrication of high power density tubular type solid
oxide fuel cells[J].Solid State Ionics，1994，72: 253．
[15]Sun D K，Sang H，Hyun J，et al．Fabrication and characterization of anode-electrolyte thin
films for intermediate temperature soild oxide fuel cells[J].Power Sources，2005，139: 67．
新型固体燃料电池 香山科学会议第97次学术讨论会于1998年6月14日一17日在北京香山举行。会议主题为“新型固体燃料电池”。王佛松院士、W．Weppner(德国，基尔大学)教授、陈立泉研究员、孟广耀教授担任本次会议的执行主席。来自美国、日本、欧洲的8名专家学者和30余名中国专家学者参加了本次会议。 这次会议是在总结介绍国内外先进燃料电池领域的现况、存在问题和发展前景的基础上，从社会可持续发展对绿色能源的迫切要求出发，侧重于对新型固体燃料电池研究开发中的新进展、新概念、新见解的交流和讨论。 一、2l世纪的绿色能源和最佳发电系统 中国科技大学孟广耀教授作了题为“新型固体燃料电池—21世纪的绿色能源”的综述报告。他认为，一个适于所有化石燃料和其它生物质或可持续能源的绿色能源路线，是集汽化联合循环、无机膜反应器和陶瓷膜过滤器以及燃料电池为一体，发展新型固体氧化物燃料电池。这种新型燃料电池是采用新型固体电解质，通过新颖的软化学制造路线实现薄膜化和整个结构优化的，可以在中、高温中操作，通过全面深入的基础研究可达到高效率、低成本，从而实现人类绿色能源的理想。 孟广耀指出，燃料电池是一类高能量转换效率的洁净、安全和方便的能源系统，实际上也是一类包括燃料重整和转换以及电化学反应过程等在内的无机膜
反应器。孟广耀综合分析了国际上固体燃料的研究现状和发展思路，认为SOFC 是采用离子导体陶瓷为电解质的高温燃料电池。与传统的燃煤燃气发电技术和其它燃料电池比较，SOFC有许多优点，SOFC被认为是最适合应用于电站系统的先进燃料电池技术。他还归纳了SOFC目前所遇到的主要困难，并特别强调了制作中的软化学路线问题。 中国科学院上海硅酸盐所严东生院士和温廷琏研究员分别作了题为“燃料电池特别是固体燃料电池的回顾和展望”、“中国燃料电池的研究与开发”的评述报告。严东生概要地介绍了碳酸盐燃料电池及以固体氧化物燃料电池和聚合物电解质燃料电池为代表的新型固体燃料电池，分析了它们的发展现状、各自具有的优点及存在的不足之处，以及今后的发展趋势。温廷琏专门介绍了碱金属燃料电池(AFC)、高聚物电解质膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等四种电池在中国有关机构和工业界的研究与开发情况，同时指出，与美国、日本、欧洲等尚有很大距离，但发展燃料电池已成为国家政策，预期可有长足进步。 来自美国A11ied Singnal公司的国际著名燃料电池专家N．Q．Minh博士在对PEMFC和SOFC这两类电池的关键特性、关键技术以及它们的发展趋势进行讨论之后认为，PEMFC和SOFC是目前发展中的两类主要的固体燃料电池技术，在发电应用(电站系统)方面具有广泛的适用性。瑞士联邦能源办公室燃料电池项目负责人Leo Dubal博士作了“瑞士研究开发固体燃料电池l0年之经验教训”的报告。他从项目管理的角度展示了技术成就，概述了所获得的最重要的经验教训。瑞典皇家工学院朱斌研究员在对比分析传统高温SOFC与中温
目录 1引言 (2) 1.1燃料电池的概念及特点 (2) 1.2固休氧化物燃料电池 (4) 1.2.1固休氧化物燃料电池的结构类型及其特点 (4) 1.2.2 SOFC工作原理 (5) 2固体燃料电池多物理场模拟 (6) 2.1控制方程 (6) 2.1.1动量守恒方程 (6) 2.1.2能量守恒方程 (6) 2.1.3质量守恒方程 (6) 2.1.4导电方程 (7) 2.2物理模型 (7) 2.3数学模型 (8) 2.3.1气体输运控制方程 (8) 2.3.2导电控制方程 (8) 2.4边界条件 (9) 3结果与讨论 (11) 3.1电势分布 (12) 3.2不同阳极厚度燃料电池的浓度分布 (12) 3.2.1不同阳极厚度燃料电池的电势分布 (14) 3.3阴极厚度对燃料电池性能影响 (15) 3.4连接体宽度变化对浓度、电势分布的影响 (18) 4 结论 (19)
固体氧化物燃料电池仿真 摘要 燃料电池是将化学反应的化学能直接转变为电能的装置。和传统的热机相比,燃料电池具有更高的电效率,并且燃料电池是一种环境友好的发电方式。固体氧化物燃料电池(SOFC)属于高温燃料电池,除具有燃料电池的一般特点外,其高温排气也可以进一步加以利用。本文建立了描述平板式SOFC的物理数学模型,使用多物理场耦合模拟软件Comsol对其进行模拟计算。通过改变阳极和阴极厚度、连接体rib宽度等，研究其对固体氧化物燃料电池内燃料浓度、电势分布等的影响。模拟结果显示：当燃料沿燃料通道方向流动未出现低燃料浓度区或产物浓度区时，电池电势在燃料流动方向上变化不大；阳极厚度的增加对反应物在垂直于燃料流动方向的分布几乎没有影响，随着阳极和阴极厚度及连接体宽度的增加，燃料电池的性能更好。本模拟可以为燃料电池的设计提供参考。 关键词：固体氧化物燃料电池Comsol 1引言 随着全球工业化的加速及人们生活水平的不断提高,人类对能源的需求持续增长。目前全球能源的大部分来自化石燃料的燃烧过程，全世界对化石燃料利用的持续增长导致了温室气体排放的增加,美国能源部预计,2015年全球的排放量要比1990年增加60%;燃料燃烧过程产生的氮氧化物,硫氧化物,未燃尽的碳氢化合物等是主要的大气污染物。因此,解决能源需求的增长和由此造成的环境问题的关键就是改善能源结构问题,研究开发清洁能源技术。而燃料电池技术正是符合这一需求的高效洁净能源。 1.1燃料电池的概念及特点 燃料电池是把化学反应的化学能直接转化为电能的装置。与传统的发电方式相比较,关键的区别是燃料电池的能量转化过程是直接的。燃料电池需要清洁的
燃料电池及其发展前景 燃料电池及其发展前景 作者: Raymond George Klaus Hassmann燃料电池具有非同寻常的性能：电效率可达60％以上，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的4种主要燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重点介绍高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的应用及其发展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market．燃料电池是通过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料(如天然气、甲醇或纯净氢气)的化学反应直接产生出电能。与汽轮发电机生产的电能相比，燃料电池具有非同寻常的特性：它的电效率可达60％以上，可以在带部分负荷运行的情况下进行维修，而且除了排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其他的有害排放物。1 燃料电池的分类目前研制的燃料电池技术在运行温度上有不同的类型，从比室温略高直到高达1000℃的范围。大多数工业集团公司的注意力集中在以下4种主要类型上：(1)运行温度在60-80℃之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池(PEMFC)；(2)运行温度在160-220℃之间的磷酸类燃料电池(PAFC)；(3)运行温度在620-660℃之间的熔融碳酸盐类燃料电池(MCFC)；(4)运行温度在880-1000℃之间的固体氧化物燃料电池(SOFC)。可以将这些类型的燃料电池划分为低温型(100℃及以下)、中温型(约200℃左右)及高温型(600-l000℃)燃料电池。表1简要地列出了各种类型燃料电池的性能。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池对于静止装置和移动式装置都适用。实用装置的功率容量差别也很大，可以给笔记本电脑及移动电话供电(数以W计)，也可以给居民住宅(数kW)或是分散的电热设备和动力设备(数百KW到数MW)供电。最适于用来驱动汽车的是低温型燃料电池。根据使用期限成本进行的经济性比较结果表明，就发电成本而言，SOFC型燃料电池要PEM型低30％。这个结果是根据SOFC型燃料电池的电效率比PEM型的高，
固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池 燃料电池又叫连续电池，它在等温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转变为电能 燃料电池的发电原理：阳极进行燃料的氧化过程，阴极进行氧化剂的还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。 燃料电池的工作方式：燃料电池的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时需要连续不断地向电池内输送燃料和氧化剂，排除产物和废热。 燃料电池的组成： (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)。 (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。 燃料电池的类型：按电解质的性质分：1、碱性燃料电池，简称AFC。2、质子交换膜燃料电池，简称PEMFC。3、磷酸燃料电池，PAFC。4、熔融碳酸盐燃料电池，简称MCFC。5、固体氧化物燃料电池，简称SOFC。 固体氧化物燃料电池 SOFC是以固体氧化物为电解质，如ZrO2、BiO3等，阳极材料是Ni-YSZ陶瓷，阴极材料主要采用锰酸镧材料，SOFC的固体氧化物电解质在高温下800～1000℃具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2和分隔氧化剂与燃料的作用。 SOFC为全固体结构，其主要结构有：平板式、管式、瓦楞式、套管式和热交换一体化结构式， ①平板式SOFC电池是目前最主流的SOFC类型电池，它是将阳极/YSZ固体电解质 /阴极烧结成一体，形成三合一结构，简称PEN平板，PEN平板之间由双极连
固体氧化物燃料电池(SOFC)研究现状 伍永福，赵玉萍，彭军 内蒙古科技大学（014010） 摘要：燃料电池在运行过程中具有良好的安全可靠性、环境友好性、可操作性和灵活性，这些优点赋予了燃料电池极强的生命力和长远的发展潜力。本文就固体氧化物燃料电池的研究现状阐述了固体氧化物燃料电池的原理、特点及电池材料的研究进展，就Ni基阳极燃料电池存在的问题，提出在寻找Ni基阳极的替代阳极方面，（一是氧化物阳极，如（Ba/Sr/Ca/La）MxNb1-x O3-δ阳极；二是其他金属基阳极，如Cu基阳极。）作进一步研究的必要。 0.6 关键词：固体氧化物燃料电池，电导率，扩散，极化 1、固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展概况 热电厂首先经燃料的燃烧把化学能转变为热能，再由热能转变为机械能，最后把机械能转变为电能，受卡诺循环的制约，在最好的条件下能量转化率也只有35%，实际情况不到20%。燃料电池是继水力、火力、核能发电技术后的第四类新型发电技术，它是一种不经燃料燃烧直接将化学能转变为电能的高效发电装置。由于不受卡诺循环的限制，燃料电池的理论效率达80%以上，实际效率可达50%—60%。其反应产物主要是水和二氧化碳，而且向大气中排放的有害物质很少，故造成的环境污染很低。另外，占地面小，建设周期短，可实行模块式组装，运行质量高、噪音小；使用方便灵活，既可用于中央集中型的大型电厂，也可作为电动汽车，轻型摩托的小型驱动电源。燃料电池在运行过程中具有良好的安全可靠性、环境友好性、可操作性和灵活性，这些优点赋予了燃料电池极强的生命力和长远的发展潜力[1]。 现在正运行的燃料电池都是用H2作燃料，或者碳氢化合物重整出H2，操作费用高，而且电池寿命不长，特别是使用碳氢化合物的电池更是如此。由于H2的制作费用较高，而且其运输、储存都很不方便，并隐含着危险，所以用H2作燃料的燃料电池难于实用化。而炭氢燃料在大自然储量比较丰富，有的(如CH4)不仅较容易制取，而且有利于环境的保护，因此现在固体氧化物燃料电池向着燃料多元，低温度操作方向发展。 早在1839年英国人William Grove就报道了燃料电池的工作原理，但固体氧化物燃料电池的起步却比较晚，1899年Nerest发现了固体氧化物电解质，1937年Baur和Preis首次操作固体氧化物燃料电池，其工作温度为1000℃。自此，固体氧化物燃料电池取得了很大的进展。特别是本世纪70年代末，材料科学的迅速发展使其研究开发工作更加令世人瞩目。目前已经开发成功的固体氧化物燃料电池主要有两种类型，它们分别以氧离子和质子作电池的电荷载体。其中，基于氧离子传导的固体氧化物燃料电池是研究较多且相对成熟的一种。 2、固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作原理与特点 2.1、SOFC工作原理 固体氧化物燃料电池(SOFC)是继磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)之后，第三代燃料电池，其工作温度一般在600－1000℃左右，工作原理如图(1)所示，电动势来源于电池两侧不同的氧分压。其单体电池是由正负两个电极(负极为燃料电极，正极为氧化剂电极)以及电解质组成。阳极、阴极的主要作用是导通电子和提供反应气体、产物气体的扩散通道。固体电解质将两侧的气体分隔开来，由于两侧氧分压的不同，产生了氧的化
固体氧化物燃料电池* 彭苏萍1 韩敏芳 2,- 杨翠柏2 王玉倩 2 (1 中国矿业大学北京校区资源学院 北京 100083)(2 中国矿业大学北京校区化学与环境工程学院 北京 100083) 摘 要 高效、洁净、全固态结构、高温运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置,这种新型发电技术是目前发展最快的能源技术之一,有望在近年内走向商业化应用.SOFC 单体电池由致密的电解质和多孔的阳极、阴极组成,现在主要发展了管状结构和平板式结构两种形式.单体电池通过致密的连接体材料以各种方式组装成电池组,广泛应用于大型发电厂、热电耦合设备、小型供能系统和交通工具等,市场前景广阔. 关键词 固体氧化物燃料电池(SOFC),新型能源 Solid oxide fuel cells PENG Su -Ping 1 HAN Min -Fang 2,- YANG Cu-i Bai 2 WANG Yu -Qian 2 (1 De pa rtme nt o f Resou rce s Deve lo pmen t En gin ee rin g ,Ch ina Un iversity o f Min ing &Tech nolog y ,Bei j in g 100083,Ch ina)(2 De pa rtme nt o f Che mical&En viron menta l Eng inee rin g ,China Un ive rsity o f Min in g &Tec hnolog y ,Bei jing 100083,Ch ina) Abstract Solid oxide fuel cells (SOFCs)conve rt che mical energy in the reaction materials to elec trical energy d-i rectly,and are cha racterized by their high effeciency,cleanline ss,al-l solid struc ture,and high te mpe ra ture opera -tion.This ne w technology is one of the faste st developing forms of energy source,and may well be applied commercia-l ly in the near future.A single cell consists of a dense electrolyte between a porous anode and cathode,in a seamless tube or fla -t plate struc ture.The cells a re then stacked together in various ways with dense interconnecting compo -nents.SOFCs may be used in la rge power stations,thermal electric co -generators,small po wer supply syste ms,trans -portation ve hicles,and so on,and have great marke t potential.Key words solid oxide fuel cell,new energy source * 国家杰出青年科学基金(批准号:50025413)资助项目 2003-03-19收到初稿,2003-04-21修回 - 通讯联系人.E -mail:h mf121@hotmai https://www.doczj.com/doc/f66978021.html,,h mf@cu mtb.ed https://www.doczj.com/doc/f66978021.html, 1 固体氧化物燃料电池发展背景和 技术现状 燃料电池的历史可以追溯到1839年,固体氧化物燃料电池(简称SOFC)的开发始于20世纪40年代,但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展.以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表,研制了管状结构的SOFC,用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管,然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100L m 的电解 质薄膜和电极薄膜.1987年,该公司在日本安装的 25kW 级发电和余热供暖SOFC 系统,到1997年3月成功运行了约1.3万小时;1997年12月,西门子西 屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company )在荷兰安装了第一组100kW 管状SOFC 系统,截止到2000年底关闭,累计工作了16,612小时,能量效率为46%;2002年5月,西门子西屋公司又与加州大学合作,在加州安装了第一套220kW SOFC 与气体 # 90#物理
燃料电池原理与发展 燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，达到市制发电效率。 近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，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，产生电流。 介绍一下熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）一、MCFC概述 1.1 燃料电池简述燃料电池(FC)是一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，结构如图1-1所示。它的发电方式与常规的化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料(如氢)的氧化过程，阴极催化氧化剂(如氧)的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成总的电回路。在电池内这一化学能向电能的转化过程等温进行，即在燃料电池内，可在其操作温度下利用化学反应的自由能。但是，燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，它的燃料和氧化剂并非贮存在电池内。同汽油发电机相似，它的燃料和氧化剂都贮存在电池之外的贮罐中。当电池工作时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时排出一定的废热，以维持电池温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量则由燃料罐和氧化剂罐的贮量决定。总体上，燃料电池具有以下特点： (l) 不受卡诺循环限制，能量转换效率高。 (2) 燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定。
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固体氧化物燃料电池发展及展望 作者：韩敏芳， 尹会燕， 唐秀玲， 彭苏萍， HAN Min-fang， YIN Hui-yan， TANG Xiu-ling ， PENG Su-ping 作者单位：中国矿业大学,煤气化燃料电池联合研究中心,北京,100083 刊名： 真空电子技术 英文刊名：VACUUM ELECTRONICS 年，卷(期)：2005(4) 被引用次数：2次 参考文献(47条) 1.查看详情 2.查看详情 3.查看详情 4.查看详情 5.查看详情 6.查看详情 7.查看详情 8.查看详情 9.查看详情 10.查看详情 11.韩敏芳;彭苏萍固体氧化物燃料电池-材料及制备 2004 12.Kathy Haq Dir. Of Outreach and Communications, National Fuel Cell Research Center 2004 13.查看详情 14.查看详情 15.查看详情 16.查看详情 17.查看详情 18.查看详情 19.查看详情 20.查看详情 21.查看详情 22.查看详情 23.查看详情 24.查看详情 25.查看详情 26.查看详情 27.查看详情 28.查看详情 29.查看详情 30.查看详情
31.查看详情 32.查看详情 33.查看详情 34.Kathy Haq Dir. Of Outreach and Communications, National Fuel Cell Research Center 2004 35.查看详情 36.查看详情 37.查看详情 38.查看详情 39.查看详情 40.Han Minfang;TIAN Y e;LIANG Jie Application Prospect of Underground Coal Gas Used in SOFC 41.查看详情 42.查看详情 43.查看详情 44.查看详情 45.查看详情 46.查看详情 47.查看详情 引证文献(2条) 1.由宏新.高国栋.周亮.阿布理提·阿布都拉乙醇在Ni-ZnO-ZrO_2-YSZ阳极SOFC上的发电性能[期刊论文]-燃料化学学报 2010(1) 2.刘洁.王菊香.邢志娜.李伟燃料电池研究进展及发展探析[期刊论文]-节能技术 2010(4) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/f66978021.html,/Periodical_zkdzjs200504007.aspx
中国燃料电池发展前景分析 燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。根据电解质种类不同，燃料电池基本分为五种：碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及质子交换膜燃料电池（PEMFC）。燃料电池具有以下优点：能量转换效率高；无污染零排放；模块化结构，维护保养成本低；燃料来源广泛，通过多种方式制备。 质子交换膜燃料电池凭借其特性主要应用于新能源汽车。对比其他几种燃料电池，质子交换膜电池输出功率密度高，质量功率高，可在室温条件下工作，同时起动迅速，主要应用于新能源汽车。 燃料电池种类
质子交换膜电池主要由质子交换膜、催化剂，双极板等构成。当它工作时，氢气进入阳极扩散层，并在催化剂的作用下转化为质子和电子；氧气进入阴极扩散层，并在催化剂的作用下得到电子转变为 O2- 离子；质子通过质子交换膜到达阴极与 O2-作用形成水，电子则通过外电路回到阴极，在这个过程中产生并提供电能。 一、电池系统 电池系统是燃料电池汽车产业链的核心环节，而电池堆是其重要组成部分。燃料电池汽车产业链包括上游矿产等相关资源，中游的电池系统、电机电
控以及下游的整车厂、加氢站及服务等。燃料电池电池系统分为两大部分：一是电池堆，包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板；二是其他部件，包括空压机、储氢瓶。 电池堆包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板。其中质子交换膜直接影响燃料电池的使用寿命；催化剂决定电极反应的效率；扩散层起到支撑催化层，收集电流，传导气体和排出水作用；双极板则负责把燃料和空气分配到两个电极表面以及电池堆散热。 电池堆组成部分情况
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展 摘要：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目，并提出了值得深进研究的课题。关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)，现状，发展 1．固体氧化物燃料电池发展背景 燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58 %，猜测有看达到70 %。接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验. 另外，加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. )，美国GE、Z2tek 等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。环球热电公司获得的功率密度，在700℃运行时，达到0. 723W/cm2。日本产业技术院电子技术综合研究所从1974 年开始研究SOFC，1984年进行了 500W发电试验，最大输出功率为1. 2kW。日本新阳光计划中，以产业技术综合开发机构(NEDO)为首，从1989年开始开发基础制造技术，并对数百千瓦级发电机组进行测试。1992年开始，富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究
燃料电池客车发展情况及技术发展趋势一、燃料电池汽车政策分析 《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策方的通知》（财建(2015)134号）中明确：“2017-2020年，除燃料电池汽车外，其他车型补助标准适当退坡”，明确了国家对燃料电池汽车产业发展的支持态度。而《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中提出，要系统推进燃料电池汽车研发与产业化，到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示应用。 在财政补贴层面，国家也给予了大力支持，包括整车补贴、加氢站补贴、免征购置税以及运营补贴等。其中，整车补贴额度从20万到50万每辆不等，一个加氢站则补贴400万元，运营补贴中，燃料电池客车补贴为6万元/辆/年。 二、氢燃料电池产业链概述 氢燃料电池汽车产业链包括制氢、储氢、运氢、加氢、应用（燃料电池汽车/有轨电车）等环节。 氢气制造一般是通过将化石原料、化工原料、工业尾气、可再生能源以及水等经过处理来获取，每种获取途径其成本和环保属性都不同。中国目前主要通过工业尾气处理以及电解水来制氢。长河认为，对于燃料电池来说，现在配套基础设施还有待进一步完善，需要政府以及行业机构以及专家尽快推进立法和相应的技术标准予以规。
长河表示，制氢的方法和方案比较多，而目前燃料电池汽车使用最大瓶颈和最大的障碍是缺乏加氢站。据其统计，截止到2013年底，全球加氢站只有228座，对于我国来说，我国真正投入商业化、用于燃料电池的加氢站只有两座，仅仅限于国比较大的城市，就是和，处于示运营阶段，与国外说的氢高速公路，也就是一条高速公路有多个加氢站相比，差距比较大。 在整个氢燃料电池产业链中，氢燃料电池发动机处于绝对的核心地位，氢燃料经过发动机转化为电能应用到终端。长河表示，目前制约中国燃料电池汽车发展的瓶颈，就是氢燃料电池发动机。虽然国有不少高校和相应科研机构以及企业，在就燃料电池发动机技术展开相应研究和示性运营应用，但是氢燃料电池发动机核心技术，这两年通过评估，能够达到产业化或者达到工业化应用的，核心技术仍然掌握在国外企业手中。
应用电化学 论文作业 题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展
1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 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。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly，MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了100 多年的历程。于能源与环境已成为人
2020届届届届届届届届届届届届届 ——届届届届届届 1.新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如图所示,该电池总反应方程 式:NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O,有关的说法不正确的是() A.电极B为正极 B.放电过程中,Na+从正极区向负极区迁移 C.电池负极的电极反应为:BH4?+8OH??8e?=BO2?+6H2O D.在电池反应中,每消耗1L 6mol/L H2O2溶液,理论上流过电路中的电子为12N A 2.一种新型燃料电池,一极通入空气,另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2) 晶体,在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料电池的说法中正确的是() A.在熔融电解质中O2?由负极移向正极 B.电池的总反应是2C4H10+13O2===8CO2+10H2O C.通入空气的一极是正极,电极反应为:O2+4e?+2H2O===4OH? D.通入丁烷的一极是正极,电极反应为:C4H10?26e?+13O2?===4CO2+5H2O 3.某大学研制了一种新型的质子交换膜二甲醚燃料电池(DDFC),该电池有较高的安全性。电池总反应 为:CH 3OCH3＋3O2＝2CO2＋3H2O ,电池示意如图,下列说 法不正确的是( ) A.a极为电池的负极 B.电池工作时电流由b极沿导线经灯泡再到a极 C.电池正极的电极反应为:4H++O2+4e?=2H2O D.电池工作时,有0.6mol电子转移,生成的CO2体积为2.24L 4.一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。现用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,一极通 入CO气体,另一极通入O2和CO2混合气体,其总反应为:2CO＋O2===2CO2 。则下列说法中正确的是() A.通CO的一极是电池的正极 B.负极发生的电极反应是:O2+2CO2+4e?===2CO32?
应用电化学 论文作业题目燃料电池的发展现状及研究进展学院化学与化学工程学院 专业班级制药134班 姓名郭莹莹
摘要 燃料电池是一种清洁高效的能源利用方式，它是一种能够持续将化学能转化为电能的能量转换装置。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及燃料电池的优点，详细阐述了燃料电池现在的发展现状和未来研究前景的展望。 关键词：燃料电池转换装置应用发展 1 燃料电池的工作原理及分类 燃料电池( Fuel Cell，FC) 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。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEM-FC) 、磷酸燃料电池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC) 、碱性燃料电池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 、固体氧化物燃料电池 ( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 及熔融碳酸盐燃料电池( Molten CarbonateFuel Cell，MCFC) 等。以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括: 膜电极组件( Membrane Elec-trode Assembly， MEA) 、双极板及密封元件等。膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7 V 左右。为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块。因此，与其它化学电源一样，燃料电池的均一性非常重要。燃料电池发电原理与原电池类似( 见图1) ，但与原电池和二次 电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，其工作方式与内燃机类似。理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以续发电。 图1 PEMFC 基本原理 燃料电池从发明至今已经经历了 100 多年的历程。于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题。近20 年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量 转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景。目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商
质子交换膜燃料电池的应用与发展 林圣享学号：405932016118 动力工程及工程热物理2016级研究生 （南昌大学机电工程学院，南昌330031） 摘要：燃料电池是一种将化学能通过化学反应直接转化成电能的装置。质子交换膜燃料电池作为新一代发电技术，以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，极具开发和利用价值。随着质子交换膜燃料电池技术的不断提高和成本的逐步降低，其在市场上将逐步获得应用。该文分析了质子交换膜燃料电池的结构和工作原理，对比了各种燃料电池基本属性，阐述了燃料电池当前发展的状态, 探究了其较高的利用效率又不污染环境的能源利用方式对当前能源紧缺和环境污染严重的形势下，进一步明确了质子交换膜燃料电池发展的广阔前景，其作为能源利用的一次变革，必将在宇航、交通以及国防军事等领域发挥的巨大推动作用。 关键词：质子交换膜；燃料电池；利用效率 Application and Development of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Abstract：A fuel cell is a device that converts chemical energy directly into electrical energy by chemical reactions. Proton exchange membrane fuel cell as a new generation of power generation technology, with its unique high efficiency and environmental protection has aroused the concern of the world, great development and use value. With the proton exchange membrane fuel cell technology continues to improve and gradually reduce the cost of its market will gradually gain application. This paper analyzes the structure and working principle of proton exchange membrane fuel cell, compares the basic properties of various fuel cells, expounds the current development of fuel cell, explores its high efficiency and does not pollute the environment. The current energy shortage and serious environmental pollution situation, to further clarify the proton exchange membrane fuel cell development prospects, as a change in energy use, will be in the aerospace, transportation and defense and other fields play a huge role in promoting. Key words：proton exchange membrane；fuel cell；utilization efficiency 引言 燃料电池（Fuel Cell）是一种高效、环境友好的新能源发电装置，能将燃料的化学能通 过电化学反应直接转化为电能。在工作原理和方式上，燃料电池与普通电池存在差别：燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是电催化和集流的转换元件，也是电化学反应的场 所。燃料电池是开放体系，活性物质储存在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化剂就能连 续发电，因而容量很大。同时，燃料电池还是一个复杂的系统，一般由燃料和氧化剂供应系统、水热管理系统以及控制系统等多个子系统组成。而普通电池是简单的封闭体系，放电容 量有限，活性物质一旦消耗光，电池寿命即告终止，或者必须充电后才能再次使用[1]。 燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置[2]。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能"储电"而是一个" 发电厂"，被誉为是一种继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，也正在美、日等发达国家崛起，以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。燃料电池具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求，具有非常好
燃料电池在我国的发展现状与未来前景 ——高二化学研究性学习说起燃料电池，我首先想到氢燃料电池。 2015年将是国际氢燃料电池车产业化的时间节点，奔驰、通用、丰田、现代等8大汽车公司届时都将推出商用车，售价5万美元/辆。在家用发电方面，日本2009年5月宣布1千瓦家用燃料电池进入商业化阶段，至今已销售6000余台。而在我国，虽然距2015年只有2年，但还未形成氢能利用的国家规划。 实际上，在国家财政部、科技部2009年公布的新能源公共服务用车补贴标准中曾提出“燃料电池轿车补贴25万元/辆，公共汽车补贴60万元/辆”的政策。但至今有价无市，无用武之地，氢能到底是不是离我们很远的“未来技术”? 近几年我国燃料电池的研究开发取得了进展，特别在质子交换膜燃料电池方面，达到或接近了世界水平；在熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池技术等方面也取得一些进展。但在总体上，我国燃料电池仍处于科研阶段，与国外相比，水平较低。发达国家都已将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并取得了许多重要成果，各等级的燃料电池发电厂相继建成，即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车动力。我国应集中研究力量，加大投入，大力推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作。 燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，可以用天然气、石油液化气、煤气等作为燃料。也是煤炭洁净转化技术之一。按电解质种类可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、再生氢氧燃料电池(RFC)、直接醇类燃料电池（DMFC），还有如新型储能电池、固体聚合物型电池等。 氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，CO等一些气体也可作为MCFC与SOFC 的燃料。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。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。 燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电