燃料电池的发展研究应用概况

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1、燃料电池的发展研究应用概况摘要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。本文详细阐述了燃料电池的近期研究进展与面临的挑战及未来发展方向。燃料电池在宇审飞船、航天飞机及潜艇动力源方面已经得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范，但低成本、长寿命仍然是商业化面临的瓶颈问题。未来我国应大力推进燃料电池在水下潜器、航天飞行器等特殊领域的应用，解决高可靠性与安全性及环境适应性等关键问题；同时，在民用领域要实现燃料电池寿命与成本兼顾，从材料、部件及系统等3个层次深入技术改进与创新，尽快推进燃料电池

2、的商业化。关键词：燃料电池；发展；应用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。随着世界范围内工业的高速发展，全世界对能源的需求H益增加。另外，能源的使用以化石燃料为主，排放了大量CO2、20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，积极开发新能源，有利于国家和社会经济的可持续发展。燃料电池是一种电化学的发电装置，等温的按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，正在成为理想的能源利用方式。同

3、时，随着燃料电池技术不断成熟，以及四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。一、燃料电池的原理燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应，其工作原理如下图所示。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并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，

4、产生电流。同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物吋，阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构，以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路，电解质通常为致密结构。阴极T氧化气□电解质阳极燃料气e燃料电池工作原理示意图二、燃料电池的应用2.1航天领域早在上个世纪60年代，燃料电池就成功地应用于航天技术，这种轻质、高效的动力源一直是美国航天技术的首选。

5、以燃料电池为动力的Gemini宇宙飞船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了8天的飞行。由于这种聚苯乙烯碱酸膜稳定性较差，后來在Apollo宇宙飞船采用了碱性电解质燃料电池,从此开启了燃料电池航天应用的新纪元。在Apollo宇宙飞船1966年至1978年服役期间，总计完成了18次飞行任务，累积运行超过了10000h,表现出良好的可靠性与安全性。除了宇宙飞船外，燃料电池在航天飞机上的应用是航天史上又一成功的范例。美国航天飞机载有3个额定功率为12kW的碱性燃料电池，每个电堆包含96节单电池，输出电压为28V,效率超过

6、70%。单个电堆可以独立工作，确保航天飞机安全返航，采用的是液氢、液氧系统，燃料电池产生的水可以供航天员饮用。从1981年首次飞行直至2011年航天飞机宣布退役，在30年期间里燃料电池累积运行了101000h,可靠性达到99%以上。中国科学院大连化学物理研究所早在70年代就成功研制了以航天应用为背景的碱性燃料电池系统。这一航天用燃料电池研制成果，为我国此后燃料电池在航天领域应用奠定了一定的技术基础。2.2潜艇方面燃料电池作为潜艇AIP(Air-IndependentPropulsion,AIP)动力源，从2002年第一艘燃料电

7、池AIP潜艇下水至今已经有6艘在役，还有一些FC-AIP潜艇在建造中。2009年10月意大利军方订购的2艘改进型FC-AIP潜艇开始建造，潜艇水面排水量为1450吨，总长为56m,最大直径为7m,额定船员24名，水下最大航速为20节，计划在2015〜2016年开始服役。FC-AIP潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水下一次潜航时间仅为2天，而FC-AIP潜艇一次潜航时间可达3周。这种潜艇用燃料电池是由西门子公司制造，采用镀金金属双极板。212型艇装载了额定功率为34kW的燃料电池模块，214型艇装载

8、了120kW燃料电池模块，，额定工况下效率接近60%o2.3电动汽车随着汽车保有量的增加，传统燃油内燃机汽车造成的环境污染日益加剧，同时，也面临着对石油的依存度日益增加的严重问题。燃料电池作为汽车动力源是解决因汽车而产生的环境、能源问题的可行方案之一，近20年来得到各国政府、