04《新能源材料》03燃料电池

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1、第二篇燃料电池什么是燃料电池燃料电池（FuelCell）是利用燃料发生化学反应时释出的能量，将燃料的化学能通过电化学反应直接转换成电能的一种装置。从这一点看，它和其他化学电池如锰干电池、铅蓄电池等是类似的。但不像一次电池一样用完就丢弃，也不像二次电池用完须充电。工作时需要连续地向其供给活物质（起反应的物质）--燃料和氧化剂），把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，是经由电化学反应之发电机，译为“环保发电机”似乎更为贴切。1839年，首先由葛罗夫爵士（SirWilliamRobertGrove）发明，该系统是使用稀释的硫酸当做液态

2、电解质，成功产生电能。1899年，能司特在首度发现固态电解质的导电行为。1937年，由鲍尔与葡来司首先示范成功第一个陶瓷型燃料电池。1967年，通用汽车公司引进碱性燃料电池技术，开发了第一辆燃料面包车。燃料电池的演进燃料电池工作原理燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子（proton）与电子（electron），其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，

3、到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种"发电机"。燃料电池工作原理阳极反应2H2+4OH-→4H2O+4e-阴极反应4e-+O2+2H2O→4OH-总反应2H2+O2→2H2O以燃料电池之电解质（electrolyte）来区分，它可分为五种。若以温度分类，可分为三种高温型、中温型、低温型。燃料电池的种类（1）碱性燃料电池（AlkalineFuelCell,AFC）（2）质子交换膜燃料

4、电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）（3）磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）（4）熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell,MCFC）（5）固态氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell,SOFC）低温型─PEMFC(80-100℃)AFC(60-220℃)PAFC(180-200℃)中温型─MCFC(650℃)高温型─SOFC(1200℃)效率高传统内燃机﹝发电机﹞要将煤、燃油等物质的化学能转变为电能的发电过程，是由

5、燃料混合氧、先转变为热能、机械能，再转变为电能的复杂程序，因此一般只有30%左右的效率。燃料电池的能量转换效率非常高，它是利用输入燃料混合氧，不经过转换机械能便能持续产生电力，也不须传统二次电池所需的充放电程序。以氢气及氧气为燃料，利用触媒加速反应速率，燃料电池可直接将化学能转变为电能，其效率可接近40%，若再包括回收余热，效率更可轻易超过65%。而且只要正常使用下，燃料提供无虞，无使用时间上的限制。无污染燃料电池的发电过程，氢气在阳极被氧化，氧气在阴极被还原，最后生成水，不会造成环境污染。以11百万瓦燃料电池的发电厂为例，电厂运转

6、的氮氧化物排放量为1PPM，也没有硫氧化物及粒状污染物，比目前最清洁的天然气发电厂还干净。具备低噪音、安静等特色。燃料多样化燃料电池所使用的燃料可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料来源的多样化有利于能源供应安全和利用现有的交通基础设施(如加油站等)。应用范围广泛燃料电池的组成材料简单。结构模块化，使得应用范围广泛。应用领域包含：太空能源、生命维持系、潜水艇动力、公交车、汽机车、脚踏车、分布式发电、家用独立发电、工商业备用发电系统、Notebook、PDA、手机、电器产品携带式电源、军事国防用途之电源设备等。碱性

7、燃料电池(AFC)碱性燃料电池(AFC)碱性燃料电池成功应用在太空科技上，成为航天飞机的电力供应系统；AFC的副产物是纯净的水，成为航天员饮水用的维生系统。碱性燃料电池的优点AlkalineFuelCell电解质用NaOH、KOH碱性物质，如30％KOH溶液。使用非贵重金属为电极触媒，如镍、钴、锰工作温度大约80℃，启动很快化学反应快能量转换效率非常高，首先用于太空计划碱性燃料电池的缺点各国燃料电池开发竞赛中，无法成为主要开发对象燃料必须是高纯度的氢制造费用非常贵，不适合工业应用液态电解质的质量易受影响，导致发电性能衰退。电解质为碱

8、性，易与空气中的CO2生成K2CO3、Na2CO3，严重影响电池性能，所以必须除去CO2质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜型﹝PEMFC﹞其反应式如下：阳极H2+→2H+2e-阴极1/2O2+2H++2e-→H2O全反应1/2