燃料電池基礎(chǔ)編輯推薦

燃料電池（FC）是21世紀最有希望的新一代綠色能源動力系統(tǒng)，有助于解決能源危機和環(huán)境污染等問題。本書側(cè)重于基本原理，簡單明了地描述了燃料電池是如何工作的、為什么它可以產(chǎn)生如此高效的潛能，以及如何最佳地利用其獨特的優(yōu)勢等。本書重點強調(diào)控制燃料電池工作的科學(xué)原理，對于燃料電池的初學(xué)者，如高年級本科生或低年級研究生，無需具備燃料電池或電化學(xué)知識背景，只要具有微積分基礎(chǔ)、基礎(chǔ)物理和基本熱力動力學(xué)背景均適合閱讀。

Ryan O'Hayre：博士，現(xiàn)任美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院（ColoradoSchoolofMines）金屬材料工程系助理教授。他曾受聘為美國科學(xué)基金會國際研究員在荷蘭爾夫特工業(yè)大學(xué)（TechnicalUniversityofDelft）工作，并曾任美國斯坦福大學(xué)（StanfordUniversity）機械工程系代理助教。

第一部分　燃料電池原理

第1章　燃料電池簡介

1.1　什么是燃料電池

1.2　一個簡單的燃料電池

1.3　燃料電池的優(yōu)點

1.4　燃料電池的不足

1.5　燃料電池的類型

1.6　燃料電池的基本工作過程

1.7　燃料電池性能

1.8　特性與建模

1.9　燃料電池技術(shù)

1.10　燃料電池與環(huán)境

1.11　本章摘要

習(xí)題

第2章　燃料電池?zé)崃W(xué)

2.1　熱力學(xué)回顧

2.2　燃料的熱潛能：反應(yīng)焓

2.3　燃料的做功潛能：吉布斯自由能

2.4　非標(biāo)準狀態(tài)條件下燃料電池可逆電壓的預(yù)測

2.5　燃料電池效率

2.6　本章摘要

習(xí)題

第3章　燃料電池反應(yīng)動力學(xué)

3.1　電極動力學(xué)的介紹

3.2　為何電荷傳輸過程會有一個活化能

3.3　活化能決定反應(yīng)速率

3.4　反應(yīng)凈速率的計算

3.5　平衡態(tài)下的反應(yīng)速率：交換電流密度

3.6　平衡條件下的反應(yīng)電勢：伽伐尼電勢

3.7電勢和速率：Butle-Volmer方程

3.8　交換電流和電催化：如何改善動力學(xué)性能

3.9　簡化的活化動力學(xué)：泰菲爾等式

3.10　不同燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生不同動力學(xué)

3.11　催化劑一電極設(shè)計

3.12　量子力學(xué)：理解燃料電池催化劑的體系

3.13　本章摘要

習(xí)題

第4章　燃料電池電荷傳輸

4.1　響應(yīng)力的電荷移動

4.2　電荷傳輸導(dǎo)致電壓損失

4.3　燃料電池電荷傳輸電阻的特性

4.4　電導(dǎo)率的物理意義

4.5　燃料電池電解質(zhì)種類綜述

4.6　關(guān)于擴散率和電導(dǎo)率的更多內(nèi)容(選讀)

4.7　為何電驅(qū)動力決定電荷傳輸(選讀)

4.8　本章摘要

習(xí)題

第5章　燃料電池質(zhì)量傳輸

5.1　電極與流場結(jié)構(gòu)中的傳輸

5.2　電極內(nèi)的傳輸：擴散傳輸

5.3　流場結(jié)構(gòu)中的傳輸：對流傳輸

5.4　本章摘要

習(xí)題

第6章　燃料電池模型

6.1　把它們組合起來：一個基本的燃料電池模型

6.2　一維燃料電池模型

6.3　基于計算流體動力學(xué)的燃料電池模型(選讀)

6.4　本章摘要

習(xí)題

第7章　燃料電池表征

第二部分　燃料電池技術(shù)

第8章　燃料電池類型概述

第9章　燃料電池系統(tǒng)概述

第10章　燃料電池系統(tǒng)集成和子系統(tǒng)設(shè)計

第11章　燃料電池的環(huán)境效應(yīng)

第三部分　附錄

燃料電池電堆組件包括燃料電池電堆、附件系統(tǒng)和升壓 DC/DC，將這些部件集成在一起，使得整個組件更加小型化、輕量化，而且成本更低。

燃料電池通常是按構(gòu)成的電解質(zhì)來分類。開發(fā)最為盛行的有4種燃料電池。各種燃料電池，特別是其動作溫度不相同，最先進行開發(fā)的磷酸型燃料電池（PAFC）約在200℃的溫度下動作。相對于此，熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池均可應(yīng)用在以石燃料為基本燃料的電廠內(nèi)，可作為電力電源來利用。高溫型燃料電池又可稱之為是通過利用其高質(zhì)量排氣，來面向復(fù)合發(fā)電的燃料電池。

燃料電池SOFC

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置,具有一般燃料電池的結(jié)構(gòu)。固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質(zhì),在高溫800～ 1 000℃下操作,反應(yīng)氣體不直接接觸 ,因此可以使用較高的壓力以縮小反應(yīng)器的體積而沒有燃燒或爆炸的危險。

目前正在研制開發(fā)的新一代固體氧化物燃料電池,其特征是基于薄膜化制造技術(shù),是典型的高溫陶瓷膜電化學(xué)反應(yīng)器,我們可稱其為陶瓷膜燃料電池。這種提法不同于燃料電池的一般命名法,更著眼于電解質(zhì)材料和構(gòu)型的設(shè)計。我國已成功研制了中溫(500～ 750℃)陶瓷膜燃料電池的關(guān)鍵材料,發(fā)展了多種薄膜化技術(shù)(流延法、絲網(wǎng)印刷法、懸浮粒子法、靜電噴霧法、化學(xué)氣相淀積法等),獲得了厚度5～ 20μm的薄層固體電解質(zhì),比傳統(tǒng)工藝制造的150～ 200μm電解質(zhì)薄板減薄了一個數(shù)量級,單電池的輸出功率達到了500～ 600mW /cm 2。燃料氣除氫氣以外,還可以直接以天然氣、生物質(zhì)氣為原料。最近,西門子-西屋公司已經(jīng)完成了以天然氣為燃料,內(nèi)重整的100kW級管狀電池的現(xiàn)場試驗發(fā)電系統(tǒng),試運行了4 000h,電池輸出功率達127kW,電效率為53% 。

隨著對固體氧化物燃料電池基礎(chǔ)研究的深入,其在各領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了開發(fā)。在發(fā)展大型電站技術(shù)的同時,固體氧化物燃料電池還用于分布式電站和備用電源技術(shù)。固體氧化物燃料電池可作為移動式電源,為大型車輛提供輔助動力源。第一輛裝有固體氧化物燃料電池輔助電源系統(tǒng)(APU)的汽車,由巴伐利亞發(fā)動機公司與德爾福汽車系統(tǒng)公司合作推出,已于2001年2月16日在德國慕尼黑問世 。固體氧化物燃料電池還可以作為輪船、艦艇用電源以及宇航等特殊用途的發(fā)電系統(tǒng)。另外,利用固體氧化物燃料電池系統(tǒng)作為碳氫氣體的重整裝置以制備純氫,再配合質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用也將有著廣闊的發(fā)展前景。 2004年5月,美國能源部投資240萬美元用于固體氧化物燃料電池再生能源項目開發(fā) 。固體氧化物燃料電池的廣泛應(yīng)用前景使其成為目前發(fā)展的熱點。美國政府部門在燃料電池方面的研究投資重點已轉(zhuǎn)向了固體氧化物燃料電池。

燃料電池RFC

氫燃料電池以氫氣為燃料,與氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后透過質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能。氫和氧反應(yīng)生成水,不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物,無污染,發(fā)電效益高。60年代,氫燃料電池就已經(jīng)成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域?！鞍⒉_”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。 70年代至今,隨著制氫技術(shù)的發(fā)展,氫燃料電池在發(fā)電、電動車和微型電池方面的應(yīng)用開發(fā)取得了許多成果。

目前,氫燃料電池的發(fā)電熱效率可達65%～ 85%,重量能量密度500～ 700Wh/kg,體積能量密度1 000～ 1 200Wh/L,發(fā)電效率高于固體氧化物燃料電池 。氫燃料電池在30～ 90℃下運行,啟動時間很短,0～ 20s內(nèi)即可達到滿負荷工作,壽命可以達到10年,無震動,無廢氣排放,大批量生產(chǎn)成本可降到100～ 200美元/kW 。將氫燃料電池用于電動車,與燃油汽車比較,除成本外,各方面性能均優(yōu)于現(xiàn)有的汽車。只要進一步降低成本,預(yù)計不久就會有實用的電動車問世。

基于以上情況,各國都在加緊對氫氣作燃料的燃料電池開發(fā)。德國已陸續(xù)推出了各種燃氫汽車。在冰島政府的支持下,原戴姆勒-克萊斯勒公司和殼牌公司于1999年初公布了把這個島國變?yōu)槭澜缟系谝粋€“氫經(jīng)濟”的國家計劃———最終用無污染的氫能源取代所有小轎車、公共汽車上使用的柴油和汽油 。

我國在廣東汕頭南澳島建立了電動汽車試驗區(qū),有近20輛電動車和混合動力汽車投入試驗。從總體水平上看,我國的氫能和氫燃料電池的研究開發(fā)工作與國外一些發(fā)達國家相比,還有一定差距。

氫燃料電池還未完全實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的原因主要有兩方面。首先,如何制造氫氣。制氫的方式是多種多樣的,既可通過化學(xué)方法對化合物進行重整、分解、光解或水解等方式獲得,也可通過電解水制氫,或是利用產(chǎn)氫微生物進行發(fā)酵或光合作用來制得氫氣。其中,電解水制氫是一種完全清潔的制氫方式,但這種方法能耗量較大,在現(xiàn)場制氫方面的應(yīng)用受到了一些限制,目前還在進一步研究和開發(fā)。生物制氫法采用有機廢物為原料,通過光合作用或細菌發(fā)酵進行產(chǎn)氫。但目前對這種方法的產(chǎn)氫機理了解得尚不深入,在菌種培育、細菌代謝路徑、細菌產(chǎn)氫條件等方面的許多問題還有待研究,總的說來還不成熟 。目前主要的大規(guī)模產(chǎn)氫方式是以煤、石油、天然氣為原料加熱制氫,需要800℃

以上的高溫,轉(zhuǎn)化爐等設(shè)備需要特殊材料,且不適合小規(guī)模制氫。近來發(fā)展了甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫,這種制氫方式反應(yīng)溫度低(260～ 280℃),工藝條件緩和,能耗約為前者的50% 。甲醇還具有宜于攜帶運輸,可以像汽油一樣加注等優(yōu)點。因此,甲醇轉(zhuǎn)化氫氣已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點。另外,金屬氫化物儲氫、吸附儲氫技術(shù)的研究也對車載儲氫和制氫提供了途徑 。

燃料電池DMFC

直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池通常稱為直接甲醇燃料電池(DMFC)。膜電極主要由甲醇陽極、氧氣陰極和質(zhì)子交換膜(PEM)構(gòu)成。陽極和陰極分別由不銹鋼板、塑料薄膜、銅質(zhì)電流收集板、石墨、氣體擴散層和多孔結(jié)構(gòu)的催化層組成。其中,氣體擴散層起支撐催化層、收集電流及傳導(dǎo)反應(yīng)物的作用,由具有導(dǎo)電功能的碳紙或碳布組成;催化層是電化學(xué)反應(yīng)的場所,常用的陽極和陰極電極催化劑分別為PtRu/C和Pt/C。

直接甲醇燃料電池?zé)o須中間轉(zhuǎn)化裝置,因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,體積能量密度高,還具有起動時間短、負載響應(yīng)特性佳、運行可靠性高,在較大的溫度范圍內(nèi)都能正常工作,燃料補充方便等優(yōu)點。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,主要分為

(1)野外作業(yè)或軍事領(lǐng)域的便攜式移動電源;

(2)50～ 1 000kW的固定式發(fā)電設(shè)備;

(3)未來電動汽車動力源;

(4)移動通訊設(shè)備電源。

由于意識到DMFC是潛在的移動式電源并有可能替代部分軍用電池,各國的多個科研機構(gòu)對此展開了深入研究。 2002年,以色列特拉維夫大學(xué)首先開發(fā)成功了甲醇直接方式的手機燃料電池 。2003年日本東芝公司宣布開發(fā)出一種可用于手機和小型信息終端的以高濃甲醇為發(fā)電原料的燃料電池,這種電池的大小像手掌一樣,輸出的電能卻是現(xiàn)在手機用鋰電池的6倍[2]。德國SFC燃料電池公司宣稱已開發(fā)出甲醇電池設(shè)備的初期生產(chǎn)樣品,該設(shè)備可創(chuàng)造出40W的電源,未來將被應(yīng)用于筆記本電腦、打印機、手機等產(chǎn)品。

近年來,微型DMFC及軍用燃料電池已接近實用,但陽極催化劑活性差,陽極催化劑層中缺乏合理的甲醇和二氧化碳分流通道以及阻止甲醇從陽極向陰極穿透等方面還存在很多技術(shù)難題 。針對這些問題,也提出了一些解決的途徑。在催化劑活性方面,利用貴金屬二元、三元合金催化劑來提高抗CO中毒的能力或?qū)ふ曳琴F金屬催化劑以提高催化劑的活性。對于部分CH3OH穿過PEM直接與O2反應(yīng)不產(chǎn)生電流的問題,可通過降低CH3OH在PEM中的擴散系數(shù)、改進或研制新型PEM的方法減少甲醇擴散,提高電池效率 。隨著DMFC的燃料轉(zhuǎn)換效率、功率密度、可靠性的提高和成本的降低,DMFC將會成為未來理想的燃料電池。