微型燃料电池

微型燃料电池（精选十篇）

微型燃料电池 篇1

燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染地转化为电能的发电装置。作为一种新型的清洁能源, 燃料电池以其高效、安静、环境友好、结构简单、能密度高、安全性高等优点, 在各类便携式电子产品 (如手机、笔记本电脑、摄像机和个人数字助手等) 方面具有极为广阔的应用前景。

微型燃料电池主要包括以H2为燃料的微型质子交换膜燃料电池 (micro proton exchange membrane fuel cell, μPEMFC) 以及在其技术基础上派生出来的以甲醇为燃料的微型直接甲醇燃料电池 (micro direct methanol fuel cell, μDMFC) 。一般来说, μPEMFC性能普遍高于μDMFC, 但甲醇具有易于储存、携带和管理的优点, 使μDMFC在便携式设备方面具有更大的优势, 受到了学术界及产业界的广泛关注。

1 μDMFC工作原理

图1所示为以甲醇水溶液作为燃料的μDMFC基本结构, 主要由流场板和膜电极三合一 (membrane electrode assembly, MEA) 组件组成。流场板在燃料电池中起均匀分配反应物、收集电流和支撑扩散层的作用, 其上的微沟道是用于形成反应物分配的通道;同时在朝向MEA一侧蒸镀或溅射上一层耐腐蚀、导电性好的金属层或者直接采用金属材料流场板, 用于收集电化学反应过程中释放出来的电子。MEA由质子交换膜及两侧的阳极和阴极组成, 阳极和阴极分别由多孔结构的扩散层和催化反应层组成。工作时, 阳极进料为甲醇和水, 阴极进料为氧气或空气。甲醇和水渗入阳极多孔扩散层内, 并扩散至催化层, 发生氧化反应, 生成二氧化碳、质子和电子;质子在电场作用下通过质子交换膜迁移至阴极催化层, 电子通过连接阴阳极的外电路进入阴极, 与渗入到阴极的氧气发生还原反应, 生成水;μDMFC和外电路形成回路驱动负载工作。

μDMFC中的标准电极反应如下:

阳极:$\text{C}\text{Η}{}_3\text{Ο}\text{Η}+\text{Η}{}_2\text{Ο}\stackrel{\text{Ρ}\text{t}-\text{R}\text{u}}{\to }\text{C}\text{Ο}{}_2+6\text{Η}{}^{+}+6\text{e}{}^{-}(1)$

阴极:$6\text{Η}{}^{+}+6\text{e}{}^{-}+3/2\text{Ο}{}_2\stackrel{\text{Ρ}\text{t}}{\to }3\text{Η}{}_2\text{Ο}(2)$

总反应:$\text{C}\text{Η}{}_3\text{Ο}\text{Η}+3/2\text{Ο}{}_2\stackrel{}{\to }2\text{Η}{}_2\text{Ο}+\text{C}\text{Ο}{}_2(3)$

μDMFC工作过程中, 反应生成的CO2气体从阳极的多孔扩散层逸出, 释放到流场中形成微气泡。如果这些气泡不能及时排除, 就会在局部流场的微沟道内聚集, 增加燃料在微流场中的输运阻力, 甚至会堵塞微沟道;同时, 聚集的气泡占据了催化剂的活性位置, 造成燃料传质受阻。 因此, 进行合理的流场结构设计, 及时将流场中的CO2气泡排出, 是提高燃料电池输出性能的重要途径之一。而μDMFC特征尺寸的减小, 对微流场板的加工和材料提出了新的要求, 同时给反应物和生成物等物料管理以及燃料电池的封装带来了困难。

2 μDMFC若干关键技术

2.1微流场板结构

流场结构和尺寸设计是否合理直接关系到电池输出性能的优劣。目前, 常用的微流场结构主要包含点状流场、平行流场、单通道蛇形流场、多通道蛇形流场和螺旋流场等, 其结构如图2所示。

点状流场结构简单, 但是不利于反应物向催化剂活性位的高效传质。平行流场沟道内反应物的流速较小, 有利于增加反应物的扩散和传质。蛇形流场延长了反应物的流动长度, 驱使更多反应物通过多孔结构的扩散层到达催化层活性表面, 有助于提高燃料电池的输出性能, 但是过长的沟道容易造成反应物和生成物浓度分布不均, 浓度差距的累积极易造成整个流场内电流密度的分布不均, 这对燃料电池的稳定性和可靠性非常不利。而多通道蛇形流场在一定程度上降低了这方面的不利影响。螺旋流场结构的优点和蛇形流场相似, 即反应物在流场内沿程压降大, 扩散和传质充分。但是与蛇形流场相比, 螺旋流场中反应物的高浓度区段和低浓度区段可通过特定设计交替出现, 从而有利于改善流场范围内电流密度分布不匀现象。

众多学者[1,2,3,4,5,6,7,8]采用实验的方法研究了微流场结构对电池性能的影响。Yang等[1]设计制作了不同尺寸的单通道蛇形流场和平行流场结构, 研究流场结构对DMFC性能的影响。实验结果表明单通道蛇形流场结构优于平行流场结构。对于单通道蛇形流场, 开孔率和沟道的肋宽对电池性能和压降有着重要的影响。钟凌燕等[2]在μDMFC的阳极流场板设计研究中, 阐述了沟道和沟脊宽度对μDMFC的性能影响。在沟脊宽度小于沟道宽度的条件下, 增大沟道或沟脊宽度都能改善微型燃料电池的性能, 但改善幅度随宽度增大而趋缓。当沟道和沟脊宽度等比例变化时, 性能随宽度的增大也存在最优值。Tüber等[3]提出了一种新型流场结构——分形微流场, 如图3所示。实验结果表明:在相同的工作条件下, 分形流场燃料电池的输出性能低于蛇形流场燃料电池, 与平行流场燃料电池相近。但是分形流场中反应物在进出口之间的压降最小, 因而输运反应物所需的外加功耗最小。大连理工大学微系统中心研究了沟道宽度随沟道长度变化的非均衡蛇形流场 (图4) 对μDMFC性能的影响[9]。与均衡蛇形流场结构的μDMFC输出性能对比结果表明, 非均衡流场有利于燃料输运和CO2气泡排出, 提高了燃料电池的输出性能。

2.2流场板材料和工艺

与常规大尺寸的燃料电池相比, μDMFC流场板特征尺寸已减小到几十至数百微米, 传统机械工艺已经很难适用于微流场板的加工。因此, 结合MEMS工艺的微流场板技术成为研究热点, 而硅、SU-8胶、有机玻璃、不锈钢等特殊材料也在μDMFC微流场板得到应用。

目前, 单晶硅的微细加工技术较成熟, 采用单晶硅作为基底材料容易实现理想结构的加工。Seo等[10]采用基于单晶硅基底的流场板组装了四单元μDMFC电池堆, 功率密度为329.8±0.47μW/cm2。大连理工大学微系统中心采用湿法刻蚀和射频溅射工艺, 在厚度为380μm的50.8mm (2英寸) 硅片上制备了μDMFC阳极的三通道蛇形微流场和阴极的空气自呼吸点状流场, 如图5所示, 但是硅为半导体材料, 内阻较大[11]。Wozniak等[12]通过在沟道侧壁上溅射金以解决硅基微型燃料电池内阻过大的问题, 但组装后的电池内电阻还是高达100Ω。此外, 作为脆性材料的单晶硅, 往往因受力不均而产生破裂, 导致电池的损坏。

(a) 阳极三通道蛇形流场入口 (b) 阴极点状流场

采用聚合物绝缘材料制作流场板, 由于聚合物绝缘材料韧性远高于单晶硅, 故能够承受较大的压力, 保证接触状态充分。Stanley等[13]采用软光刻技术制作了硅橡胶流场板, 并在上面覆盖了一层金箔。Chan等[14]使用二氧化碳激光器在聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate, PMMA) 片上加工了螺旋式的流场板, 并在表面溅射了40nm厚的金集电层。Cha等[15]采用感光聚合物材料 (AZ1512和SU8) 加工100μm深的点阵式流场, 并在其表面溅射Pt集电层, 其组装的μDMFC最大功率密度为8mW/cm2。

硅和聚合物绝缘体材料的流场板都存在集电层过薄, 影响电池内阻的问题。文献[16]研究了不同厚度的Ti/Cu/Pt多层复合金属集流层对μDMFC内电阻的影响。实验结果表明集流层面电阻与其总膜厚之间呈-3～-2次幂关系, 电阻率发生跃变的临界总膜厚约为950nm;在相同组装条件下, 集流层厚度由0.5μm增加到1.3μm时, μDMFC内电阻可减小一半。Yu Jingrong等[17]对比研究了不同集电层材料和厚度对电池性能的影响, 实验结果表明, 集电层的材料影响燃料电池的内阻, 同时增加集电层的厚度也可以提高燃料电池的性能。

金属材料具有良好的导电性以及优良的强度和韧性。而且金属材料价格低廉、种类丰富, 如不锈钢、铜及其合金、钛及其合金等, 都可以用作流场板材料。Lim等[18]采用印刷电路板 (printed circuit board, PCB) 工艺刻蚀了70μm厚的铜层形成流场, 其组装的燃料电池功率密度达到33mW/cm2。Lee等[19]采用UV-LIGA工艺在304不锈钢表面光刻SU8胶, 然后电铸镍, 制作了镍金属微流场板。文献[20]对316L不锈钢箔的微细加工工艺进行了研究, 分别在厚100μm和400μm的SUS316L不锈钢箔上刻蚀带横向扩散微沟道的流场板, 如图6所示, 其横向扩散通道特征尺寸为150μm。采用金属材料虽然相对于单晶硅和绝缘材料有明显的优势, 但是金属一般是各向同性材料, 采用“光刻-蚀刻”工艺很难加工高深宽比的结构。而且, 常规金属材料的活性较高, 在电池中极易产生腐蚀, 必须进行相应的耐腐蚀处理。目前常见的方法是通过电镀、扩散、离子注入、溅射和真空电弧镀等表面改性的工艺制作导电耐蚀层。

2.3物料管理

燃料电池工作时需要及时补充新鲜的燃料和氧化剂并排出反应产物, 因而对燃料电池反应物及生成物的有序化输运和管理是一个影响到燃料电池整体输出性能的重要因素。对于输出功率较小的μDMFC, 阴极采用空气自呼吸方式是实现空气和生成水输运与管理的简单有效方法, 而阳极甲醇燃料的输运和管理则较为困难。μDMFC阳极物料的输运过程按照其所需能量来源分为被动输运、主动输运和半主动输运3种类型。

2.3.1 被动管理

被动输运模式通过燃料电池中一些特定的内在或外在作用力 (如毛细作用力、气泡驱动力、反应热驱动力、重力等) 实现对电池反应物及其产物的输运和管理, 无需复杂的辅助流体输运系统。被动式μDMFC中采用较多的阳极物料管理模式[21,22,23] 为直接浸入式, 即μDMFC的阳极直接浸泡在燃料罐的甲醇水溶液中, 阳极流场中生成的CO2气泡则通过燃料罐上的排气阀直接排到燃料罐外。但阳极流场直接面向燃料罐开放, 在μDMFC反应过程中CO2气泡生成和排除的无序性极大地影响甲醇传质过程的稳定性, 不利于μDMFC输出性能的提高。文献[24]利用被动效应实现了μDMFC的燃料在阳极流场中的有序自循环:在工作时储液池内充满高浓度甲醇溶液, 反应区储液池则为低浓度的甲醇溶液 (2～4mol/L) ;工作过程中, 反应产生的CO2气泡在反应区出口累积、排除的过程中形成负压, 将高浓度甲醇溶液带入反应区, 补充MEA阳极活性区域甲醇浓度的下降。此外, Guo等[25,26]提出并验证了一种基于“双液毛细虹吸作用”的μDMFC燃料输运系统, 采用特定的多孔材料连接水和甲醇的储液池, 将多孔材料对不同液体因毛细作用差而形成的选择透过性作为甲醇燃料的输运驱动力, 但毛细虹吸泵对甲醇的输送能力很难根据μDMFC的需求变化做出快速响应。

2.3.2 主动管理

主动输运方式是指完全依赖辅助的流体输运系统来完成阳极甲醇水溶液的送进和CO2气泡的排出。对于输出功率一般在毫瓦～瓦级之间的μDMFC系统, 将低功耗的微流体器件集成到μDMFC系统中实现主动式的物料输运和管理成为研究热点。Pavio等[27]报道了一种μDMFC流体输运与控制片上系统, 包含微泵、微阀、微型气-液分离器和微型甲醇传感器等部件。μDMFC流体输运与控制片上系统结构原理如图7所示, 包含有CO2气泡的甲醇溶液经燃料入口回流到片上流体系统中, 首先经过微型气-液分离器将回流燃料中的CO2气泡排除掉, 接着经过微泵-微阀系统输送到燃料出口, 与新鲜的甲醇溶液混合后以特定的浓度输送到μDMFC阳极流场中。由此可见, 在一定条件下采用主动方式可以实现μDMFC阳极反应物和生成物的输运和管理, 但相对复杂的系统和过高的寄生功耗是这种输运方式的最大不足。

2.3.3 半主动管理

与主动式输运方式不同, 阳极物料半主动输运过程所需的能量主要来源于μDMFC系统之外的机械式储能元件 (如弹簧等) , 而且这些能量可以在给燃料罐加注的过程中依靠外力做功储存在储能元件之中。Luharuka等[28]介绍了两种采用恒力弹簧驱动的微型液体燃料输送系统, 分别为采用恒力拉簧驱动的直线型燃料输送系统和采用恒力扭簧驱动的回转型燃料输送系统。恒力拉簧驱动的直线型燃料输送系统如图8所示。整个直线型燃料输送系统加注一次燃料能连续17h为μDMFC稳定提供40μL/h的输出流量。

与主动式输运模式相比, 半主动式输运模式对整个燃料电池系统而言, 其寄生功耗极低。但是, 半主动式输运模式下的输出参数基本上不可调整, 这是因为燃料输运压力和流量是由系统的结构参数决定的。

2.4封装技术

μDMFC的微组装/封装技术直接影响电池内电阻、单位比能量, 进而影响电池的整体输出性能。与其他MEMS 器件相比, 基于MEMS技术的μDMFC结构的特殊性、材料的多样性和工作条件的特殊性给其微组装/封装的可靠性带来了更大的挑战。

现有的μDMFC封装方法主要有热压、高聚物粘合和机械封装。Sim等[29]报道了采用热压封装方法制作的MEMS-μDMFC, 他们采用基于MEMS的体硅刻蚀工艺制作硅基流场板, 并通过气相蒸镀的方法将Cu/Au催化层镀在硅基流场板的表面, 最后将经过预处理的质子交换膜和表面蒸镀有催化层的硅基流场板在温度120℃和压力100kg/cm2的条件下键合90s完成封装。但由于其制备和封装工艺的不成熟, 这种电池的输出性能很低, 在25℃时仅获得0.1V的开路电压。姜英琪等[30,31]介绍了采用液体PDMS粘合MEA和PDMS胶块封装方法得到的μDMFC。该电池以纯氧为氧化剂时最大输出功率密度达到3.86mW/cm2。

μDMFC的内部互连是其微组装/封装技术研究中的关键部分。最常用的互连方式是“压滤机” (图9a) ) 和“折弯互连” (图9b) 两种方式。“压滤机”方式的电池组内部互连是通过每相邻单电池阴阳极的接触实现, 而“折弯互连”是将各单电池阴阳极之间的连线折弯并穿过质子交换膜, 实现单电池的串联。此外, Lee等[32]报道了一种 “倒扣-反转”的互连方式, 采用单电池阴阳极在质子交换膜两侧依次间隔分布的方式, 实现了无需穿透质子交换膜的多个单电池的平面互连, 如图9c所示。

封装压力及其均匀性对电池的性能至关重要。文献[33,34,35]研究了燃料电池封装压力对碳纸和流场板接触电阻的影响。结果表明燃料电池的封装压力太小会导致电池内部电阻过大;压力太大则会导致扩散层孔隙率过小, 影响传质进而影响电池的输出性能。Nitta等[36]、Hottinen等[37]采用理论和实验的方法研究了扩散层压缩量的不均匀性对扩散层传质特性的影响, 表明燃料电池封装过程中, 封装压力的均匀性不容忽视。此外, 封装材料、封装方式的选择直接影响电池的稳定性。文献[38]采用环氧树脂粘结不锈钢、紫外固化胶 (UV) 胶粘结有机玻璃 (PMMA) 和环氧树脂粘结PMMA等封装方法, 研究微型燃料电池封装的可靠性和稳定性。初步研究结果表明:采用UV粘结PMMA封装方法效率高, 但UV胶固有的粘弹特性使得封装电池的夹持力逐渐松弛, 进而导致电池内阻不断变大;而采用环氧树脂粘结PMMA的封装方法更稳定, 但该方法离实用化还有较大差距。

3 结论

各类常规流场结构很难同时兼顾到燃料分配均匀、传质和扩散充分、消耗外部功耗小等方面。在设计流场时不得不根据自己的需求而舍弃相对次要的因素。因此, 新型结构的流场有待进一步研究。

在流场板材料和工艺方面, 硅材料因为其本身的高电阻率和脆性, 并不是流场板的理想材料。PMMA、PDMS等绝缘材料因为其本身绝缘, 做导电化处理后电阻依然很高。金属材料以其优良的机械、电气性能, 在微型燃料电池流场板制作领域有着广阔的发展前景, 但是金属的微细加工技术还不成熟, 制作的流场板需要做相应的耐腐蚀处理, 所以应在加工技术和表面改性工艺方面做更深入的研究。

阳极物料的被动式输运和有序化管理是实现μDMFC系统在零寄生功耗条件下稳定运行的前提, 但其很难根据μDMFC实际需求的变化快速做出响应, 在μDMFC实用化进程中还有待进一步研究。

在μDMFC微组装/封装关键技术及其可靠性问题上, 电池单位输出性能与传统工艺制作的燃料电料相比还存在明显差距, 需通过对MEMS燃料电池的微制造和微组装/封装工艺的不断改进来加以缩小。因此, 针对MEMS燃料电池微组装/封装相关可靠性问题开展全面、系统和深入研究就显得尤为重要和紧迫。

燃料电池电极材料简述 篇2

By 小叶好的

摘要

本文分别简述了五种燃料电池的点击材料的发展状况。分别从质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、熔融盐燃料电池五种类型分别对电极材料进行简述，并结合最新的前沿研究对燃料电池电极材料进行简单的论述。关键词

燃料电池 正极材料 负极材料 电极 燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。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”。一．质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

在质子交换膜燃料电池中，电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸，和质子能够渗透但不导电的NafionTM，而电极基本由碳组成。氢流入燃料电池到达阳极，裂解成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗透到阴极，而电子通过外部网路流动，提供电力。以空气形式存在的氧供应到阴极，与电子和氢离子结合形成水。在电极上的这些反应如下：

阳极：2H2→ 4H+ + 4e-

阴极：O2 + 4H+ + 4e-→ 2 H2O

整体：2H2 + O2→ 2 H2O + 能量

质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。

这种电极/电解质装置通常称做膜电极装配（MEA），将其夹在二个场流板中间便能构成燃料电池。这二个板上都有沟槽，将燃料引导到电极上，也能通过膜电极装配导电。每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。

二．固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。广泛采用陶瓷材料作阴极和阳极电极材料，具有全固态结构。陶瓷电解质要求中、高温运行（600～1000℃），加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

阴极材料目前已经有用柠檬酸络合法制备超细的钙钛矿型结构的固体氧化物燃料电池阴极材料La_(0.7)Sr_(0.2)Co_(0.1)CuO_(3-σ)(LSCC).选用合适的反应条件和煅烧温度制得所需要的材料后,用DSC-TG、XRD、SEM等对粉体进行物相测定和形貌观察;选用不同温度煅烧前驱体,得到不同比表面积的粉体材料,通过半干法工艺成型LSCC阴极材料并测试它在不同温度条件下的电性能.结果表明,溶胶凝胶-高温自燃烧法能制备出超细纯相的LSCC阴极材料,且该阴极材料在中温条件下使用具有良好的导电性能(不低于150 S/cm)和输出功率(0.85 W/cm~2)和较低的活化能(112.1 kJ/mol).最近,一些具有电子和氧离子混合传导的A2B2O5型复合氧化物成为人们研究的热点材料。这类材料主要包括层状钙钛矿结构,如LnBaCo2O5+δ(Ln为稀土元素)、LaBaCuFeO5+δ和YBaCuCoO5+δ等氧化物和钙铁石结构,如Ca2Fe2O5、La2Co2O5等氧化物[1～3]。由于具有良好的晶体结构、独特的电化学性能以及较高催化活性,这些氧化物在新材料开发方面得到了高度的重视[4,5]。有关A2B2O5型层状钙钛矿结构氧化物用于SOFC阴极材料的研究最近也有一些报道,并且表现出较好的电化学性能。Tarancón等报道了GdBaCo2O5+δ氧化物阴极材料在不同固体电解质上的电化学性能,发现当测试温度为700℃时,电极的极化电阻最小值为0.25Ω.cm2。同时,Kim等研究了PrBaCo2O5+δ阴极材料的氧扩散及表无机化学学报第25卷面交换性能,结果显示,在测试温度范围内该材料具有很好的氧扩散能力;同时,电化学测试结果显示,在较低的测试温度下(600℃),PrBaCo2O5+δ阴极材料具有较小的极化电阻(0.15Ω.cm2)。

三．磷酸燃料电池

磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150-200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。

目前已经有ElectroChem电池，其标准电极是使用在碳纸上的10wt %，20wt % Pt/C或30wt% Pt/RU触媒.我们也有特别订制的电极可供选择。但是目前比较成熟的是，正极材料采用磷酸铁锂，正极集流体采用铝箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨的一种或两种混合物，正极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯；负极材料采用天然石墨或人造石墨，负极集流体采用铜箔，导电剂选用超导炭黑、导电石墨一种或两种混合物，负极材料粘结剂选用聚偏二氟乙烯或羧甲基纤维素纳、丁苯橡胶；正极片、负极片、隔膜经多层层叠卷绕制成圆柱形卷芯。本发明不仅容量大，而且可以大倍率放电。合成方法主要有二步法工艺和胶-凝胶法，二步法工艺先是将含铁、酸根的原料均匀混合，在较低温度下合成结晶程度较好的磷酸铁锂；然后将磷酸铁锂和复合导电剂(无机导电物与含碳导电剂前驱物)充分混和，在较高温度下经短时间热处理即可得到电化学性能优良的正极材料磷酸铁锂，获得的磷酸铁锂结晶性好，其与导电剂的界面作用强，使材料的锂离子和电子导电率高，并适合用于大倍率充放，本工艺原料为廉价化工产品，合成工艺简单，易于规模化生产，添加电子导电剂的方法独特，产品材料电化学性能优良。溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料磷酸钒锂的方法。将五氧化二钒粉末加热到600-900℃，并恒温1-4h使其熔融后迅速倒入装有水的容器中形成棕红色溶液，然后往溶液中加入锂盐、磷酸盐和有机酸，混合均匀后，在惰性气体的保护下于400℃-700℃烧结5-20h，冷却后即为成品。

四． 碱性燃料电池

碱性燃料电池一般以碳为电极，并使用氢氧化钾为电解质。碱性燃料电池的电能转换效率为所有燃料电池中最高的，最高可达70%。

19世纪60年代初，中温碱性燃料电池被用于太阳神阿波罗太空飞船，标志着燃料电池技术成为民用。碱性燃料电池在太空飞行中的应用获得成功，因为空间站的推动原料是氢和氧，电池反应生成的水经过净化可供宇航员饮用，其供氧分系统还可以与生保系统互为备份，而且对空间环境不产生污染。

20世纪90年代以来，众多汽车生产商都在研究使用低温燃料电池作为汽车动力电池的可行性。由于低温碱性燃料电池存在易受CO2毒化等缺陷，使其在汽车上的应用受到限制，因此，除少数机构还在研究碱性燃料电池外，大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）上寻求突破。然而PEMFC和DMFC都以贵金属Pt为主催化剂，一旦PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶段，将被迫面临Pt的匮乏。碱性燃料电池可以不采用贵金属作催化剂，如果采用CO2过滤器或碱液循环等手段去除CO2，克服其致命弱点后，用于汽车的碱性燃料电池将具有现实意义。因此，碱性燃料电池领域近年的研究重点是CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂。

最近的研究表明，CO2毒化问题可通过多种方式解决，如通过电化学方法消除CO2，使用循环电解质、液态氢，以及开发先进的电极制备技术等。德国的Gulzow,E.等人2004年研究发现：当电极采用特殊方法制备时，可以在CO2含量较高的条件下正常运行而不受毒化。在电极制备中，催化剂材料与PTFE 细颗粒在高速下混合，粒径小于1μm的PTFE小颗粒覆盖在催化剂表面，增加了电极强度，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孔及对电极造成机械损害的可能性。香港大学倪萌等人2004年提出使用氨（NH3）作为氢源在碱性燃料电池上使用将具有较好的发展前景。氨在室温下仅需8～9MPa就可被液化，不需较高能量消耗，且价格低，已有比较完善的生产、运输体系。氨具有强烈刺鼻的气味，其泄漏很容易检测。氨的爆炸范围比较小，仅15%～28%（体积比），相对安全。在碱性燃料电池使用中，只需在燃料入口增加一个重整器，将NH3分解为N2 和H2 即可。NH3的使用为碱性燃料电池的应用展开了一片较好的前景。

在替代贵金属的催化剂方面，近年的研究集中于：如何在非贵金属催化剂的稳定性和电极性能方面取得突破，开发与贵金属复合的多元催化剂，以及提高贵金属利用率、降低贵金属负载量等。基于纳米材料的电催化剂的应用研究是该领域近年的发展方向之一，纳米材料具有大比表面积、优良的导电性，在强碱液中表现出良好的耐蚀性，碳纳米管（CNTs）可作为碱性燃料电池中H2氧化反应的催化剂或催化剂载体。2000年，印度的N.Rajalakshmi等人采用直流电弧放电法制备单壁碳纳米管，经过加热、纯化、浓硝酸处理过后的碳纳米管具有类似于金属氢化物的催化活性。将其与铜粉按比例混合后制备的工作电极的电化学性能稳定、效率较高。2007年，日本汽车商Daihatsu宣布开发出一款无铂的碱性燃料电池。该技术适用于小型、有限范围的汽车，对性能和耐久性的要求不像大型汽车那么严格，但该技术还处于初级阶段，近期不会有商业化产品。

近年来，国际研究者在CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂方面取得的研究进展，为低温碱性燃料电池的汽车应用创造了可能性。

五． 熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池以熔融碱金属碳酸盐的混合物组成低共熔体系作电解质，以氧化镍为正极、镍为负极的一种燃料电池。其燃料用氢和一氧化碳，氧化剂为空气。

1、阳极

MCFC的阳极催化剂最早采用银和铂，为降低成本，后来改用了导电性与电催化性能良好的镍。但镍被发现在MCFC的工作温度与电池组装力的作用下会发生烧结和蠕变现象，进而MCFC采用了Ni-Cr或Ni-Al合金等作阳极的电催化剂。加入2%~10%Cr的目的是防止烧结，但Ni-Cr阳极易发生蠕变。另外，Cr还能被电解质锂化，并消耗碳酸盐，Cr的含量减少会减少电解质的损失，但蠕变将增大。相比之下，Ni-Al阳极蠕变小，电解质损失少，蠕变降低是由于合金中生成了。

2、阴极

熔融碳酸盐燃料电池的阴极催化剂普遍采用氧化镍。其典型的制备方法是将多孔镍电极在电池升温过程中就地氧化，而且部分被锂化，形成非化学计量化合物，电极导电性极大提高。但是，这样制备的NiO电极会产生膨胀，向外挤压电池壳体，破坏壳体与电解质基体之间的湿密封。改进这一缺陷的方法有以下几种：

（l）Ni电极先在电池外氧化，再到电池中掺Li;或氧化和掺Li都在电池外进行；

（2）直接用NiO粉进行烧结，在烧结前掺Li，或在电池中掺Li:

（3）在空气中烧结金属镍粉，使烧结和氧化同时完成；

（4）在Ni电极中放置金属丝网（或拉网）以增强结构的稳定性等等。

参考文献：

燃料电池的激情 篇3

早在200多年前，英国人戴维就首先提出了燃料电池的原理，在30多年后的1839年，另一位英国人格罗夫第一个制作出了氢一氧燃料电池。但是直到上个世纪末，燃料电池才以它独特的优点得到了世界越来越多的关注和研究，成为能源技术研究的舞台上最激情四射的舞者。

《美国向氢经济过渡的2030年远景展望报告》将开发燃料电池技术，特别是开发氢能技术。列为涉及国家安全的技术之一，提出要走以氢能为能源基础的经济发展道路。此外，美国能源部制定了“氢计划”，计划在2010年实现燃料电池汽车氢燃料的市场份额达到25％。

对这个存在了两个世纪的“老技术”，我们是否应该给予更多的重视，也许，它真会是一个不错的商业机会!

燃料电池原理

燃料电池由燃料、氧化剂、电极和电解质四个主要部分组成。常用的燃料有氢、甲醇、液氨和天然气等，氧化剂主要为空气中的氧。由电催化剂和防水剂组成的“燃料电极”(负极)和“氧电极”{正极)是燃料电池的重要部件，正负两极由电解质隔开。在电催化剂(目前主要为铂金属，约占燃科电池一半以上的成本)的作用下，分布在两个电极上的燃料和氧化剂与电解质一起发生化学反应，产生的电子由导线引出，这样就发出电了。只要不断地有燃料和氧化剂输入，燃料电池就可以持续地供电，而不像干电池和蓄电池那样随着反应物消耗殆尽就寿终正寝了。从本质上说，燃料电池是一种发电装置，它和普通电池一样是将化学能转化为电能，但是人们习惯上更喜欢称之为“电池”。

广泛的应用

高效、洁净是燃料电池的最大特点，但是更具魅力的是它的应用领域非常广泛。根据工作温度和发电功率的不同，燃料电池的应用领域可分四类：

1、大型发电。可替代火力、水力或核能发电，用于商业发电和工业生产；

2、住宅发电。可建在公寓、办公楼等地带，用于分散发电和余热利用；

3、航天航海及变通运输。用于宇宙飞船、潜艇、机器人、汽车、交通艇等的动力系统；

微型燃料电池 篇4

燃料电池将是继水力、火力、核能之后的第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。燃料电池由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成,是一种将氢或富氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置[1]。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)作为燃料电池的一种,是以固体质子交换膜作为电解质,以其低温快速启动、零排放等特点,被认为是电动车、潜艇和各种可移动电源的最佳候选者。双极板是PFMFC的核心部件之一,占电池组质量和成本的很大部分,具有隔离并均匀分配反应气体、收集并导出电流、机械支撑、水热管理、串联各个单电池等功能[2]。双极板流道的设计与加工对PEMFC性能、效率以及成本影响很大。

金属材料导电导热性好、强度高,具有良好的加工性能和力学性能[3]。通过机械加工,可以将金属板料加工成各种流场板,也可以采用冲压成形流场,然后利用胶粘接或焊接的方式,形成多层双极板。目前常用铝、黄铜、铝合金、钛及316不锈钢板等作为板材材料,为了减小机械加工双极板的质量和体积,提高电池的体积比功率和质量比功率,板材厚度一般在0.1～0.3mm之间[4]。板材厚度和极板流道尺寸的微小化和精度要求的提高,对成形提出了挑战。

本文提出了针对金属双极板的累积成形新方法,并在自行研制的微累积成形装置上进行了成形规律和工艺参数对成形力影响的研究。

1 双极板累积成形原理

根据预先设计的微型金属流场板的结构形式和流道截面形状,设计并加工微成形模头作为微型金属流场板上流道的成形工具,微成形模头工作部分的形状和流道截面形状相对应。累积成形是半模成形,因为成形工具头的截面形状与流道的截面形状是一致的,且成形过程中板料底部没有支撑,与单点无模成形有一定的区别。基材四周区域通过压边力施加装置实现基材的固定和压边,然后根据流道形状和走向规划好微成形模头的起始位置和运动路径,微成形模头通过控制系统的控制到达流场板的起始位置后,根据流道的深度对基材超薄板料进行下压。保持微成形模头的垂直方向的位置,然后由控制系统根据流场板流道的走向控制微成形模头运动方向、路径以及加工速度;微成形模头沿着流场板流道走向,通过微小区域塑性成形的积累,完成整个流场的成形,最终得到所需结构形式的微型金属流场板。根据不同的流场结构选择相应的微成形模头起始下压点和加工轨迹,实现平行流场、交指形流场、蛇形流场和仿生型流道的微成形[5]。

国内外对流场板制造的研究主要分为两种:基于微冲压等常规的塑性变形手段和基于微机电系统(MEMS)的微加工技术。这两种加工方法主要是针对具有规则形流道的流场板。基于冲压成形等常规塑性变形手段需针对不同的流道设计加工凸模与凹模,而且随着微型流场板上流道的微型化,微型凸模与凹模的加工难度和成本急剧上升;而基于MEMS(如激光微细加工、光刻、硅微加工、化学蚀刻、电化学蚀刻等)的微加工技术主要针对的是硅片或石墨,限制了加工材料的多样性,加工效率低下,不利于异构微流场板的低成本批量制造。和已有的微金属流场板制造工艺相比,流场板微累积成形无需加工复杂的微模具,特别适用于微尺度下常规微加工方法难以成形或无法成形的具有复杂结构形式的金属流场板成形,成形效率和精度高、工艺简单易控。

根据上述成形原理,成形装置参照微塑性成形实验特点,结合万能实验机功能结构和双极板流道成形的实验性能要求,将双极板流道成形装置机械传动部分设计为竖直结构,其他如成形模具、传感器等安装在机架上,其结构示意图见图1。

双极板流道成形实验过程如下:将板料放置在支撑座上并用压边圈予以固定,然后将固定装置放置在二维移动平台上,通过计算机程序控制加载机构实现Z向移动,并带动成形模头向下运动,完成对板料的Z向加载;由二维平台步进电机控制器实现平台X、Y轴方向的运动以完成最后的成形,在加载以及X、Y方向运动过程中利用传感器和数据采集卡获取实时成形力数据,并存储于计算机中。

2 双极板流道成形的实验研究

目前直流场结构较为普遍,多通道蛇形结构具有很大的灵活性,在不改变流场板面积和形状的条件下,其流道数目和长度以及流道尺寸可以调整,能够设计出各种形式流道[6]。利用累积成形可以成形各种复杂形状的流道,但是各复杂流道都是在直流道的基础上分步实施的。

我们利用搭建的累积成形装置进行金属双极板的直流道成形实验,研究成形规律和工艺参数对成形的影响,这里主要研究不同下压量对成形力的影响规律。通过研究下压量和成形力的关系,可以获得材料的成形性能和最大下压量,实现成形过程的控制,从而提高微双极板的成形效率,保证成形质量。

下压量是流道成形中的重要参数,直接关系到流道最后成形的尺寸。下压量大小并非随意确定,也不完全由流道深度来确定,必须考虑到成形材料性能、板料回弹率以及减薄率等情况,否则成形效果达不到所需状态或出现成形缺陷。

板料为铝合金3003,尺寸为11mm×11mm,除开压边圈作用的部分,实际成形区域为9mm×9mm,成形速度为3mm/s,最后实际成形流道长度为7mm。由于实验存在着误差和不可确定性,所以选择了两组不同厚度的板料来进行实验,厚度分别是0.165mm、0.27mm。为了考察下压量对成形的影响,下压量选择时考虑了厚度的影响, 选取的下压量h分别为相应板料厚度的0.5倍、1倍、1.5倍以及2倍。

采用的成形模头以及板料的参数如表1所示。成形模头的几何尺寸如图2和表2所示。

图3为使用VEECO WYKO NT1100非接触光学轮廓仪拍摄的流道局部放大图。

利用数据采集装置获得了由LabView软件产生的成形力与时间的曲线。由于实验环境的限制,在实验过程中有对信号的干扰产生,生成的曲线有波动,所以我们利用Origin软件对数据进行了处理,最后得到了成形力随时间的变化曲线,如图4、图5所示。

通过对实验数据的统计,得到了不同下压量最大成形力的比较图,如图6、图7所示。

需要注意的是,在板料累积成形过程中,施加在板料上的作用力是通过板料与成形工具之间的接触来传递的。由于成形工具与板料是逐点接触的,其成形问题比传统模具成形更为复杂[8]。

3 结果分析

根据图4、图5,可以得到不同板料厚度在直流道成形过程中成形力随时间的变化规律:两个图形都呈现U形,并且0.27mm板料的成形力曲线开口较大,在成形过程中成形力首先减小然后逐渐增大。在成形的起始点处成形力首先达到最大,然后在0.5s左右的时候减小到最小值,随后一直增大到最大成形力附近,并且在成形快要结束时,成形力的变化较为平缓。

成形力首先达到最大然后减小原因是:板料的四周是用压边圈进行固定的,而且成形的起始 ()()点一般选在离压边圈距离比较近的位置,并且在成形工具达到下压量的时候会保持一段时间,所以成形力首先达到最大;然后随着流道成形的继续,由于板料底部缺乏支撑,板料缺乏刚性以致实际下压量小于设定的下压量,故成形工具越偏离压边圈成形力越小。而后成形工具向着另一方向的压边圈靠近,随着板料的刚性增加模头的实际下压量也增加,则成形力也随之增加至最大成形力附近。由于二维移动平台的控制器中设置的速度加载曲线在成形结束时有一段减速过程,所以两条成形力曲线在最后一段时间显得都较为平缓。比较两种板料,后者板料厚度大,板料整体刚性好,而且由于成形力传感器精度有限,在板料厚度较薄时难以感应到成形力的变化,所以0.168mm板料成形力曲线最后部分更为平滑,0.27mm板料成形力曲线的开口更大。

此外,研究不同下压量成形力的变化规律时发现:最大成形力随着下压量、板料厚度的增加而增加,并且0.27mm板料下压0.5倍板厚时的最大成形力大于0.165mm板料下压2倍板厚时的最大成形力,这说明板料厚度对成形力的影响要比下压量明显。

摘要：双极板是微型燃料电池关键部件之一,微尺度下的高精度极板流道给其成形带来了难度,针对双极板这一特点提出了累积成形方法。在介绍微累积成形工作原理的基础上搭建了相应的实验装置,分别选取0.165mm和0.27mm板厚的成形区域9mm×9mm铝合金板作为双极板毛坯,进行了累积成形实验,分析双极板成形规律,研究了不同下压量对成形力的影响,并且比较了不同下压量时的最大成形力。结果显示,不同厚度的板料随着下压量的增加,成形力在累积成形起始点达到最大,然后成形力先减小后增大,在终点处接近最大成形力;最大成形力随着下压量、板料厚度的增加而增加,0.27mm板料下压0.5倍板厚时的最大成形力大于0.165mm板料下压2倍板厚时的最大成形力。

关键词：微型燃料电池,双极板,累积成形,成形规律

参考文献

[1]李万平,郭晓霞.绿色新能源—燃料电池[J].中国石油企业,2005(增刊):62.

[2]Larminie J,Dicks A.Fuel Cell Systems Explained[M].New York:SAE International and John Wiley&Sons,Ltd.,2003.

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[4]张海峰,衣宝廉,侯明,等.质子交换膜燃料电池双极板的材料与制备[J].电池技术,2003,27(2):129-133.

[5]尹必峰,王匀,许桢英.复杂形状流道微质子交换膜燃料电池金属流场板的成形方法及装置:中国,201010101119.X[P].2010-06-30.

[6]蒋松,高锦张,贾俐俐.金属板料多道次渐进成形过程的数值模拟[J].中国制造业信息化,2009,38(9):17-20.

[7]温秉权,黄勇.金属材料手册[M].北京:电子工业出版社,2009.

会发电的燃料电池 篇5

这套电池技术方案与传统意义上的电池有很大不同，具体表现在工作原理和衍生产品方面。它基于一种含铑元素的特殊分子络合物，这种络合物会以分子的形式嵌入阳极材料，因为阳极的支持材料为碳粉，这使得分子络合物能够均匀分布。然后阳极吸收自由电荷，将它们转移到阴极重新释放，在这一过程当中，电流就生成了。相比过去以“蓄电”为核心的传统电池工作原理，新的燃料电池事实上是靠自己发电来产生电能，同时因为用的是阳极上的分子络合物作催化剂的关系，这一燃料电池技术在发电的同时，还能够顺便产生一些优质的化工产品，让能源得到更全面的利用，实现全无浪费的资源循环。

那么这种有机金属燃料电池具体能够生成哪些化工产品呢?据苏黎世联邦理工学院的汉斯乔格·格鲁茨曼彻教授介绍，电池在发电当中，原料当中的1，2，丙二醇能被转化成多种乳酸，乳酸则可以用来制造生物降解高分子材料，而过去要制造乳酸，就会产生大量处理成本极高的硫酸钙，既不环保也很费钱。同时这一电池方案还会减少制作催化剂时对稀土和贵重金属的需求，更加环保和高效地为其他方面的生产服务。另外，技术人员还希望能够将这种电池的体积缩小，比如放在心脏起搏器里，这样病患也少了很多麻烦。

燃料电池研究动态 篇6

燃由中科院长春应化所、中科院大连

化物所等单位共同承担的国家“863计料划池技”术通过了科技部组织的中期项目检目标导向项目———直接甲醇燃料电电查专利, 并。获得9项发明专利, 两项实用新型

直接甲醇燃料电池是一种将化学能

池连续不断地转化为电能的可再生清洁能

源。自20世纪60年代初问世以来, 以其操研作温度低无环境污染、能、量效率高安全可靠等、特点无电解, 质腐蚀迅速发展、究成为国际高新技术竞争中的重要热点我国对燃料电池高度重视并将其列入国。

家科技中长期发展规划, 属能源、交通、电动子等领域的重要研究方向和急需开拓的

尖端高技术。2007年5月中科院长春应化态所与中科院大连化物所和南通海阳新材料科技有、限公司联合南京师范大, 经学

过2年多的联合攻关, 突破催化剂制备及

性能, 电极及膜电极集合体制备工艺、电池结构改进等技术关键, 批量制备出性能优良的多种催化剂和高性能膜电极集合体, 组装出自呼吸电池及主动式电堆, 实现自呼吸电池甲醇燃料电池组与笔记本电能连用。

据悉, 甲醇燃料电池特别适合中小型电源, 如移动式长效发电系统、便携式电源等, 对于国民经济和国防建设等均具有重要意义。

水质淡化, 微生物燃料电池新方向

美国宾夕法尼亚大学和中国清华大学的最新研究显示, 细菌可将污浊的盐水变为饮用水并发电。

该研究昭示着微生物燃料电池的发展新方向。过去, 微生物燃料电池通常被用于发电或以氢气或甲烷的形式储存电力。现在研究人员最新发现, 微生物燃料电池可将有机废物转变为能量来源。

研究人员首先从池塘或其它天然水域采集样品。在样品的数百万微生物中, 一些细菌会自动地在其细胞内产生电子和质子, 并将它们转运到体外。其它细菌会吸收这些电子和质子, 将其作为创造氢、甲烷和其它化学物质等能量物质的“燃料”。

研究人员发现, 使用两片特制的塑料薄膜就可以利用这些微生物所产生的能量。这种薄膜可以分离微生物产生的电子、离子或气体, 让其分别流向阴极或阳极。阴极、阳极和薄膜组装在一个如同小纸巾盒一样的透明塑料盒中。在薄膜之间加入一杯池塘里的水, 细菌就开始工作, 最终可以产生纯度达90%的水。

水的纯度可以根据科学或商业需要进行调整, 甚至可以达到饮用水标准。微生物燃料电池可以去除水中的大部分盐分, 由于该过程能够减少电力消耗, 因此还可以降低水质淡化成本。

研究人员在一座酒厂附近安装了一个大型微生物燃料电池, 计划将其产生的废水变成氢气。他们表示, 目前这只是一个示范项目。但最终酒厂将可以利用微生物燃料电池产生的电力驱动轿车、铲车和其它车辆。

低成本CIGS太阳能电池

尽管目前业界的太阳能板仍以结晶硅材料占主导的地位, 其它材料的制造成本相对而言仍嫌贵了些。新进的厂商希望吸收能量的材料能被铜铟镓硒 (Copper Indium Gallium Sselenide, 简称CIGS) 或其相关的材料所取代, 铜铟镓硒电池具有高转换效率的潜力, 可以实现低成本的制造, 相比硅基太阳能电池, 仅需使用少量的原材料。不幸的是, 到目前为止, 大量商业化的生产铜铟镓硒电池确实是一件困难的事。最近, 加州大学洛杉矶分校 (University of California, Los Angeles, 简称UCLA) Henry Samueli工程和应用科学学院的研究团队, 研究出低成本的制造方法, 解决铜铟镓硒电池制作的问题。

铜铟镓硒系列的材料可以获得很高的转换效率, 目前已有效率20%左右的电池, 但是其制造成本是很贵的。最终, 产品的制造成本将使得它很难与现有的电价作竞争, 然而, 通过研究人员最近发展的制程, 将可保有相同的效率, 其制造成本却是相对低很多。研究团队实验室制备的铜铟镓二硒薄膜电池在很短的时间内由7.5%提升至9.3%。

微型燃料电池 篇7

目前, 氢气作为燃料因能产生清洁高效的动力而备受关注。为替代传统车辆内燃机驱动以及今后替代电力驱动, 铁路技术研究所研发了用燃料电池驱动的新型车辆, 引入了足以驱动至少一辆车的100kW级燃料电池系统 (简称FC系统) , 并将其安装在试验车辆上进行了运行测试。该车径实际运用还存在许多限制, 如输出功率不能达到传统车辆的加速性能, 而且不能利用再生能量[1]。本研究中, 开发了锂离子电池系统 (简称Li-batt) 、电池DC/DC变流器 (Batt变流器) 以及FC/Batt混合动力系统监控器, 并将它们与FC系统一起安装在R291试验车辆上, 利用再生能量以及辅助电源, 建立了一套混合动力系统。本文将阐述上述研发过程及不同运行条件下能源效率及燃料消耗率的评估结果。

1 FC/Batt混合动力系统的研发

1.1 系统试验车的技术参数

本研究中, 构建了FC/Batt混合动力系统, 并在列车上进行了运行试验。图1为FC/Batt混合动力试验车辆。混合动力系统包括:由输出直流电压800V～1 500V、输出功率700kW的单向DC/DC升压变流器构成的FC变流器;容量为360kW、能量为36kWh的锂离子电池;输出直流电压为600V～1 500V、输出功率360kW的双向DC/DC变流器构成的Batt变流器;两个输出功率为95kW的三相感应电动机组成的主牵引电机;容积为720L、能承受35MPa压强的氢气缸。

在运用FC/Batt混合动力系统后列车输出的数据较传统车辆得到了改善[2], 由原来一辆编组变成了两辆, 牵引功率由120kW提高到360kW, 燃料 (氢气) 利用率由5km/kg提高到7km/kg, 能源利用率提高了15%, 且实现了再生制动。

1.2 系统结构

FC/Batt混合动力系统很好地结合了燃料电池和蓄电池的输出功率, 避免因牵引逆变器输入电压波动影响其加速性能。为充分利用感应电机产生的再生能量, FC/Batt混合动力系统采用了如图2所示的结构。该结构具有传统牵引系统的特点, 如工作条件要求低、可简化主电路等, 最合适安装于传统车辆上。

1.3 锂电池的研发

锂离子电池因具有性能好、可靠性高、价格便宜等优点而被选作为混合动力系统的蓄电池。在传统锂离子电池的基础上, 对本系统所用锂电池的充电和放电电流密度进行了新的设计, 使其是传统锂离子电池容量的10倍。本系统采用的电池技术参数为:额定电压604.8V, 容量60Ah, 功率360kW。电池采用了168块串联、2组并联的结构。

1.4 Batt变流器的研发

为将锂离子电池应用于混合动力系统, 研发了Batt变流器, 其用于将锂离子电池电压在600 V和1 500V之间进行双向转换。变流器主电路类型为双向DC/DC, 最大功率360kW, 低位电压500V～720V, 高位电压1 500V, 质量为2 400kg, 外形尺寸 (长×宽×高) 为4.5m×1.0m×1.65m。

2 FC/Batt混合动力系统的控制

通过从牵引逆变器 (INV) 、锂离子电池、FC系统及FC变流器接受信号的方式, Batt变流器控制FC变流器的输出功率和锂离子电池充放电功率, 以维持总线电压恒定。当总线电压超过1 500V, Batt变流器向锂离子电池充电;反之, 让电池放电。提前设置了充电SOC目标值 (CEO) 和放电SOC目标值 (CSO) , Batt变流器对FC变流器的输出进行控制, 保持来自SOC信号位于CEO和CSO之间。当车辆速度大于5km/h时, 认为车辆处于运行中, 为获得基于速度的再生能量, Batt变流器就会减小CEO和CSO值, 故运行过程中的SOC会比静止状态 (或车辆速度低于5km/h) 的低。当车辆需要在较高SOC条件下进行测试时, 则需要锂离子电池提供加速能量。

为获取再生制动产生的最大功率, 将CEO值设为70%;为避免由于SOC信号的振荡而发生共振, 将CSO值设为60% (即比CEO值低10%) 。这些Batt变流器参数可根据需要进行更改。

3 FC/Batt混合动力系统燃料消耗率及效率评估

我们在试验轨道上对FC/Batt混合动力试验车辆进行了运行试验, 并基于试验结果对混合动力系统的燃料消耗率及能源效率进行了评估。本文对有无等待SOC恢复及是否开启空调等三种工况下的输出进行了比较[3]。

3.1 空调关闭时燃料消耗率和效率的评估

图3为带有SOC恢复及空调关闭情况下 (工况1) 的连续运行试验结果。在有SOC恢复情况下, 只要有燃料就可一直进行运行试验。基于SOC维持在60%情况下 (除了第一次以外) 连续进行了30次试验。

图4为没有SOC恢复及空调关闭情况下 (工况2) 的试验结果。在没有SOC恢复的情况下, 随着运行试验的进行SOC值渐渐降低, 当SOC值低于30%时试验结束。本工况下, 当SOC值从60%降到30%, 可进行22次运行试验。

在这些评估中, 使用下述公式对燃料消耗率和效率各方面进行定义[4]:

其中:A为加速能量;B为辅助能量;C为电池放电能量。氢气消耗能量通过低热值进行换算。

对于工况1、2, 表1列出了燃料消耗率的评估, 表2列出了效率各方面的评估。由表1和表2可知:当空调关闭, 无SOC恢复下, 氢气耗量、燃料利用率、燃料电池效率、再生效率及车辆能源效率都优于有SOC恢复情况。

3.2 空调开启时燃料消耗率和效率的评估

图5为没有SOC恢复及空调开启情况下 (工况3) 连续运行试验的结果。本工况下, 当SOC值从60%降到30%, 可进行16次运行试验。对于工况3, 表3列出了燃料消耗率的评估, 而表4列出了效率各方面的评估。工况2和工况3的差别仅仅是空调的开关与否, 但在燃料利用率和车辆能效方面却分别有1.07km/kg-H2和7.4%的差别。工况2下, 要将SOC从30%恢复到60%, 需要花约12min, 而工况3则要花约15min。工况1中, 每次运行试验要将SOC恢复到60%均需要花3min左右。

4 结论

在装有FC/Batt混合动力系统的两辆车上进行了运行试验, 并对具有60%SOC恢复运行工况和没有SOC恢复工况进行了燃料消耗率和效率方面的评估。结果表明:没有SOC恢复工况的燃料利用率和车辆能源效率分别比有SOC恢复工况好, 约为0.8km/kgH2和10%。另外, 分析了空调开关之间的区别, 结果表明空调关闭时大约有1km/kg-H2的燃料利用量和7%的车辆能源效率的优势。此处, 只能简单地确定车辆能效约65%的车辆如预期一样具有较高的性能。研发尺寸更小的FC/Batt混合动力系统, 并针对实际运用确定燃料电池寿命是今后的研发方向。

摘要：为替代传统车辆的非电气化区段内燃机驱动, 研发了用燃料电池系统进行牵引供电的新型车辆。将燃料电池/蓄电池 (简称FC/Batt) 混合动力系统装于试验车辆上, 并在试验轨道上进行运行试验。阐述了FC/Batt混合动力试验车辆的研发过程, 并对混合动力系统的能效和燃料消耗率做了评估。

关键词：燃料电池,锂离子电池,混合动力,能效,燃料消耗率

参考文献

[1]Ogden J, Steinburger M M, Kreutz TG.A comparison of hydrogen, methanol and gasoline fuels for fuel cell vehicles:implications for the vehicle design and infrastructure development[J].J Power Sources, 1999, 79:143-168.

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氢能与燃料电池能源系统 篇8

根据文献[1]的统计和预测,2003～2030年期间,国际能源消费随人口的不断增长和经济的不断发展将以年2.0%的速度增长,其中包括中国和印度的亚洲、中美洲和南美洲、非洲、中东和欧亚大陆的能源需求将以5.0%的年平均增长率增长;从最终用户能源消费来看,2003～2030年期间,农用能源和商用能源平均增长率分别为1.7%和1.8%,由于高昂的石油价格,运输领域增长较慢,仅为1.4%;工业部门的能源需求增长最快,年平均增长率为2.4%[1]。

另一方面,当今世界的大部分能源需求靠化石燃料满足,在过去的两个世纪里,能源技术的空前发展为人类的文明进步做出了伟大贡献。但是,以化石燃料为主体的能源结构和以燃烧方式为主要能量转换利用方法的世界能源体系给人类生存环境造成的破坏性影响也是严重的,同时,化石燃料的有限性也是一个必须面对的现实。

因此,世界各国先后开始了新型替代能源的研发工作。基于高效、清洁的能源利用需求,能成为替代能源的核能(核聚变)、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能和氢能等利用技术得到了不同程度的发展。

2 氢能的特点[2]

·氢来源广泛,具有再生性。最充足、最廉价的氢源是水。

·氢本身无毒,属清洁的能源。

·高发热值。HHV≈1.43×105 kJ/kgH2,是汽油发热值的3倍,是焦碳发热值的4.5倍。

·燃烧性能好。可燃范围宽、易燃、燃烧速度快(见表1)。

·导热性能好。比大多数气体的热导率高10倍左右,是极好的传热载体。

·可用各种方式储存。从气体、液体到固体,可储存于不同的物质中,如甲醇、乙醇和金属氢化物。

·像任何其它燃料一样可以有效地输运。

·氢利用和储存的安全性。利用现有的技术,采用物理和设计方法可以解决[5]。

所以,与核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能比较,氢能的上述特点使之作为高效、清洁替代能源较具竞争力。因为氢能没有其它替代能源候选者的污染物排放问题、地域性问题、低能量密度和间歇性问题、收集储存输运问题等,潜在的竞争仅来自核聚变。

3 氢能的应用

从能源需求和氢能特点简论了氢能作为理想替代能源的现实性,通过讨论氢能的实际应用,进一步说明这一推论的合理性。

(1)航天航空领域[6]:

著名的应用有氢氧发动机,新型大功率运载火箭及动力装置的燃料,欧盟“CRYOPLANE”计划充分证明了液氢做为未来航空燃料的技术可行性。鉴于相同重量液氢的能量密度是煤油的2.8倍,氢燃料对未来航空发展的影响可能是革命性的,此外还有以氢为燃料的燃料电池供电的电动飞机等。

(2)军事领域[7]:

以氢为燃料的燃料电池供电的潜艇,Quantum AMV“攻击者”军用车,军用机车,中、小规模供舰艇蓄电池充电的燃料电池电厂等。

(3)能源领域[8]:

以氢为燃料的燃料电池(详见本文5),太阳能—氢能系统,生物质—氢能系统。

(4)交通运输领域[8]:

燃料电池汽车、大巴、各种适用的运载工具包括高尔夫车、工程车、铲车、卡车、起重车、矿山机车、自行车、摩托等。

(5)工业领域[9]:

氢是重要的化工原料,冶金、半导体工业的还原/保护性气体,等离子体新工艺燃料供给,新材料制备工艺改进等。

总之,现在的氢能利用已不同程度地深入到各个领域,进一步地说明了氢能作为理想替代能源的现实性。

4 氢气的制备和储存[6][9]

4.1 氢气的制备

4.1.1 电解制氢

包括水电解制氢、热化学制氢和高温热解水制氢。水直接电解制氢成本高,热化学制氢存在材料问题,高温热解水制氢需解决热源的问题。解决上述问题的可能途径是等离子体制氢,其特点为工艺简单、反应条件温和、无污染、能耗低、产氢率高、可再生性[10]。

4.1.2 化石原料制氢

包括烃类制氢、天然气制氢、煤气化制氢、甲醇制氢。目前世界90%以上的氢能来自化石原料制氢。问题包括消耗宝贵的不可再生资源,使用催化剂和排放CO2造成环境污染,热效率低。解决上述问题的可能途径是引入热等离子体技术以简化工艺流程,实现CO2零排放,提高系统效率,这一技术路线对“等离子体点火技术”的研究也是有意义的。相关信息可参考文献[6]的P.68及[11,12,13,14]。

4.1.3 生物质制氢

由于化石原料制氢技术的相对成熟使生物质制氢技术研究集中在生物质热化学制氢方法上是自然的结果,但CO2的排放、碱金属问题和热效率低的问题是必须面临的挑战。一种高效清洁的生物质制氢方案是引入等离子体技术或其它相对成熟的能源技术,并结合燃料电池发电技术构建新型能量转换系统[15]。另一类生物质制氢方法的技术路线为微生物制氢技术[16],包括藻类产氢、发酵法生物制氢、光合细菌产氢、耦合产氢、酶法制氢。生物制氢原理简单,但机理复杂,产氢能力低。由于生物制氢是可再生的,环境友好的产氢技术,采用基因改良和人工驯化的方式在培养混合菌种、选育耐酸发酵菌种、完成天然菌种的驯化方面期待突破。

4.1.4 太阳能制氢

包括太阳能电解水制氢、太阳能热化学制氢、太阳能光化学制氢、太阳能直接光催化制氢、太阳能热解水制氢和光合作用制氢。太阳能电解水制氢采用太阳能—光伏电池—电解水制氢系统,由于低光电转换率,目前,该方法在经济上没有竞争力;太阳能热化学制氢是最有可能率先实现产业化的太阳能制氢技术,与技术相对成熟的传统热化学制氢相比,太阳能只是一个热源[17,18,19];太阳能光化学制氢的主要光解物为乙醇,由于乙醇是完全透明的,必须加入光敏剂以吸收光能,因此该方法的关键技术在于高光吸收率新型催化剂的研发;太阳能直接光催化制氢是直接利用太阳能分解水制氢,包括光催化剂分解法、络合催化分解水制氢、光电化学电解法制氢,该方法的关键在于开发性能稳定的光催化剂,使它在吸收光能、电荷分离与输运方面发挥控制作用,由于该技术环境友好,可再生性,因此成为太阳能制氢的研究热点,尽管目前氢产率仅可高达15%左右;光合作用制氢是利用光合菌产生特定的氮化酶和氢化酶,然后利用它们分解水,主要问题是效率低、酶的热稳定性差且寿命短。上述太阳能制氢技术研发旨在充分发挥太阳能廉价、清洁、丰富的突出优点,太阳能也有呈著的缺点即能量密度较低、间歇性和地域性,为此,利用氢能的可存储性与输运特性,开发了太阳能—氢能—用户的能源系统,该系统的显著特点是实现氢的连续性生产,“太阳能—氢能”系统的概念极具研发价值。

4.2 氢能的储运

4.2.1 常规氢能储存

(1)高压压缩储氢。

压力为(12～82.5)MPa,质量分数为1.6%～10%,是目前常用的储氢技术,缺点是能耗高。

(2)液化储氢。

通过高压氢气绝热压缩可实现液化储氢。优点是体积能量密度高,储存容器体积小,缺点是能耗高,理论能耗为4 kW·h/kgH2,由于“热分层问题”导致维护成本高。目前,也是常用储氢技术之一。

(3)金属氢化物储氢。

原理:利用金属和氢反应生成金属氢化物而将氢储存和固定,基于反应可逆性,通过升温和减压释放氢气。该技术的优点是储氢容量大,成本低,缺点是储氢合金易粉化,经多次储放氢循环,储放性能明显降低,此外,还需热交换附属设备。目前储氢质量分数仅为1.5%～3%,研发方向为开发循环稳定性高,吸、放氢速度快的储氢合金,商业化前景明朗。

4.2.2 非金属氢化物储氢

原理:利用某些烯烃、炔烃或芳香烃等储氢剂和氢气的可逆反应实现加氢和脱氢。理想的有机液态氢载体有环已烷(CY)、甲基环已烷(MCH)、苯和甲苯。有机液态氢化物可逆储放氢系统是一个封闭系统,由储氢剂的加氢反应→氢载体的储存、运输→氢载体的脱氢反应过程组成。和传统储氢方法相比,具有储量大,储能密度高,储氢效率高,适于长距离大规模运输,储氢剂可反复使用的优点,主要问题是脱氢效率低,需开发低温、高效、长寿命的脱氢催化剂(详见文献[9]的P.156～P.159)。

4.2.3 活性炭储氢

原理:利用高比表面积活性炭作吸附剂,在中低温(77～273 K)、中高压(1～10 MPa)下吸附储氢。该方法具有成本低、储氢量高、解吸快、循环使用寿命长和易实现规模化的优点,储氢分数与温度和压力有关,达到1.9%～9.8%,等温脱附率可达95.9%,活性碳纤维和纳米碳纤维是有前途的吸附剂。

4.2.4 纳米碳管储氢

受碳纳米管高比表面积结构优势的鼓舞,开发高储氢潜力的碳纳米管储氢技术是有意义的尝试,其储氢原理包括物理吸附和电化学储氢,研究对象有单壁管和多壁管,到目前为止,由于储氢机理尚未得到充分理解,储氢分数的实验值分散在0.4%～14%之间,并且存在实验的可重复性问题。

4.2.5 其它储氢技术

包括高达700 MPa高压储氢、碳凝胶储氢、玻璃微球储氢、氢桨储氢、冰笼储氢、层状化合物储氢、无机物储氢等,这些储氢技术尚处研发阶段。

5 燃料电池

5.1 原理

燃料电池由阴极、阳极、夹在两极之间的电解质隔膜以及集流板4个主要部件构成。以氢-氧燃料电池为例,在阳极发生燃料的电氧化反应,生成H+和电子e。

H2=2H++2e (1)

H+通过电解质流向阴极,在阴板发生氧化剂的电还原反应,生成水:

1/2O2+2H++2e=H2O (2)

电子通过连接阳极和阴极的外电路形成电流,总反应为

H2+1/2O2=H2O (3)

5.2 燃料电池的特点

(1)高效。

燃料电池依电化学原理等温地将化学能转为电能,理论热电效率为85%～90%,目前,各类电池实际的能量转化效率均在40%～60%范围,若实现热电联供,总效率可达80%以上。

(2)环境友好。

以纯氢为燃料的燃料电池,化学产物为纯净水,根本上消除了NOx,SOx,CO2和尘粒的污染。

(3)安静。

燃料电池依电化学原理工作,电池本体无运动部件,这对于民用特别是军用具有重要战略意义。

(4)可靠性高。

碱燃料电池和磷酸燃料电池发电厂的运行经验已证明燃料电池的高度可靠。宜用于应急电源和不间断电源。

5.3 分类

依电解质种类、燃料电池分为5类:碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),固体氢化燃料电池(SOFC),质子交换膜燃料电池(PEMFC)。AFC、PEMFC和PAFC为低温燃料电池;MCFC和SOFC为高温燃料电池。

5.4 问题

对于AFC,需解决电解液劣化,水、热平衡控制问题;

对于PAFC,在廉价催化剂开发、延长系统寿命和降低成本上期待突破;

对于MCFC,希望提高工作压力,提高输出电流密度,延长电池寿命,降低成本;

对于SOFC,希望改善电池结构,开发耐热材料,薄膜化电解质;实现低温运行。

5.5 应用

(1)可移动电源、便携电源、航空电源、应急电源和计算机电源等,容量在几W～1 kW之间。

(2)电动车、船、居民热电联供,容量范围(5～200)kW。

(3)现场热电联供,容量为(0.2～1)MW。

(4)分散式电站(固定电源),容量为(2～20)MW。

(5)大型发电站,容量为(10～300)MW。

通过氢能储运和燃料电池技术的简要讨论,深化氢能将是未来合适替代能源的可行性认识,因为氢能已渗透到现能源利用系统中的所有领域。

上述讨论旨在说明“氢能在未来的能源发展中将成为主导能源”。基于这一推论,有必要介绍几个基于氢能和燃料电池技术的能源系统。

6 燃料电池能源系统

(1)CO2零排放煤制氢发电系统([9]P.79)

美国(LANL)开发了一种CO2零排放能源系统。

技术特点:借助钙基催化剂和水蒸气对煤进行气化。产物CO2通过与MgSO4反应生成稳定的可存储的MgCO3矿物;而产物H2用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料进行发电。日本(CCUJ)发展了类似系统。

(2)中国天津大学发明了“一种基于甲烷裂解和燃料电池的能源系统”[20]。

技术特点:利用流化床进行甲烷催化裂解,产物氢气用于质子膜燃料电池的燃料进行发电,而产物碳用于直接碳燃料电池的燃料进行发电。

(3)中国华北电力大学建议了一种“热解—直接碳燃料电池联合发电系统”[15]。

技术特点:利用流化床热解生物质,产物碳用于直接碳燃料电池燃料进行发电,而以氢气为主要组分的气态产物用于固体氧化物燃料电池发电。

上述三个系统的共同问题:原料适应性差,工艺相对复杂,工业放大面临的困难具有不确定性。

7 氢经济

目前,实现氢经济转化的主要障碍有两个,一个是燃料电池技术的研发,另一个是氢能的基础设施建设。燃料电池虽实现了不同程度的商业化,但离实现规模化的燃料电池生产尚有一段距离,实现重大突破的前提是开发新型材料(催化剂)以降低燃料电池成本和延长燃料电池的寿命,改善电池堆的热、水管理。如果说燃料电池技术的研发是技术问题,那么氢能基础设施建设很大程度上应视为经济问题,据估计,建全氢经济氢能基础设施至少需20 000亿美元,尽管如此,美国、欧盟、日本、韩国和中国等已开始实施了各自氢能计划,由于最有可能率先实现产业化的是燃料电池汽车,因此利用现有技术加快建立供燃料电池汽车用的氢气加注站(中国已有6座)战略意义重大,它能增强制造商和用户的信心,扩大市场占有率,因此实现氢能储存和运输的重大突破意义深远。

8 结论

(1)氢能特点和技术发展决定了它在未来世界能源体系将占主导地位,潜在的竞争来自核聚变。

(2)燃料电池技术将决定氢经济的进程。

(3)基于燃料电池能源系统的研究有重要意义。

(4)有必要开发工艺简单、环境良好、可再生的制氢新技术。

(5)氢经济转化的主要障碍是燃料电池技术研发和氢能基础设施建设。

(6)期待氢储和输运技术的重大突破。

摘要：基于对世界能源需求、氢能的特点和应用的分析,论证了氢能作为替代能源和未来主要能源构成的现实性;通过对氢气制备与储存技术和燃料电池技术进展的简要分析,论证了氢能利用的可行性;介绍了三种燃料电池能源系统;简论了氢经济转化的主要障碍是燃料电池技术发展和氢能基础设施建设。

直接甲醇燃料电池及其前景 篇9

关键词：燃料电池,直接甲醇燃料电池,原理,应用

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转变为电能的发电装置。燃料电池有许多优点，由于它不受卡诺循环的限制，与传统的能量转换系统相比能量转换效率高。它一般用氢作燃料，氧气为氧化剂，而产物为水，因而对环境的污染很小。由于不同类型的燃料电池在不同场合的应用，使燃料电池有着广泛的用途。

1 燃料电池的历史

燃料电池的历史可以追溯到第19世纪英国法官和科学家William Robe rt Grove爵士的工作。1839年，Grove所进行的电解作用实验———使用电将水分解成氢和氧———是人们后来称之为燃料电池的第一个装置。

剑桥大学的工程师Francis Thomas Bacon博士完成了燃料电池历史的主要一章。1932年，Bacon博士发明了Bacon电池，它也就是第一个碱性燃料电池(alkaline fuelcell, AFC)。20世纪初期，飞机制造商Pratt&Whitney获得Bacon的碱性燃料电池专利执照。之后，这种碱性电池便用于大多数飞行任务。它能产生可饮用水作为副产品是使用燃料电池作为能源的另一好处。在整个20世纪的70、80年代，人们大量研究开发所需的材料，探索最佳的燃料源，同时迅速降低燃料电池技术的成本。直到20世纪90年代，一种廉价的，清洁的，可再生的能源最终成为事实。

目前，许多公共设施都用了燃料电池，很多汽车公司也已经设计出燃料电池汽车。在北美和欧洲的许多城市，以燃料电池为动力的公共汽车也已进入试用，。在今后的几十年中，鉴于人们对能源危机的担心，以及大量使用石油燃料对环境的破坏已受到愈来愈多人的关注，这必将促进燃料电池的发展。

2 燃料电池的种类

燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且用于其特殊的应用。

2.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC)

该技术是GeneralElectric公司在20世纪50年代发明的，被NASA用来为其Ge m ini空间项目提供动力。目前这种燃料电池被汽车公司用来取代原来使用的内燃机。

当然，要使该技术广泛应用仍需解决一系列的问题。其中制造成本是最主要的问题，因为膜材料和催化剂都十分昂贵。同时这种电池需要纯净的氢方能工作，因为它们极易受到一氧化碳和其它杂质的污染。

2.2 碱性燃料电池（AFC)

燃料电池技术中发展最快的一种要算是碱性燃料电池，主要为航空服务。

碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似，但其使用的电解质为稳定的氢氧化钾基质或水溶液，而且电化学反应也稍有不同与羟基(OH)从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子。这些电子为外部电路提供能量，然后回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。

碱性燃料电池启动很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度大约低十倍，在汽车中使用非常笨拙。不过，由于它们是燃料电池中生产成本最低的一种，因而可用于小型的固定发电装置。

2.3 直接甲醇燃料电池（DMFC)

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变异，直接甲醇燃料电池直接使用甲醇而无需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，之后氢再与氧反应。

这种电池的期望工作温度为120℃，略高于标准的质子交换膜燃料电池，效率大约是40%。其缺点是需要更多的白金催化剂。

2.4 再生型燃料电池（R FC)

再生型燃料电池技术相对较新，但全球有许多研究小组正在从事这方面的研究。它与普通燃料电池的相同之处在于也用氢和氧来生成电、热和水。其不同之处是它还进行电解。燃料电池中生成的水再送回到以太阳能为动力的电解池中，在那儿分解成氢和氧组分，然后这种组分再送回到燃料电池。这一技术目前仍有许多问题尚待解决，例如成本以及进一步改进太阳能利用的稳定性等问题。

3 直接甲醇燃料电池的运作原理

所谓直接甲醇燃料电池(Direct Methano lFuelCell)，它属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，系直接使用液态甲醇为燃料供给来源，而不需透过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。相较于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)低温生电、燃料成分危险性低、生电结构简单等特性使直接甲醇燃料电池 (DMFC) 成为便携式电子产品应用的主流。

3.1 直接甲醇燃料电池的运作原理

直接甲醇燃料电池含有阴阳两个电极，而两个电极之间由具有渗透性的薄膜所构成。离子交换膜为其电解质，薄膜的表面则涂有可以加速反应的触媒。甲醇溶液透过阳极进入燃料电池，氧气由阴极进入燃料电池。经由触媒的作用使甲醇所含的氢原子(hydrogen)裂解成质子(proton)与电子(electron)，其中质子被氧吸引到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后到达阴极，与氧(O2)形成水 (H2O) 。

直接甲醇燃料电池 (DMFC) 反应式如下：

阳极反应：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-

阴极反应：3/2O2+6H++6e-→3H2O

电池反应：CH3OH+3/2O2→CO2+2 H2O

3.2 直接甲醇燃料电池与二次电池的比较

直接甲醇燃料电池相较于目前主流二次电池如锂离子电池或镍氢电池具有高能量密度的优势。直接甲醇燃料电池的理论能量密度是4780 Whr/L，相较于镍氢的200 Whr/L、锂离子的310 Whr/L都有较大优势。另外与二次电池蓄电再放电的机制不同，燃料电池可以说是能源转换器，只要持续供应燃料即可持续产生电力，不会有电力中断或更换电池的现象。

4小型直接甲醇燃料电池发展动向

燃料电池的日益发展使它们正成为不断增加的移动电器的主要能源。微型燃料电池因其使用寿命长，重量轻和充电方便等优点，与常规电池相比具有得天独厚的优势。

如果要使燃料电池能在笔记本电脑，移动电话和摄录影机等设备中应用，其工作温度，燃料的可用性，以及快速激活将成为人们考虑的主要参数，目前大多数研究工作均集中在对低温质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的改进。正如其名称所示，这些燃料电池以直接提供的甲醇-水混合物为基础工作，不需要预先重整。

例如东芝公司表示，其闪存播放器尺寸为23x75x10mm，充入3.5m l浓缩甲醇能够支持大概35小时的音频播放;硬盘播放器尺寸较大为60x75x10mm，充入10ml浓缩甲醇可支持多达60小时的音频播放。

东芝的DMFC技术适用于小型燃料电池、采用浓缩甲醇解决方案，是一种被动式燃料供给系统。通常，燃料电池将甲醇与水混合，再浓缩至原来的30%。经过了一系列耐用及可靠性测试，东芝打算进一步促使该技术的成熟以将DMFC集成到商业产品中。

5 结语

从目前的技术水平看，DMFC的功率密度比氢氧燃料电池低，因此这类电池更适用于小型电器中，如移动电话、笔记本电脑等。

现在，国外的很多厂商都开始研究并着手于以此作为燃料。直接甲醇燃料电池(DMFC)由于使用液体甲醇作燃料，电池安全，系统简单，运行方便，具有很广阔的商业化前景。

参考文献

[1]刘建国, 衣宝廉, 魏昭彬.直接甲醇燃料电池的原理、进展和主要技术问题[J].电源技术, 2001.

[2]唐永华, 颜伏伍, 李小毅, 向禹.直接甲醇燃料电池在汽车上的应用前景分析[J].节能与环保, 2005.

[3]汪茂海, 郭航, 马重芳, 贾杰林, 刘璿, 叶芳, 俞坚.直接甲醇燃料电池动态性能的研究[J].中国电机工程学报, 2005.

火柴盒大小的燃料电池 篇10

日本研制出一种高输出功率的小型燃料电池样品。这款燃料电池只有火柴盒大小, 是同等输出功率燃料电池中体积最小的。新款燃料电池的大小为18立方厘米, 输出功率达到以往同类产品的7倍。与输出功率相当的锂离子电池相比, 新款燃料电池的体积缩小了约20%, 重量降低了约60%, 有望安装在手机等小型设备内部。这款燃料电池将产生电能的元件排列成“井”字形, 使元件更充分地和空气接触, 其电能输出功率因而得以提高。