1、 毕业设计（论文）题目名称：新型燃料电池的研究 新型燃料电池的研究Research on new type fuel cellsI摘要能源是经济的的基础。人类为了更有效的的利用能源，一直进行着不懈的努力。利用能源的方式历史上有过多次革命性的变革，每一次变革都极大的推进了社会文明的发展。二次能源中，蒸汽由于传输距离短，难以存储而应用受限；电能虽然传输快、传输距离远，但存在传输过程中存在能量损耗大，难于存储的缺点；而氢能既能远距离传输、又能方便存储，因而成为二十一世纪的理想能源，二十一世纪也被称为氢世纪。多年来人们一直努力寻找既有较高能源效率又不污染环境的能源方式，因而引导出燃料电池发电技术。燃料
2、电池是不经燃烧过程直接把燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换效率高、污染物排放量少的独特优点。燃料电池凭借着它独特的优势应用在各个领域，加速了社社会的发展，推进了社会的文明。本文简述了燃料电池技术，各类燃料电池的原理以及它们各自的特点，并介绍目前燃料电池在国内外的应用现状，同时指出目前影响燃料电池商品化的主要因素。关键词：新能源；燃料电池；高效率；环境保护。IIAbstractEnergy is the basis of the economy. Human beings in order to make more effective use of energy, has been ma
3、king unremitting efforts. The history of the use of energy, there have been several revolutionary changes each time changes are greatly promoted the development of our society. Secondary energy in the steam due to short transmission distance, it is difficult to store and the application is limited;
4、electricity transmission faster, the transmission distance, but there is energy loss in the transmission process, difficult to store shortcomings; hydrogen both long-distance transmission. can facilitate the storage, and thus become the ideal energy of the twenty-first century, the twenty-first cent
5、ury is also known as a hydrogen century. Over the years people have been trying to find the energy efficiency of higher energy without polluting the environment, and thus lead to a fuel cell power generation technology. The fuel cell is not directly by the combustion process the fuel chemical energy
6、 converted into electrical energy, with the unique advantages of high energy conversion efficiency of the discharge of pollutants. The fuel cell by virtue of its unique advantages of application in various fields to accelerate the social development of society, and promote the social civilization. I
7、n this paper, the fuel cell technology, the principle of various types of fuel cells and their respective characteristics, and describes the application of fuel cells at home and abroad, noting that the main factors affecting the commercialization of fuel cell.Keywords: new energy; fuel cell; high e
8、fficiency; environmental protection.III目录摘要 .IAbstract .II引言 .11 介绍 .22 燃料电池技术 .33. 燃料电池的分类 .43.1 碱性燃料电池（AFC） .43.2 磷酸燃料电池（PAFC） .53.3 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) .63.4 固体氧化物燃料电池(SOFC) .73.5 质子交换膜燃料电池(PENFC) .84. 燃料电池的应用现状以及存在的问题 .114.1 燃料电池的应用现状 .114.2 燃料电池应用存在的问题 .135.国内外燃料电池发展现状 .145.1 国际燃料电池技术的发展状况 .145.2 中
9、国燃料电池技术的发展状况 .146.结语 .16参考文献 .17致谢 .18中原工学院毕业论文 1引言21 世纪将是氢能的世纪，随着地下煤气化制氢以及金属合金贮氢等技术的日趋成熟，燃料电池作为把氢能直接连续转化为电能的高效洁净发电装置即将大规模全面进入社会。预计到 2017 年，30%以上的电力将由燃料电池供给。燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置，是一项高效率利用能源而又不污染环境的新技术。燃料电池有多种类型，按使用的电解液不同分类，主要有磷酸型燃料电池（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
10、料电池（PEMFC）及碱性燃料电池（AFC ） 。90 年代初，很有竞争力的燃料电池质子交换膜燃料电池，在实用化方面取得了突破性进展，并成为当今国际上燃料电池开发的热点。PEMFC 以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，Pt 为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或氧气为氧化剂。PEMFC 具有室温启动，无腐蚀与电解液流失，低噪音，寿命长和输出比功率高等独特优点，不仅是电动汽车的理想电源，而且可以应用于航天军事等特殊领域，并且随着 PEMFC 生产成本的降低和电池系统技术的优化，在燃料电池电站、电动汽车、高效便携式电源等方面都具有很大的市场潜力。进入 90 年代后，PEMFC 技术迅猛发展 ,德国
11、Daimler-Benz 汽车公司开发的电动汽车，使用 Ballard公司研制的 PEMFC 电池堆作为动力电源， 1994 年制成了 Necar1 车，动力50kW；1996 年制成 Necar2 车，动力 50kW，最高时速 110km，最大行程400kW，1997 年又制成了 Nebus 型公共汽车，动力 250kW，使用压缩氢气为燃料。1997 年 8 月，Ballard 公司又研制出 250kW 的电站，以天然气为燃料。美国时代周刊 1995 年将燃料电池汽车列为 21 世纪十大高新技术之首。加拿大政府已经决定将燃料电池产业作为国家知识经济的支柱产业之一加以发展。日本、德国等发达国家
12、也纷纷投巨资发展燃料电池技术。在我国，中科院曾将燃料电池技术列为“九五”院级重大和特别支持项目，国家科技部也将燃料电池技术列入“九五”攻关项目，在“十五”期间，国家对燃料电池的研究更加重视，研究重点集中在质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池上。本文阐述了燃料电池技术，燃料电池工作原理，燃料电池的分类，以及燃料电池在各个方面的应用等。中原工学院毕业论文 21 介绍能源是国民经济发展的重要基础。至今，煤炭、石油、天然气等化石燃料一直是全世界的主要能源。但根据已探明的储藏量和目前消耗水平，石油、天然气只够使用 3050 年，煤可用 100200 年。化石燃料的使用带来的另一个重要问题是排放大量的一
13、氧化碳、一氧化氮、碳氢化合物及硫化物危及身心健康。由于燃料电池发电的原理是电解水,为氢和氧的逆反应，故生成物为水，对环境和生态均无污染；且能源利用效率为常规发电方式的 1.5 倍，节能效果显著。故燃料电池被认为是21 世纪的能源之星。燃料电池所用的氢来源于甲醇汽油、天然气和化工、氧气工业的副产品，还可从食品废弃物、粪便、秸秆和下水污泥等可再生有机废物发酵产生的沼气中提取。日、美等国已开发成功高效电解水提氢技术，人们还预测在光电大幅降价后利用光电电解水的方式提氢。所以它的原料来源广泛，在军事和民用上显示着广泛的应用前景，对其深入研究和开发也倍受世界各发达国家的高度重视。但自 1839 年第一个燃
14、料电池问世以来，因许多技术上的困难，其发展和商业化一直受到限制。直到 20 世纪 60 年代，由于在太空计划中的成功应用，燃料电池技术才得到了快速的发展。特别是近几年来，随着人类对环境保护的日益关注，燃料电池在发电和汽车领域的应用已取得了重大的进展。中原工学院毕业论文 32 燃料电池技术燃料电池的基本原理在 1838 年被瑞士科学家 C.F.Schonbein 发现。William Grove 先生于 1839 年研制出第一台燃料电池基于一次水的电解事故。剑桥大学的弗朗西斯培根在 1950 年展示了第一个 5 千瓦的碱性燃料电池。碱性燃料电池的研制成功后，NASA 需要一个紧凑的系统来产生电力
15、为航天飞机应用。20 世纪 70年代，在没有使用任何备用电流的情况下，如电池，国际燃料电池开发一个 12 千瓦的碱性燃料电池，为美国宇航局的航天飞机轨道器提供可靠的电力。在 60 年代中期开始，研究工作的重点集中在发展不同只有稳定源和运输的各种燃料电池的进一步应用。另外，美国，加拿大和日本的政府机构已显著增加他们的资金，用于燃料电池研发。但在许多国家，由于其较高的安装成本，这个问题被放到 50 年后再考虑。经过电源转换装置的发展后，为减少其较高安装成本，更多的研究都向燃料电池方向发展。中原工学院毕业论文 43. 燃料电池的分类燃料电池以电解质的类型来分类，可分为碱性燃料电池（AFC） 、磷酸燃
16、料电池（PAFC ） 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类，表 1 是各种燃料电池的对比，下面分类介绍。表 1 各种燃料电池的对比3.1 碱性燃料电池（AFC）碱性燃料电池是以氢氧化钾或氢氧化钠等强碱性的水溶液为电解质，氢为燃料，纯氧或者脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂的燃料电池。碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 碱 性 燃 料 电 池 的 原 理 ：氢氧燃料电池有两个燃料入口，氢及氧各由一个入口进入电池，中间则有一组多孔性石墨电极，电解质则位于碳阴极及碳阳极中央。氢气经由多
17、孔性碳阳极进入电极中央的氢氧化钾电解质，在接触后进行氧化，产生水和电子。H 2 + 2OH- 2H2O + 2e-，电子经由外电路提供电力并流回阴极，并在阴极与氧及水接触后反应形成氢氧根离子：O 2 + 2H2O +4e- 4OH-，最后水蒸汽及热能由出口离开，氢氧根离子经由氢氧化钾电解质流回阳极，完成整个电路。碱性燃料电池的化学反应式为： 阳极反应：H 2+2OH- 2H 2O+2e-阴极反应：1/2O 2+H2O+2e- 2OH -中原工学院毕业论文 5总反应： 1/2O2+H2 H 2O优点：因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高，所以碱性燃料电池的发电效率高；由于碱性燃料电池用的
18、是碱性介质，故可以用非铂催化剂；因工作温度低、用的是碱性介质，所以可以采用镍板做双极板。它的缺点是：因为电解质为碱性，易与 CO2 生成 K2CO3、Na 2CO3 沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去 CO2，这给其在常规环境中应用带来很大的困难。3.2 磷酸燃料电池（PAFC）磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。可以在 150220 摄氏度工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易被 CO 毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。 图 1 磷酸燃料电池的基本结构 磷酸燃料电池的基本结构见图 1。磷酸燃料电池的反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成 H2、CO 和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成 H2 和 CO2。经过如此处理后的燃料气
