生物燃料电池的应用篇1
关键词：建筑节能，化粪池，微生物燃料电池，产电
中图分类号：tU201.5文献标识码：a文章编号：
1引言
近年来，中国房地产业蓬勃发展，每年新建房屋面积高达17～18亿平米，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和[1]。建设事业迅猛发展，建筑能耗随之迅速增长，1999年我国建筑能耗占社会总能耗的比例已达到20%～25%。随着人民生活水平的不断提高、城镇化进程的加快以及住房体制改革的深化，我国的建筑能耗必将进一步增加。为此，“建筑节能”概念应运而生。
建筑节能，在发达国家最初为减少建筑中能量的散失，现在则普遍称为“提高建筑中的能源利用率”，即在保证提高建筑舒适性的条件下，合理使用能源，不断提高能源利用效率[2]。我国建筑节能起步较晚，建筑能耗比发达国家高很多。因此，不断开发新的建筑节能技术，提高建筑物的能源利用效率至关重要，力求在减少建筑内能源总需求量的同时，大力开发利用可再生的新能源[3]。
微生物燃料电池（microbialFuelCells，mFCs）作为近年来发展起来的一种新能源，是一种利用微生物的酶将储存在有机物质中的化学能转化成电能的装置[4,5]。本文将探讨mFC在建筑节能领域应用的可行性，将其与化粪池联合作用，达到产能与处理粪水的双重效果。
2mFC简介
如图1所示，阳极室的底物在微生物的呼吸作用下被代谢分解，产生的能量被微生物储存用于自身生长，而产生的电子被介体从微生物体内携带出来传递到阳极上，外部与用电器连接构成回路，电子在回路中流动，从而形成电流。这个过程中产生的质子通过质子交换膜传递进入阴极室，与氧气和电子反应生成水，从而实现化学能到电能的转化[6]。影响mFC产电的因素很多，如电池的结构及运行方式、产电微生物的种类、电极种类及比表面积、质子交换膜、底物种类等。
图1微生物燃料电池工作原理
3以粪水为基质的mFC可行性及研究进展
人体排泄物主要成分中3/4为水，1/4为固体；固体中30%为死细菌，10%～20%为脂肪，2%～3%为蛋白质，10%～20%为无机盐，30%为未消化的残存食物及消化液中脱落的上皮细胞等固体成分[7]。其中大部分物质，如脂肪、蛋白质、碳水化合物等大分子物质，但都可以经过水解发酵转化成小分子物质，直接作为产电微生物电子供体[8,9]，因此理论上粪水可以作为微生物燃料电池的燃料。
将微生物燃料电池应用于人体排泄物的处理是近些年才开始关注的技术，研究也刚处在起步阶段，仅有为数不多的研究小组在进行研究。Li等研究了以粪水为燃料的mFC产电性能，结果表明，利用厌氧发酵装置对粪水发酵，将大分子化合物分解为小分子有机物后再作为mFC的底物，其产电性能有了大幅度提升[10]。因此，可考虑利用化粪池作为厌氧发酵装置，构建“产酸发酵预处理单元”与“mFCs单元”，将生活粪便污水经发酵水解后作为mFC的燃料进行产电。
4mFC在建筑中应用的探讨：
1）mFC与化粪池合用的可行性
目前建筑中采用的化粪池大多为砖砌或钢筋混凝土浇筑，内部一般分两格或三格，如图2。人体排泄物首先进入第Ⅰ池，比重较大的固状物及寄生虫卵等沉淀下来，利用池水中的厌氧细菌开始初步发酵分解，经第一格处理过的污水可分为三层：上层糊状粪皮、中层比较澄清的粪液和下层的固状粪渣。之后中层粪液经过粪孔溢流至第Ⅱ池，而将大部分未经充分发酵的粪皮和粪渣阻留在第Ⅰ池继续发酵。流入第Ⅲ池的粪液已基本腐熟，出水排入市政管网。
图2：三格化粪池剖面示意图[11]
粪水厌氧发酵阶段产生的小分子有机物主要存在于第Ⅱ池的中层粪液，因此，可利用中层粪液作为mFC的燃料。如图3所示，在化粪池Ⅱ格内设置连通管，中层粪液经滤网过滤后进入mFC电池组，经产电微生物作用后流入化粪池第Ⅲ格。连通管处设置流量调节阀，控制进入mFC阳极室的粪液量及流速，以达到最佳产电效果。研究表明，在相同条件下（电池体积、底物、接种微生物、外界温度等），单室电池比双室电池的产电高：Liu等采用单室（空气式阴极）微生物燃料电池处理城市废水，产能密度为146mw/m2，而采用双室（液体式阴极）微生物燃料电池产能密度仅为16～28mw/㎡[12]，同时考虑到占地面积，建议采用单室微生物燃料电池组与化粪池联合。化粪池一般埋地设置，因此mFC上空需安装格栅，保持阴极与空气的良好接触。
根据用电器的用电要求，mFC电池组的各单体电池可采取串联或并联方式，以求电压或电流的最大化。Du等以单体有效容积120cm3的mFC处理人体粪水，最高可产生0.288mw的电能[13]。若组装10m³的mFC电池组，则可连续提供24w的电能，可为LeD灯等用电功率较低的电气设备提供长期电源。
图3：mFC与化粪池合用平面示意图
2）mFC与化粪池合用的理论依据
化粪池内理论上为厌氧环境，与mFC阳极室相同，因此将它们直接连通，不会造成内部环境的本质改变。
（1）温度：中温厌氧消化温度为30～36℃；而在30℃下，mFC的最大产电性能相对优良，其输出功率、库伦效率、CoD去除率等均比20℃时有较大幅度的提高[14～16]。
（2）pH值：对污泥厌氧消化的影响很大[17]，水解与发酵菌对pH值的适应范围大致为5～6.5，甲烷菌对pH值的适应范围为6.6～7.5之间，即只允许在中性附近波动[18]；而产电微生物也是的近乎中性的环境中反应。
（3）微生物种群：目前大部分mFC中的产电微生物，都是从厌氧污泥中培养出来的，其中普通变形菌和埃希氏大肠杆菌被证明是很好的接种细菌[19]，而混合接种比纯种接种微生物产电要高很多。park等向电池中分别接种污泥和埃希氏大肠杆菌时，产能密度分别为787.5mw/m2和91mw/m2[20]。一些已知的在化粪池中产酸发酵的微生物分属于以下几类：梭菌属（Clostridium）、产碱菌（alcaligenes）、肠球菌（enterococcus），也都已经从mFC中分离出来。
综上所述，将mFC与化粪池直接连通具备可行性。
3）mFC与化粪池合用的优势
（1）mFC可分担部分化粪池水解酸化后的污水，提高有机物去除率，提高出水水质，在一定程度上减小城市污水处理厂的负担。
（2）化粪池运行期间，池内污水保持流动状态，mFC阳极室中的溶液也会不停流动，相当于连续运行的mFC。mFC的运行方式是影响其产电的重要因素，连续运行比间歇运行产电性能高。
（3）产电微生物能将底物直接转化为电能，避免了受卡诺循环和现代材料的限制，保证了较高的能量转化效率；mFC内部反应生成的产物为二氧化碳和水，不需要进行废气处理，且无噪音、无异味，不存在二次污染的可能；在缺乏电力基础设施的局部地区，将mFC与化粪池合用，可提供基本的而宝贵的照明电能。
生物燃料电池的应用篇2
关键词：催化剂；生物燃料电池；能源短缺
Doi：10.16640/ki.37-1222/t.2017.11.243
随着人口的不断增加，能源短缺的问题也日益暴露，寻找新的绿色能源已经迫在眉睫。生物燃料电池则是应用微生物或者酶作为催化剂，把燃料中的化学能转化成电能，这种生物燃料电池原料易得，拥有非常高的能量转化率，对环境产生的危害更小，可以广泛的应用在很多行业之中。
1生物燃料电池优势
生物燃料电池和其他电池有着很大的不同，它主要是通过生物原料经过催化剂的催化从而生成氢离子，生成的氢离子又与空气中的氧气或者其他氧气中的氧相结合从而生成电流[1]。以葡萄糖分子为例，完全氧化葡萄糖分子的过程中能够让24个电子生成电流，通过光合作用产生的葡萄糖在氧化过程中碳元素不会发生变化，更有利于对环境的保护。而且生物燃料电池的原料非常易得，可以是有机物、无机物还可以利用污水。相对于其他类型的电池，生物燃料电池在操作的时候只需要在一般的温度和压力的环境下操作就可以，因为生物电池的催化剂一般采用的是酶或微生物，所以不需要创造额外的环境和条件。此外，生物燃料电池还能够通过和人体内的葡萄糖、氧气相结合，帮助被移植在人体中的人造的器官产生电能。
2工作原理与分类
2.1微生物电池
微生物电池是将燃料放置在阳极室内，微生物不断的发生代谢和氧化反应，在外电路的连接下电子达到阴极，而质子则是利用交换膜到达阴极，已经发生了氧化的物质受到催化剂的影响在阴极室发生氧化还原反应[2]。在最理想的操作状态之下，每包含0.4g湿微生物细胞（相当于0.1g干细胞）的电池能够输出电压0.4V输出电流0.6ma。因为电子转移形式的不同微生物燃料电池又被分为两种，其中燃料在电极上直接发生氧化反应的是直接微生物电池，燃料在其他地方发生氧化反应并通过一些特定的途径将电子传递在电极上的为间接微生物电池。
2.2酶生物电池
微生物电池虽然在工作期间比较稳定，催化燃料的程度比较彻底，但是将化学能转化为电能的转化率可能会因为在传输过程中受到生物膜的影响而大大降低。但是酶生物电池就能够克服这一问题。因为酶催化剂拥有非常高的浓度，在电能传输的过程中能够不收到生物壁垒的影响，所以能够输出更多的电流和电压。它的工作原理为，葡萄糖被氧化辅酶进行催化从而变化为葡萄糖酸，利用介质将产生的电子进行转移，并由氢离子利用隔膜进行扩散。在阴极中获得电子的过氧化氢经过催化剂催化和与氢离子进行反应，从而产成水。
3研究现状与应用
现在对生物燃料电池的研究还处于不断探索的阶段，生物燃料电池还存在着电能转化和输出效率低，使用的时间较短等问题[3]。有研究表明，科学家利用从菠菜叶叶绿体中分解出来的多种蛋白质放入特殊导电装置进行电池的制作，但是这样的电池使用寿命仅有21天，将光能转化成电能的转化率仅仅只有12%，但是电能的转化了率可能会随着科技的不断发展，提高为20%，到那时这种生物燃料电池的能量转换率就将超过太阳能硅电池，所以这项研究也吸引了很多的关注，相关的研究人员也在一直积极的探索者这种电池对环境变化的适应情况。可以预见生物燃料电池在很多领域都能得到应用。
3.1交通运输供能方式更换
现阶段的交通运输采用的能源主要是利用一些化石燃料燃烧所产生的能量，最主要的就是应用石油。但是化石燃料的燃烧会对环境产生极大的危害而且不便于携带储存量较小。但是应用生物燃料电池，就能够应用其他材料作为能源，有效的缓解化石燃料燃烧造成的不好影响，减轻相关的环境问题研究证实1L浓缩的碳水化合物溶液可以驱动一辆车行驶25～30km。
3.2可植入的能量来源
生物燃料电池能够在生物的身体内进行工作，而且产生电能所需要的氧和燃料能够直接从生物体内获得，应用在医学中，能够为移植在人体内的医学装置提供能量。比如说，葡萄糖生物传感器就可以应用生物燃料电池，其中葡萄糖氧化酶为阳极，一个细胞色素C的最为阴极，为装置提供电能。
3.3污水处理
废水也可以作为生物燃料电池原料的来源，产生电能。这样一来不仅能够获得能源，同时也能将废水中的有机化合物提出出去，对污水起到净化的作用。有研究表明150000人口的城镇的废水如果效率为100%的话甚至能够产生2.3mwof的能量。
4前景展望
生物燃料电池原料来源广泛，操作方便的同时对环境的危害也很小，是一n新型的优质可再生的绿色能源。虽然现阶段生物燃料电池还存在着不够稳定，电能转化率低等问题，但是随着科技的不断进步，生物燃料电池将被不断的发展和完善，在今后的智能电网发电体系中发挥出重要的作用。同时还需要加强对材料稳定性、增加生物催化效率以及电子转移等相关知识的研究，配合生物燃料电池的探究和开发。
5结束语
生物燃料电池是一种新的能源，虽然对生物燃料电池的研究还处于初级阶段，但是可以预见生物燃料电池未来会在污水处理、智能电网建设、交通、医疗等方面发挥出巨大的作用，对我们的生活和环境产生巨大的影响。
参考文献：
[1]葛小萍，刘财钢，石琰Z.微生物燃料电池在污水处理方面的应用研究进展[J].科学技术与工程，2010，10（14）：3419-3424.
生物燃料电池的应用篇3
关键词:化学新课程燃料电池电极反应式
随着课程改革的逐步推进,化学新课程教材中的选修模块《化学反应原理》成了高考必考模块。由于国际市场原油价格居高不下,新型能源的研究迫在眉睫。燃料电池因其能量利用率高而颇受人们关注,成为近一段时期高考热点问题。那么什么是燃料电池,燃料电池的工作原理是什么,电极反应式如何正确书写?下面我结合教学经验,借助例题来谈谈这类试题的解答方法。
―、认识燃料电池
燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置,它可以将贮存在燃料(如H、CH、乙醇等)和氧化剂中的化学能直接转化为电能。它由燃料、氧化剂、电极、电解质组成。所有燃料电池的基本形式为:将燃料和氧气(或空气)分别充入负极和正极,两者在电极的催化作用下进行化学反应,从而产生电流。在不断补充燃料和氧气(或空气)的条件下,燃料电池可连续发电。因此,它不同于需要间断充电的蓄电池,也不同于一次性电池。这种电池能量利用率可高达80%(一般柴油发电机只有40%左右),反应产物的污染也少。高考燃料电池根据采用的电解质不同分为:(1)碱性燃料电池;(2)酸性溶液燃料电池;(3)熔融盐燃料电池;(4)固体氧化物燃料电池;(5)质子交换膜燃料电池。
燃料电池的原理并不复杂。以氢―氧燃料电池为例,当氢气被送到负极通道,由于负极催化剂的作用,氢分子(H)发生氧化反应,失去电子,生成带正电荷的H,H进入电解液中,电子(e)则通过外电路流向正极,产生电流。正极区的氧同电解液中的H吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。
二、燃料电池的常考类型和解题方法
燃料电池虽然是一种不经过燃烧而转化电能的装置,但其在放电时发生的总反应和燃料燃烧时的总反应一样(如生成物与电解液能继续反应的要考虑继续反应)。一般是o为氧化剂,可燃物为还原剂。我们可以利用这一点进行解题。根据原电池的基本原理,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,所以可燃物为负极反应物,o为正极反应物。燃料电池电极式书写非常好的解决方法是“燃烧总反应法”,即“燃烧总反应式-固定正极反应式=负极反应式”(总反应式有离子反应最好写离子方程式)
1.碱性溶液燃料电池(如电解质溶液为KoH溶液或naoH溶液,电极为惰性电极)。
固定正极反应式:o+2Ho+4e=4oH
反应过程:o+4e=2o,2o+2Ho=4oH
o在碱性条件下不能单独存在,只能结合Ho生成oH。
例:
CHoH|KoH(aq)|o
总反应式:2CHoH+3o+4oH=2Co+6Ho。
(反应过程:2CHoH+3o=2Co+4Ho,2Co+4oH=2Co+2Ho)
正极反应式:3o+6Ho+12e=12oH
(o+2Ho+4e=4oH)
负极反应式:2CHoH+16oH-12e=2Co+12Ho
(CHoH+8oH-6e=Co+6Ho)
电解液pH变化:pH变小。(从总反应看,既反应了碱又生成水,使电解液碱性减弱)
2.酸性溶液燃料电池(如电解质溶液为HSo溶液或Hpo溶液,电极为惰性电极)。
固定正极反应式:o+4H+4e=2Ho
反应过程:o+4e=2o,2o+4H=2Ho
o在酸性条件下不能单独存在,只能结合H生成Ho。
例:
CHCHoH|HSo(30%)|o
总反应式:CHCHoH+3o=2Co+3Ho。
反应过程:CHCHoH+3o=2Co+3Ho,生成物不与电解液反应此反应,即为总反应式。
正极反应式:3o+12+12e=6Ho
(o+4H+4e=2Ho)
负极反应式:CHCHoH+3Ho-12e=2Co+12H
电解液pH变化:pH变大。(从总反应看,反应生成水,稀释电解液,使电解液酸性减弱)
3.熔融盐燃料电池(熔融KCo或LiCo或LiCo―naCo)。
固定正极反应式:o+4e+2Co=2Co
例:
熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用LiCo和naCo的熔融盐混合物作电解质,Co为阳极燃气,空气与Co的混合气为阴极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池,完成有关的电池反应式:
总反应式:2Co+o=2Co。
正极反应式:o+4e+2Co=2Co
负极反应式:2Co+2Co-4e=4Co
(Co+Co-2e=2Co)
4.固体氧化物燃料电池(电池的电解质传递o)。
固定正极反应式:o+4e=2o
例:
一个电极通入空气,另一个电极通入CH,电池的电解质是掺杂了Yo的Zro晶体,它在高温下能传递o。
总反应式:CH+2o=Co+2Ho。
正极反应式:2o+8e=4o
(o+4e=2o)
负极反应式:CH+4o-8e=Co+2Ho
5.质子交换膜燃料电池(膜只传递质子即H)。
质子交换膜燃料电池,是一种新型燃料电池,其电解质是一种固体有机膜,在增湿情况下,膜只传导质子。它一般用铂做催化剂,工作环境温度一般为60―80℃,属低温燃料电池。
质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、密封圈、和带有导气通道的流场板组成。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分,中间是一层很薄的膜――质子交换膜,这种膜不传导电子,是氢离子的优良导体,它既作为电解质提供氢离子的通道,又作为隔膜隔离两极反应气体。膜的两边是气体电极,由碳纸和催化剂组成,负极为燃料电极,正极为氧电极。流场板通常由石墨制成。多个电池单体根据需要串联或并联,组成不同功率的电池组(电堆)。
例:
H/o(电解质为质子交换膜)
正极:o+4e+4H=2Ho
总反应式:2H+o=2Ho
正极:o+4H+4e=2Ho
负极:2H-4e=4H
(H-2e=2H)
总之,对于原电池的电极反应式的书写来说,最重要的是明白原电池的工作原理,这一点对学生来说不难理解,但是对于有电解质溶液参与的电极反应来说就不知如何是好,正负极也能找到,就是写不出电极反应式。负极失电子正极得电子都知道,却忽略了得失电子变成离子后要进入溶液中,如果溶液中存在的离子与在正极负极得失电子变成的离子不能共存,则要继续反应,反之,不反应共存于溶液中。如果能分析清楚这些,那么难题也就迎刃而解了。
参考文献:
[1]杨海萍.燃料电池电极反应式书写的规律.考试周刊.长春出版社,2009,(51).
[2]段茂连.几种新型燃料电池电极反应式的书写.试题与研究.教学论坛.中学生学习报社,2010,(5).
生物燃料电池的应用篇4
燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，可以用天然气、石油液化气、煤气等作为燃料。也是煤炭洁净转化技术之一。按电解质种类可分为碱性燃料电池（afc）、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）、质子交换膜燃料电池（pemfc）、再生氢氧燃料电池(rfc)、 直接醇类燃料电池（dmfc），还有如新型储能电池、固体聚合物型电池等。
氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，co等一些气体也可作为mcfc与sofc的燃料。从长远发展看，高温型mcfc和sofc系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。
燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。
1，中国燃料电池技术的进展
“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，目标是，利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新；在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]， 其中，用于电动汽车的“5kw质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。
在质子交换膜燃料电池（pemfc）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kw-2kw、5kw、10kw至30kw电池组与电池系统。5kw电池组包括内增湿部分,其重量比功率为100w/kg，体积比功率为300w/l。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kw移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5kw电池组构成的30kw电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的mk7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。
在熔融碳酸盐燃料电池（mcfc）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。
在固体氧化物燃料电池（sofc）技术方面，已经制备出厚度为5-10μm的负载型致密ysz电解质薄膜，研制出一种能用作中温sofc连接体的ni基不锈钢材料。负载型ysz薄膜基中温sofc单体电池的最大输出功率密度达到0.4 w/cm2, 负载型lsgm薄膜基中温sofc单体电池的最大输出功率密度达到0.8w/cm2。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。
2，国外燃料电池技术发展迅猛
燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。
欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，pemfc技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2mw、4.5mw、11mw成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于国防、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。
目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。
3，我国开发燃料电池技术相对乏力
我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在pemfc方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型mcfc和sofc具有特别重要的意义。但是我国在mcfc、sofc研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开发情况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的ballard一家公司的资产就达10亿美元。
4，大力发展燃料电池技术势在必行
从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。
国家计委在1997年提出的中国洁净煤技术到2010年的发展纲要中，已把燃料电池列为煤炭工业洁净煤的14项技术重点发展目标之一[6] 。在“十五”科技发展规划中，燃料电池技术被列为重点实施的重大项目[7]。
生物燃料电池的应用篇5
关键词：燃料电池；分类；研究；应用现状
引言
国际能源界预测，本世纪氢能将得到广泛的应用，而燃料电池将成为利用氢能的重要途径。燃料电池是继水力、火力、核能之后的第四电装置，它是可以替代内燃机的动力装置。燃料电池具有安全、高效、无污染、适用广、无噪声等特点，已成为当今世界能源领域的开发热点。
1基本原理
普通电池是将电池内部的化学能转变成电能，而燃料电池是将电池外部的燃料（氢和氧）通过反应，将其释放的能量转变成电能输出。燃料电池外部的燃料存储系统是一个活动装置，可以方便地更换和补充燃料。
燃料电池的基本原理是水的电解的逆反应。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质组成。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气），在电极上常使用催化剂（例如白金）来加速电反应。氢在负极分解成正离子h＋和电子e。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。
2燃料电池的种类及其特点
2.1质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcells—pemfc)
该电池的电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（如白金），其两侧分别供应氢气及氧气。由于pem燃料电池的唯一液体是水，因此腐蚀问题很小，且操作温度介于80℃～100℃之间，安全上的顾虑较低；其缺点是，作为催化剂的白金价格昂贵。pemfc是轻型汽车和家庭应用的理想电力能源，它可以替代充电电池。22碱性燃料电池(alkalinefuelcells—afc)
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，但其电解质为稳定的氢氧化钾基质。操作时所需温度并不高，转换效率好，可使用的催化剂种类多且价格便宜，例如银、镍等。但是，在最近各国燃料电池开发中，却无法成为主要开发对象，其原因在于电解质必须是液态，燃料也必须是高纯度的氢才可以。目前，这种电池对于商业化应用来说过于昂贵，其主要为空间研究服务，包括为航天飞机提供动力和饮用水。
2.3磷酸型燃料电池(phosphoricacidfuelcells—pafc)
因其使用的电解质为100％浓度的磷酸而得名。操作温度大约在150℃～220℃之间，因温度高所以废热可回收再利用。其催化剂为白金，因此，同样面临白金价格昂贵的问题。到目前为止，该燃料电池大都使用在大型发电机组上，而且已商业化生产，但是，成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。
2.4熔融碳酸盐燃料电池((moltencarbonatefuelcells—mcfc)
其电解质为碳酸锂或碳酸钾等碱性碳酸盐。在电极方面，无论是燃料电极还是空气电极，都使用具有透气性的多孔质镍。操作温度约为600℃～700℃，因温度相当高，致使在常温下呈现白色固体状的碳酸盐熔解为透明液体。此型燃料电池，不需要贵金属当催化剂。因为操作温度高，废热可回收再利用，其发电效率高达75％～80％，适用于中央集中型发电厂，目前在日本和意大利已有应用。
2.5固态氧化物燃料电池(solidoxidefuelcells—sofc)
其电解质为氧化锆，因含有少量的氧化钙与氧化钇，稳定度较高，不需要催化剂。一般而言，此种燃料电池操作温度约为1000℃，废热可回收再利用。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于使用固态的电解质，这种电池比熔融碳酸盐燃料电池更稳定。其效率约为60％左右，可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。缺点是构建该型电池的耐高温材料价格昂贵。
2.6直接甲醇燃料电池（directmethanolfuelcells—dmfc）
直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，然后如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢再与氧反应。这种电池的工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约在40％左右。其使用的技术仍处于研发阶段，但已成功地显示出可以用作移动电话和笔记本电脑的电源。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。
2.7再生型燃料电池（regenerativefuelcells—rfc）
再生型燃料电池的概念相对较新，但全球已有许多研究小组正在从事这方面的工作。这种电池构建了一个封闭的系统，不需要外部生成氢，而是将燃料电池中生成的水送回到以太阳能为动力的电解池中分解成氢和氧，然后将其送回到燃料电池。目前，这种电池的商业化开发仍有许多问题尚待解决，例如成本，太阳能利用的稳定性等。美国航空航天局（nasa）正在致力于这种电池的研究。
2.8锌空燃料电池(zinc－airfuelcells—zafc)
利用锌和空气在电解质中的反应产生电。锌空燃料电池的最大好处是能量高。与其他燃料电池相比，同样的重量，锌空电池可以运行更长的时间。另外，地球上丰富的锌资源使锌空电池的原材料很便宜。它可用于电动汽车、消费电子和军事领域，前景广阔。目前metallicpower和powerzinc公司正在致力于锌空燃料电池的研究和商业化。
2.9质子陶瓷燃料电池(protonicceramicfuelcells—pcfc)
这种新型燃料电池的机理是：在高温下陶瓷电解材料具有很高的质子导电率。protoneticsinternationalinc.正在致力于这种电池的研究。
3燃料电池的研发和应用现状
燃料电池技术在全球的开发极为活跃。全世界约有20多个国家的上千家公司和机构投入巨额资金从事燃料电池的研究和商业化工作。目前，已有2500多个燃料电池系统安装在世界各地，为医院、托儿所、宾馆、办公楼、学校、机场和电厂等提供基本的和备用的电力供应。
美国是研究燃料电池最早的国家，处于该领域的领先地位。早在上世纪60年代初，nasa为解决航天飞机中普通电池过重的问题而开始研究新的动力装置。之后的几十年中，能源
部（doe）、电力研究所（epri）和气体研究协会（gri）等部门都投入了大量的人力和财力进行研发。目前，碱性电池长期被nasa采用；磷酸型电池技术也相当成熟，已有广泛的商业化应用。2mw的熔融碳酸盐电池已投入运行，西屋（westinghouse）公司100kw固体氧化物电池也已在荷兰安装。
日本在30多年前就开始燃料电池的研究，近年来成果尤为显着。开发重点集中在磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型3大类。容量达11mw的磷酸盐发电装置也已在东京电力公司投运，效率达43.6％，熔融碳酸盐型已经运转的有2mw级装置。另外还建立了许多宾馆、医院用的100kw级的磷酸型现场发电电池系统。
欧洲各国燃料电池开发较美国、日本为晚。早年主要兴趣在碱性电池，随着燃料电池技术的发展，其优越特性逐渐为人们所认识，欧洲各国也加快了燃料电池技术的引进开发。荷兰、意大利、德国、西班牙等国分别完成10kw、100kw、280kw级碳酸盐型电池的开发，德国和瑞士分别进行了7kw和10kw级固体氧化物电池的开发；意大利于1991年投运了美国造的1mw级磷酸型电池装置。
由于石油短缺和汽车尾气污染等环境问题日益严重，目前燃料电池研发生产的一个重要方向是能够给汽车提供动力。几乎所有大的汽车制造商都在研发使用燃料电池的电动汽车，并已有示范车型。目前，丰田和本田公司已经在日本和美国开展电动汽车的租车业务。现在已有一些使用充电电池的电动汽车，但使用燃料电池的电动汽车市场仍处于培育阶段。专家们预测到2010年前后才能实现商业化。应用于便携式设备（手机、笔记本电脑、掌上电脑等）的微型燃料电池的研发竞争也在激烈地进行。
我国燃料电池的研制开发起步并不晚，然而发展缓慢。上世纪70年代，为配合航天事业的发展我们在碱性燃料电池领域取得了一些进步，但到上世纪80年代由于资金原因研发放慢了，直至上世纪90年代末才又开始新一轮的研发及商业化尝试。
在国内燃料电池研发工作中具有代表性的大连研究所，已经从事燃料电池的研究近50年，早年曾成功研制了500w的碱性型燃料电池，近年来致力于质子膜、熔融碳酸盐和固体氧化物型电池的研究。该所在2001年至2003年间，将30kw的质子膜电池组用在小型汽车和大型公共汽车上示范成功，并成立了新源动力公司，开始了产品的商业化进程。2003年春，该所与清华大学合作将75kw的质子膜电堆应用在公共汽车上。在直接甲醇燃料电池方面，大连化物所、韩国三星公司、南孚电池公司建立了合作实验室。目前，中国科技大学无机膜研究所已成功研制了新型中温固体氧化物燃料电池。6种燃料电池的应用及技术状态见表1。
表16种燃料电池的应用及技术状态
电池种类
可用燃料
应用
技术状态
质子膜
氢气、重整气
电动车、潜艇电源
研发、改进、已有商业化产品
磷酸盐
重整气
现场集成能量系统
已有商业化产品
熔融碳酸盐
净化煤气、天然气、重整气
电站、区域性供电
在日本和意大利有示范电站
固体氧化膜
净化煤气、天然气
电站、联合循环发电
示范、测试
碱性
纯氢气
航天、空间站
在航空航天领域长期应用
直接甲醇
甲醇、乙醇
移动电源
研发
4结语
由于燃料电池的成本居高不下，目前仍处于研发和示范应用阶段，但它在能源贮备、供应方面的安全、可靠、高效率、无污染等特性和广阔的应用前景，使得全世界都在这个领域进行着研发竞赛。
生物燃料电池的应用篇6
【摘要】本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。
1．引言能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200ma/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（aFC）、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）及质子交换膜燃料电池（pemFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。2.燃料电池的特点与原理由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：l不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率；具有很强的过负载能力；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；用天然气和煤气等为燃料时，noX及SoX等排出量少，环境相容性优。如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（aFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（pemFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（paFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（mCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SoFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把paFC称为第一代燃料电池，把mCFC称为第二代燃料电池，把SoFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：负极：H2+2oH-2H2o+2e-正极：1/2o2+H2o+2e-2oH-电池反应：H2+1/2o2==H2o另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。paFC和pemFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：燃料极：H2=2H++2e-（1）空气极：2H++1/2o2+2e-=H2o（2）全体：H2+1/2o2=H2o（3）氢氧燃料电池组成和反应循环图在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的o2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和o2生成的H2o，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，paFC和pemFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。单电极组装示意图paFC的电解质为浓磷酸水溶液，而pemFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以pt作为触媒，燃料气体中的Co将造成中毒，降低电极性能。为此，在paFC和pemFC应用中必须限制燃料气体中含有的Co量，特别是对于低温工作的pemFC更应严格地加以限制。磷酸型燃料电池基本组成和反应原理磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：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体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对paFC和pemFC，高温型燃料电池mCFC和SoFC则不要触媒，以Co为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。mCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在mCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。mCFC工作原理。空气极的o2（空气）和Co2与电相结合，生成Co23-（碳酸离子），电解质将Co23-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H+相结合，放出e-，同时生成H2o和Co2。化学反应式如下：燃料极：H2+Co23-=H2o+2e-+Co2（4）空气极：Co2+1/2o2+2e-=Co23-（5）全体：H2+1/2o2=H2o（6）在这一反应中，e-同在paFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，mCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的Co23-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH4在电池内部改质，在电池内部直接生成H2的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份Co和H2o反应生成H2，因此，可以等价地将Co作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用ni和不锈钢来制作。SoFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用Zro2(氧化锆)，它构成了o2-的导电体Y2o3（氧化钇）作为稳定化的YSZ（稳定化氧化锆）而采用。电极中燃料极采用ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用Lamno3(氧化镧锰)。隔板采用LaCro3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SoFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SoFC的反应式如下：燃料极：H2+o2-=H2o+2e-（7）空气极：1/2o2+2e-=o2-（8）全体：H2+1/2o2=H2o（9）燃料极，H2经电解质而移动，与o2-反应生成H2o和e-。空气极由o2和e-生成o2-。全体同其他燃料电池一样由H2和o2生成H2o。在SoFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份Co可以直接作为燃料利用。表1燃料电池的分类类型磷酸型燃料电池（paFC）熔融碳酸盐型燃料电池（mCFC）固体氧化物型燃料电池（SoFC）质子交换膜燃料电池（pemFC）燃料煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等煤气、天然气、甲醇等纯H2、天然气电解质磷酸水溶液KliCo3溶盐Zro2-Y2o3(YSZ)离子(na离子)电极阳极多孔质石墨(pt催化剂)多孔质镍(不要pt催化剂)ni-Zro2金属陶瓷(不要pt催化剂)多孔质石墨或ni(pt催化剂)阴极含pt催化剂+多孔质石墨+tefion多孔nio（掺锂）LaXSr1-Xmn(Co)o3多孔质石墨或ni(pt催化剂)工作温度~200℃~650℃800~1000℃~100℃近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。aFC已在宇航领域广泛应用，pemFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，paFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，mCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作为发电最有应用前景的SoFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（paFC）已达到"电站"阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。3．燃料电池发电系统3.1.利用天然气的发电系统mCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600℃，符合mCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。另一方面，空气极侧需要的o2通过空气压缩机供给。另一个反应因素Co2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的Co2。除了有Co2外，燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2o，将影响发热量，为此通常是先将排出燃料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有o2、Co2的气体）来除去其发生的热。通常是按600℃供给的气体在700℃下排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即，空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2o（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2o来供给。这种系统的效率可达55~60%。在整套出力中mCFC发电量份额占90%。绝大部分的发电量是由mCFC生产的。如果考虑到排气形成的动力回收和若干的附加发电，广义上也可以称为联合发电。在使用paFC的情况下，若以煤炭为燃料发电时就不容易了，采用天然气时，其构成类似于mCFC机组，基本上是由电池本体发电。原因是paFC排出气体温度较低，与其进行附加发电不如作为热电联产电源。SoFC能和较高温度的排气体构成附加发电系统，由于SoFC不需要Co2的再循环等，结构简单，其发电效率可以达到50~60%。3.2利用煤炭的发电系统以mCFC为例进行介绍。煤炭需经煤气化装置生成作为mCFC可用燃料的Co及H2，并在进入mCFC前除去其中含有的杂质（微量的杂质就会构成对mCFC的恶劣影响），这种供给mCFC精制煤气，其压力通常高于mCFC的工作压力，在进入mCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约700℃）相混合，调整为对电池的适宜温度（约600℃）。该阳极气体的再循环是，将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给o2和Co2是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2及Co变换成H2o和Co2后供给的。实际的燃料电池，内部电阻会发热，将通过在空气极侧流过的大量的氧化剂气体（阴极气体，即含有o2和Co2的气体）而除去。通常通过调整空气极侧的流量，把以600℃供给的气体在700℃排出。为此采用了阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约700℃的高温。因此，在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到600℃，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。空气极侧的出入口温度，取决于再循环和来自压缩机的供给空气流量和再循环回路中的热交换量。排热回收系统（末级循环），是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合，其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生，形成汽水循环。这种机组的发电效率，因煤气化方式和煤气精制方式等的不同而有若干差异。利用煤系统SoFC其构成是复杂的。但若用管道气就简单多了，主要的是采用煤炭气化系统造成的，其效率为45~55%。4．我国燃料电池的发展状况我国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了mCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级aFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院pemFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DmFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的mCFC原理性电池。"八五"期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SoFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kw-2kw、5kw和25kw电池组与电池系统。5kw电池组包括内增湿部分其重量比功率为100w/kg，体积比功率为300w/L。我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在pemFC方面的研究力度。2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kw车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，2001年将提供40kw的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华一年前在eVS16届大会上宣布，中国将在2000年装出首台燃料电池电动车。我国燃料电池的研究工作已表明：1.中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；2.大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果；3.在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。但是我国在paFC、mCFC、SoFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。此前参与燃料电池研究的有关概况如下：4.1.pemFC的研究状况我国最早开展pemFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究pemFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制,已制造出100wpemFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CasewesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。中国科学院大连化学物理所于1993年开展了pemFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35w/cm2。清华大学核能技术设计院1993年开展了pemFC的研究,研制的单体电池在0.7V时输出电流密度为100ma/cm2，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管式pemFC的设计，该单位已与德国Karlsrube研究中心建立了一定的协作关系。天津大学于1994年在国家自然科学基金会资助下开展了pemFC的研究，主要研究催化剂和电极的制备工艺。复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇pemFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门大学近年来与香港大学和美国的CasewesternReserve大学合作开展了直接甲醇pemFC的研究。1994年，上海大学与北京石油大学合作研究pemFC("八五"攻关项目)，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了pemFC的研究，目前单体电池的电流密度为150ma/cm2。中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究pemFC，主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。天津电源研究所1997年开始pemFC的研究,拟从国外引进1.5kw的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。华南理工大学于1997年初在广东省佛山基金资助下开展了pemFC的研究，与国家科委电动车示范区建设相配合作了一定的研究工作。其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。中科院电工研究所最近开展了电动车用pemFC系统工程和运行模式研究，拟与有色金属研究院合作研究pemFC/光伏电池(制氢)互补发电系统和从国外引进pemFC装置。1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行pemFC的研制与开发，5kw的pemFC样机现已研制成功并开始接受订货。4.2.mCFC的研究简况国内开展mCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过mCFC，90年代初停止了这方面的研究工作。1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了mCFC的研究，自制Lialo2微粉，用冷滚压法和带铸法制备出mCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了mCFC的研究，在Lialo2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作mCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了mCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了mCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。1995年上海交通大学与长庆油田合作开始了mCFC的研究，目标是共同开发5kw～10kw的mCFC。中国科学院电工研究所在"八五"期间，考察了国外mCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了mCFC电站系统工程关键技术的研究与开发。4.3.SoFC的研究简况最早开展SoFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在1971年就开展了SoFC的研究，主要侧重于SoFC电极材料和电解质材料的研究。80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SoFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SoFC结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SoFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究,组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V，电流密度400ma/cm2，4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SoFC的研究，从研制材料着手,制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09w/cm2～0.12w/cm2，电流密度为150ma/cm2～180ma/cm2，工作电压为0.60V～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20w～30w块状叠层式SoFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。中国科学技术大学于1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992年在国家自然科学基金会和"863"计划的资助下开始了中温SoFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SoFC，工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SoFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200ma/cm2的电流密度。此外,他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SoFC。清华大学在90年代初开展了SoFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉,并开展了平板型SoFC成型和烧结技术的研究,取得了良好效果。华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SoFC的研究,组装的管状单体电池，用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mw/cm2，电流密度为17ma/cm2，连续运转140h，电池性能无明显衰减。中国科学院山西煤炭化学研究所在1994年开始SoFC研究，用超细氧化锆粉在1100℃下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质。该所从80年代初开始煤气化热解的研究，以提供燃料电池的气源。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段，正在镇江市建立工业示范装置。该所还开展了使煤气化热解的煤气在高温下脱硫除尘和甲醇脱氢生产合成气的研究，合成气中Co和H2的比例为1∶2，已有成套装置出售。中国科学院大连化学物理所于1994年开展了SoFC的研究工作，在电极和电解质材料的研究上取得了可喜的进展。中国科学院北京物理所于1995年在国家自然科学基金会的资助下，开展了用于SoFC的新型电解质和电极材料的基础性研究。（
生物燃料电池的应用篇7
1．写总反应：电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可以根据燃料的燃烧反应写出燃料电池的总反应，如果电解质参与反应，应写最终产物。
2．写出正极反应：燃料电池的正极为o2得电子的反应，但不同电解质下氧气得电子后的产物不同。
3．根据电池的总反应和正极反应凑出负极反应，要求正、负极反应相加能得到总反应。该步骤的技巧是：一定要使得总反应方程式和正极反应中的电子数相同的情况下，再相减。
一、水性电解质（酸性、中性或碱性的溶液）
1个o2分子得到4个电子转变成2个o2-，但应注意o2-在电解质溶液中不能稳定存在，如果是酸性电解质，o2-要结合H+生成：o2+4H++4e-2H2o；如果电解质溶液显碱性或中性，则o2-与H2o结合生成oH-：o2+2H2o+4e-4oH-。
二、固体氧化物电解质
固体氧化物电池是一种新型的燃料电池，电解质在熔融状态下能传导o2-，通常是掺杂氧化钇（Y2o3）的氧化锆（Zro2）晶体。负极通入燃料（如丁烷）则负极C4H10+13o2--26e-4Co2+5H2o，正极通入空气，正极反应为o2+4e-2o2-，其电池组成可以表示为（－）燃料-Zro2、Y2o3-o2（＋）。
三、熔融碳酸盐电解质
熔融碳酸盐电池的电解质通常为熔融K2Co3、na2Co3等，其负极通入Co，正极通入的是空气和Co2的混合气体，o2先得电子后变成o2-，继而o2-会与Co2结合成Co32-，因而正极反应方程式为o2+2Co2+4e-=2Co32-，电池组成一般表示为（－）燃料｜K2Co3｜o2+2Co2（＋）。
例：一种新型的熔融盐燃料电池具有高发电效率而备受重视，现用Li2Co3和na2Co3的熔融盐混合物做电解质，一极通入Co气体，另一极通入空气与Co2的混合气体，制得燃料电池。该电池工作时的总反应式为2Co+o2=2Co2，正极反应为o2+2Co2+4e-2Co32-，由此可得负极反应为2Co+2Co32-4Co2+4e-。
在教学过程中，笔者逐渐总结出另一种方法，更为简洁，更适合于高三复习用，可分为三步：
（1）先找出发生氧化反应（还原反应）的物质，一般规律：负极是燃料（可一种或多种）失电子，正极是o2得电子。再写出它们分别对应的氧化产物（还原产物），这点一定要考虑电解质是否参与反应。
（2）找对反应物和产物后，接着标上转移的电子数。
（3）利用电荷守恒，从电解质中找出符合客观实际的离子（注意是否共存），添加在电极反应式的两端。
（4）最后看是否符合质量守恒。
例如：若碱性条件下某燃料电池一极通入Co和H2，另一极通o2，写出正负电极反应：
第一步，负极燃料有两种Co和H2，因为是碱性溶液，所以负极产物是Co32-和H2o，而不是Co2和H2o，正极产物是oH-，负极：Co+H2Co32-+H2o；正极：o2oH-；
生物燃料电池的应用篇8
（龙海市第五中学，福建龙海363110）
【摘 要】由题目命题、解题、评题进行试题分析，然后拓展分析总结燃料电池电极反应式书写规律，关键先写出在不同介质中的总反应式和正极反应式，从而得出负极反应式，并把它应用到解题中。在解题中逐步提升学生分析解决问题能力，培养学生观察图形能力，把它迁移应用到其它新型化学电源解题分析。
关键词新型化学电源；拓展分析；迁移应用
新型化学电源是高考复习中的一个重要知识点，涉及的新型电池有“氢镍电池”“高铁电池”“海洋电池”“燃料电池”“锂离子电池”等等，由于题材广，信息新，陌生度大，解题从何入手，学生往往感到困惑，在高三的复习尤其关键。在教学中可由习题回顾，总结规律拓展分析，并逐步提升同学们知识迁移应用能力。
【例1】（2014·莆田高三调研）有四种燃料电池：a.固体氧化物燃料电池，B.碱性氢氧化物燃料电池，C.质子交换膜燃料电池，D.熔融盐燃料电池，下面是工作原理示意图，其中正极反应生成水的是（ ）
1）说命题
在知识技能方面以原电池中燃料电池反应原理为考点，考查氢氧燃料电池在不同的介质环境中发生的电极反应。要求看图分析，从图形中获取有关感性知识和印象，并进行初步加工、吸收和存储的能力。
在过程和方法方面从图形中提炼出相关的化学信息，结合所学化学知识学会分析电极发生的反应，懂得书写电极反应式。
2）说解题
本题首先弄清各燃料电池发生的反应式，氢氧燃料电池在酸性和碱性介质中发生的反应学生较熟悉，而在固体氧化物和熔融盐介质中发生的反应较陌生，结合图形提示分析：
3）说评题
试题的优点：高考考试说明显示，高考命题将更加注重图表语言的考核。用图表表述化学过程或呈现背景信息是化学的基本表达方式，简约化是理科考生应该具有的最基本的思维特征，而图表正是化繁为简的妙法。
本题借助图形，考查的知识点探究意味较强，考察的能力较全面，本题有深化分析的价值，借助此题，详细分析，有助于掌握其它燃料电池发生反应的原理。
试题的不足：本题设计的是氢气，同学们较熟悉，试题难度不大。
4）拓展分析
由本题同学们应清楚其它燃料电池电极反应的书写，应总结规律，做到举一反三的效果。
小结：燃料电池电极反应式的书写
电极：惰性电极。
燃料包含：H2、Co、烃(如CH4、C2H6)、醇(如C2H5oH、CH3oH)等。
电解质包含：①酸性电解质溶液，如H2So4溶液；②碱性电解质溶液，如KoH溶液；③熔融氧化物，如Y2o3；④熔融碳酸盐，如K2Co3等。
第一步：写出电池总反应式
若产物与电解质不反应则燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，如:甲烷燃料电池酸性介质中的总反应式为CH4＋2o2=Co2＋2H2o
若产物能和电解质反应则总反应为加合后的反应。甲烷燃料电池(电解质溶液为KoH溶液)的反应式为：
【例2】某科研单位利用电化学原理用So2来制备硫酸，装置如下图，含有某种催化剂。电极为多孔的材料，能吸附气体，同时也能使气体与电解质溶液充分接触。
（1）通入So2的电极为_____极，其电极反应式为______，此电极区pH_____（填“增大”“减小”或“不变”）。
（2）电解质溶液中的H＋通过质子膜____（填“向左”“向右”或“不”）移动，通入氧气的电极反应式为___________。
（3）电池总反应式为____________。
5）知识迁移应用
【例3】（2014·福建名校联考优化卷）锌-空气可充电电池的储存电量是锂电池的三倍，这种电池使用特殊材料吸附空气中的氧，以苛性碱溶液为电解质，放电过程中消耗锌。该电池放电时的总反应：2Zn＋o2=2Zno。
下列有关该电池的判断正确的是（ ）
a．放电时，锌发生氧化反应，作电池的正极
B．放电时，正极反应为Zn＋2oH－－2e－=Zno＋H2o
C．充电时，阴极反应为o2＋2H2o＋4e－=4oH－
D．电池中的隔离膜只允许oH－通过
解析：选D。放电时，锌失电子，发生氧化反应，作负极，先写出正极反应式为o2＋2H2o＋4e－=4oH－，总反应减去正极反应式，则负极反应式为Zn＋2oH－－2e－=Zno＋H2o，a、B错；充电时，阴极反应为负极的逆反应，阴极反应式为Zno＋H2o＋2e－=Zn＋2oH－，阳极反应为正极反应的逆反应，阳极的反应式为4oH－－4e－=o2＋2H2o，C错；放电时，oH－由正极通过隔离膜移向负极，充电时，oH－由阴极通过隔离膜移向阳极，D正确。
对于其它新型电池，同样先写出总反应式，再写出较简单的电极反应式，从而得出较复杂的电极反应式。最关键的一点，原电池中应根据图示判断出正负极，如阳离子移向的一极为负极，阴离子移向的为一极为正极，电子由负极沿外线路流向正极。对于二次电池，解题中首先分清电池是放电还是充电，在进行解题分析。
参考文献
生物燃料电池的应用篇9
燃料电池是通过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料(如天然气、甲醇或纯净氢气)的化学反应直接产生出电能。与汽轮发电机生产的电能相比，燃料电池具有非同寻常的特性：它的电效率可达60％以上，可以在带部分负荷运行的情况下进行维修，而且除了排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其他的有害排放物。
1燃料电池的分类
目前研制的燃料电池技术在运行温度上有不同的类型，从比室温略高直到高达1000℃的范
围。大多数工业集团公司的注意力集中在以下4种主要类型上：
(1)运行温度在60-80℃之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池(pemFC)；
(2)运行温度在160-220℃之间的磷酸类燃料电池(paFC)；
(3)运行温度在620-660℃之间的熔融碳酸盐类燃料电池(mCFC)；
(4)运行温度在880-1000℃之间的固体氧化物燃料电池(SoFC)。
可以将这些类型的燃料电池划分为低温型(100℃及以下)、中温型(约200℃左右)及高温型
(600-l000℃)燃料电池。
表1简要地列出了各种类型燃料电池的性能。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池对于静止装置和移动式装置都适用。
实用装置的功率容量差别也很大，可以给笔记本电脑及移动电话供电(数以w计)，也可以给居民住宅(数kw)或是分散的电热设备和动力设备(数百Kw到数mw)供电。
最适于用来驱动汽车的是低温型燃料电池。
根据使用期限成本进行的经济性比较结果表明，就发电成本而言，SoFC型燃料电池要pem型低30％。这个结果是根据SoFC型燃料电池的电效率比pem型的高，这2种燃料电池最终都可以达到l000美元／Kw的投资成本这一假设条件而推导出来的。
2高温燃科电池
高温型燃料电池具有许多适于在静止式装置上使用的特性。但是在高温型燃料电池产生出电能之前需要较长的加热过程，因而这种技术不能应用于要求在短时间内频繁起动的各种实用装置。此外，高温型燃料电池还具有以下特点：
(1)不需要使用贵金属来催化电化学反应。一般情况下使用陶瓷材料。
(2)对Co完全没有限制。Co参加到电化学反应过程并像H2一样被氧化。
(3)对燃料表现出高度灵活性。可以给这类燃料电池发电设备供应天然气，天然气在设备内部被转换成H2和Co。这意味着无需任何外部燃料，从而大大简化了发电设备的平衡问题。
(4)高温可以将燃气轮机连接到该系统上，在这种情况下，燃料电池发电设备是在300kpa压力下运行，并在不考虑燃气轮机输出的情况下将燃料电池的功率密度提高约20％，因此使总的电效率提高10％，可成倍地降低使用期限成本。
(5)较高的运行温度也为排热提供了更多的灵活性。在电效率达60％或更高水平的联合循环系统中可限制废热排放，而在单循环下则会排放出更多的热量。
mCFC和SoFC是这类高温型燃料电池的2种技术。它们使用的材料不同。mCFC是在一只陶瓷容器中放入液态的金属碳酸盐作为电解液，如果没有采取防止电极老化的措施，燃料电他的使用寿命会受到影响。
在mCFC中电化学反应是由Co3离子引发的。mCFC采用的是颊型电池，和SoFC型的管形设计方案相比，这种颊型电他的功率密度要稍微高一些。这在成本上要比SoFC型装置优越。但在另一方面，由于SoFC所用的陶瓷材料非常稳定，可以用在950-1000℃范围内，所以SoFC装置在抗老化性能上更具优越性。到目前为止，所有的长期电池试验和正在运行的试验性机组都表明
SoFC型装置的使用寿命可以达到70000-80000h，是mCFC型的2倍。
mCFC和SoFC2种技术在进行100-250kw功率范围的单循环现场试验中，成本都有大幅度的下降。目前在mCFC开发上占有主导地位的是美国的FuelCellenergy公司及其在德国的授权单
位mtU，日本的ishikawajima-Harima重工(iHi)和三菱公司等。而Siemenswestinghouse在SoFC开发上处于领先水平。
3中温型燃料电池
目前磷酸类燃料电池(paFC)是具有最先进技术的燃料电池。80年代，iFC(国际燃料电池公司)决定对其前期商业化生产线进行投资，制造和销售200kw的paFC装置，并将其投入市场。东芝公司在80年代末就已经努力使paFC技术进入商用市场。从此，paFC技术就一直在静止燃料电池的市场中占据着显赫的位置。迄今为止，全球已经安装了150多套paFC燃料电池装置。
研究表明，这种燃料电池未能实现市场商业化的原因大致有以下几方面：
(1)电效率最高为40％，超过维修期限后会降到35％甚至更低水平。通常情况下设备的使用期限不超过20000运行h。
(2)有些试验性的设备(如东芝公司管理的1套11mw设备未能达到顶期的性能水平。
(3)美国和日本政府大幅度削缩用于paFC技术研究和开发的投资。
(4)从迄今积累的经验及在改善设计参数和降低产品成本方面的潜力来看，让paFC技术成功
地跻身于当今的市场中的可能性是极低的。
4SoFC在配电市场方面的潜力
Siemenswestinghouse公司根据对市场的分析，决定采取必要的措施加快SoFC技术进入市场的步伐。预计在2003-2004年提供第l批产品，进入商业性生产前的试验阶段，装置容量从目前的2mw扩大到15mw。
北美和欧洲被认为是SoFC燃料电池技术最有希望的市场。HaglerBailly公司和西门子公司对功率范围为250kw-lmw的市场进行了调查，结果表明到2005年SoFC燃料电池的市场容量
为每年10000mw。北美和欧洲几乎各占50％。考虑到北美洲用户的结构和他们的需求，在北美洲各类小型发电机组的总容量在2010年可能达到每年约1000mw，其中600mw可能是燃料电池发电装置。在各种类型的燃料电池中，SoFC的市场份额约占40％，到2010年在北美洲SoFC的全年销售额将达到2.4亿美元。
在竞争日益激烈的配电市场中的另一个获胜者是微型燃气轮机，主要是作为备用电源或辅助电源。由于SoFC和微型燃气轮机的特性适于不同的应用场所，SoFC效率高但投资成本也高，
而微型燃气轮机成本低但效率也低，因而这2种技术不会产生市场上竞争。而往复式发动机会逐渐失去其在市场中的份额。
欧洲电网要比北美洲电网强大得多，欧洲电网强化了集中的大型发电厂的作用。因此在北美洲经常出现的分散式电热设备和动力装置的供电质量和供电可靠性问题在欧洲是不突出的。但另一方面，在欧洲对能量储存更为敏感。
此外，一些国家政府将颁布新的规程和法律及新的能源价格，预计欧洲各国之间市场份额会有重大差异。在有些情况下这个过程会给SoFC用于配电装置起到一定的促进作用。此外，欧洲的自由化近程落后于北美洲。因此，市场预测结果会有很大程度的不确定性。
5SoFC技术应用的扩展
使用天然气作为燃料的SoFC是车载式装置，其扩展应用可有以下几种形式：
(1)家庭应用：新一代燃料电池将是扁平管型的，其功率密度是目前所用圆柱型燃料电池技术
的2倍，因而将制造出5kw的燃料电池装置。这种设计方案是可行的，在配电市场中可以替代
圆柱型燃料电池。
(2)l0mw以上的系统装置：很显然，只要SoFC技术占有了功率范围在250-10mw的市场，那么下一步最必然的是要争取占有l0mw以上更大规模发电设备的市场。通过把更多SoFC链接起来便能实现这个目标，也满足了高效率低成本的要求。20mw级规模燃料电池的电效率已经接近甚至超过70％。
(3)用液态燃料运行：使用天然气作为燃料将SoFC的应用局限在靠近天然气供气网的区域内，从而使这项新技术的应用受到限制。因此存在着让SoFC使用液态燃料的迫切要求。因此，应与大型石油公司合作进行该课题的研究开发，选择一种适宜的液体燃料并设计出最适于使用这种新燃料的SoFC发电装置，以便为边远的用户服务。
生物燃料电池的应用篇10
工作原理
1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。燃料电池(FuelCell)，是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置，含有阴阳两个电极，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(见图1)。氢气由燃料电池的阳极进入，氧气(或空气)则由阴极进入燃料电池。经催化剂的作用，阳极的氢原子分解成两个氢质子与两个电子，质子被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子则由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子，因此水是燃料电池唯一的排放物。
DmFC――便携式设备的绿色动力
燃料电池种类繁多，直接甲醇燃料电池(DmFC)在便携式设备中的发展潜力巨大。直接甲醇燃料电池以液态甲醇为燃料，体积能量密度约为液态氢的3～4倍，操作温度在80℃，储存与运送远较氢气方便及安全，且取得容易，成本低、体积小、重量轻，因此更符合便携式电子产品的需求。
DmFC系统由四部分组成：由数片燃料电池堆叠成的燃料电池本体，包含电力转换、能源管理控制、湿度控制、负载控制等元件的电能控制系统，燃料供应与水、热管理元件等周边设备，主要构成元件是负责甲醇燃料输送的压力泵、风扇、送风机、监控甲醇浓度的传感器，以及包括甲醇燃料罐及纯水罐燃料供应系统。为适应便携式设备的应用，直接甲醇燃料电池还可细分为主动式直接甲醇燃料电池与被动式直接甲醇燃料电池两种。早期开发多集中在主动式DmFC，但由于甲醇水溶液的循环系统较为复杂，体积重量不易缩减，被动式DmFC也渐被重视。
现阶段，用于便携式设备的燃料电池的不断出新：2008年4月在美国亚特兰大召开的便携式产品燃料电池大会(SmallFuelCells2008)期间，夏普表示已经在直接甲醇燃料电池方面取得相当大的进步，其DmFC实现超高密度的容量，与普通的锂电池相比，同样的密度下容量提升了5倍，将面向pDa、笔记本电脑、手机、数码相机等消费电子市场。索尼研制出的超小混合燃料电池同样具有颠覆性，大小仅为50mm×30mm，集成了燃料电池和传统电池以及控制电路，该电池系统同样以甲醇为燃料，可以满足大流量的移动设备供电需求。同时，各大公司不断进行新技术新材料的研发，三星公司针对手机研制出水燃料电池，只需加水就可以工作，并称其续航时间比普通充电电池长一倍，预计于2010年投入市场。
尽管直接甲醇燃料电池在便携式设备中的应用层出不穷，但是在大众生活中普及仍面临诸多挑战。暂且不说如何克服其在甲醇穿透问题、水满溢现象等技术难题，单从消费者而言，它的成本，安全性、标准化等问题都制约着它的发展。业界乐观预期，燃料电池量产化后，2010年价格有机会降到每瓦发电成本只要3美元。整体而言，直接甲醇燃料电池技术发展的脚步，除技术提升外，也需要完善的DmFC产业链支撑。
实际应用
自1839年燃料电池问事以来，直到20世纪50年代，有关燃料电池的研究才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。80年代以后，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。现阶段，凭借燃料电池具有节能、转换效率高、排放零污染、结构简单、运行平稳等特点，其在固定发电系统、交通工具用电源及便携式设备电源等方面占有了广阔的应用空间。
在发电系统应用中，传统的火力发电站的燃烧能量大约有70％要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，不受卡诺循环(由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程)的限制，将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100％，整个发电系统无论大小实际发电效率可达40％～60％，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80％。
作为汽车的动力装置，燃料电池的优点是低排放，绿色环保。尽管燃料的种类只有氢，但是来源丰富，可取白天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。由于燃料电池没有活塞或涡轮等机械部件及中间环节，其效率大为提高，约为内燃机的2～3倍，在成本和整体性能上(特别是行程和补充燃料时间上)也明显优于其他电池的电动汽车，因此自20世纪90年代起，欧美和日本的各大汽车生产厂家看到燃料电池汽车巨大的市场潜力，纷纷投入巨资，进行燃料电池车的相关研究、试验与生产，到现在已经开发出数百辆燃料电池汽车样车，预计2015年燃料电池车将商业化生产。
近年来便携式电子产品快速发展，包括手机、笔记本电脑、个人数字助理(pDa)，乃至数码相机及摄像机等，造就庞大的市场和商机。然而，随着产品功能的增强，系统对于电池的需求越来越高，一个小而轻、续电时间更长的电池，将是所有消费者一致的要求。以往我们使用的干电池或充电电池在输出电能后，阴极与阳极会产生化学变化而逐渐消耗掉。而燃料电池只需要补充燃料，不但环保方便，还可以省去电池充电浪费的时间，非常符合现代人生活的需求。
国内燃料电池发展现状
中国早在20世纪50年代就开展燃料电池方面的研究，一直以来都非常重视燃料电池技术的研究和开发，并取得了蓬勃发展。近年来，中国在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多突破，如陆续开发出百瓦级～30kw级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，开发出60kw、75kw等多种规格的质子交换膜燃料电池组。总体来说，中国燃料电池的研究与国外水平和实际应用还存在一定的差距，必须加快追赶的步伐。
值得关注的是我国的氢燃料电池汽车的开发目前与世界相差不大，在上海、北京等城市已经出现燃料电池汽车的试运行。前不久，中国自主研制的20辆氢燃料电池轿车走出实验室，驶进奥运会场，作为2008北京奥运“绿色车队”中的重要成员。据悉，经过一代代的改进、优化，这些最新一代的燃料电池轿车动力性能持续增强，最高时速近150km，一次性充氢连续行驶里程超过300km，整车的可靠性、稳定性也不断得到提升。