姚思童，司秀麗，楊軍，劉虹

(化學(xué)工程學(xué))(沈陽市化工學(xué)校)

摘要：對燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀、高溫燃料電池產(chǎn)生并得以進(jìn)一步發(fā)展的根本原因及高溫燃料電池的工作原理進(jìn)行了綜述。

0引言

近年來，由于大氣中CO2含量的進(jìn)一步增加，而使地球逐漸變暖，汽車尾氣及一些工廠排放的硫的氧化物和氮的氧化物導(dǎo)致了酸雨的形成。這些不良現(xiàn)象都是環(huán)境污染造成的。因此，環(huán)境污染問題越來越受到世界各國的重視。為了解決環(huán)境污染這一根本問題，實(shí)現(xiàn)清潔能源的愿望，就要減少使用發(fā)動機(jī)和煤的燃燒，提高能源的轉(zhuǎn)換和利用效率，研制出對環(huán)境沒有污染的材料。

我們所需的這種材料經(jīng)世界各國科學(xué)家的多年努力，已經(jīng)展現(xiàn)在我們面前。它就是發(fā)電無噪音、無污染、能量轉(zhuǎn)換效率高、被稱為未來世界十大科技之首的燃料電池。這是一種正在深入開發(fā)研制的理想能源。

1燃料電池的發(fā)展及其現(xiàn)狀

燃料電池是一種新型的無污染、高效率汽車動力和發(fā)電設(shè)備，它是隨著各種電源的發(fā)展而產(chǎn)生的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。1893年Grove首先發(fā)明了燃料電池，但是在20世紀(jì)60年代前燃料電池還曾經(jīng)被認(rèn)為是一種高不可攀的新技術(shù)。然而經(jīng)過各國科學(xué)家的不斷努力，終于在1965年8月由美國首先研制出第一個(gè)離子交換膜電池，并將其作為宇宙飛船的主要能源，用在航天事業(yè)上。從此，燃料電池作為一種化學(xué)能源，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)、優(yōu)越的性能，在國際上越來越受到各國科學(xué)家的重視，并得到了進(jìn)一步的研究和發(fā)展。

燃料電池的工作效率和功率密度主要依賴于所選用的電解質(zhì)和催化劑材料以及工作溫度。

選取不同的電解質(zhì)、催化劑和工作溫度，便可構(gòu)成不同類型的燃料電池。到目前為止，已有五種主要類型的燃料電池。

(1)固體高聚物電解質(zhì)型(SPFC)燃料電池，運(yùn)行溫度80e；

(2)堿性型(ALFC)燃料電池，運(yùn)行溫度約為100e；

(3)磷酸型(PAFC)燃料電池，運(yùn)行溫度為200e；

(4)融熔碳酸鹽型(MCFC)燃料電池，運(yùn)行溫度為650e；

(5)固體氧化物電解質(zhì)型(SOFC)燃料電池，運(yùn)行溫度為1000e。

隨著時(shí)代的發(fā)展，燃料電池也在不斷地發(fā)展和更新。有人將磷酸鹽型(PAFC)電池稱為第一代燃料電池；將融熔碳酸鹽型(MCFC)電池稱為第二代燃料電池；將高溫固體電解質(zhì)型(SCFC)電池稱為第三代燃料電池。目前，第一代兆瓦級磷酸鹽型燃料電池技術(shù)上已基本成熟，并且已處于商業(yè)化生產(chǎn)階段，一系列0.05~11MWPAFC電池已經(jīng)通過或正在試運(yùn)行。美、日在這方面始終處于世界領(lǐng)先地位。1977年美國首先建成兆瓦級電池發(fā)電站，為工業(yè)和民用提供電力。

日本電力公司在東京灣也興建了一座1MW的大型燃料電池發(fā)電站，并于1991年運(yùn)轉(zhuǎn)。第二代融熔碳酸鹽型燃料電池(MCFC)正處在研制階段，正由10~20kW向兆瓦級發(fā)展。日本已在1989年完成25kW的MCFC電池組的試驗(yàn)，日本關(guān)西電力兆瓦公司和三菱電機(jī)公司共同研制成的MCFC燃料電池為100kW級，并開始進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

第三代燃料電池SOFC正在積極的研制和開發(fā)中，雖然離實(shí)用化還有一段距離，但它是正在興起的新型能源之一。1991年6月美國能源部和威斯汀豪斯公司投資1.4億美元加速固態(tài)燃料電池的商業(yè)化，美國已有5kW的產(chǎn)品出售，并繼續(xù)對研制成的20~30kW電池進(jìn)行工業(yè)規(guī)模放大試驗(yàn)。

日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)立燃料電池研究委員會，開始研究固體電解質(zhì)型燃料電池的實(shí)用化，計(jì)劃1993年春以前投入190萬美元，其開發(fā)目標(biāo)是使電池在21世紀(jì)初達(dá)到實(shí)用。目前，固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)的一個(gè)開發(fā)動向是把貯氫合金和燃料電池結(jié)合起來，開發(fā)汽車用燃料電池。美國的Bilings最近發(fā)明的萊塞型燃料電池，被加拿大的Balland公司裝在公共汽車上進(jìn)行試驗(yàn)。

西歐國家對燃料電池的高經(jīng)濟(jì)效益和低環(huán)境污染表示出濃厚的興趣，我國對燃料電池的研究還僅僅處于起步的階段。1989年底在美國召開了首屆SOFC國際會議。1991年又在希臘召開了第二次SOFC國際會議。

2高溫燃料電池的特點(diǎn)及工作原理

固體氧化物電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)又稱高溫燃料電池。自從1962年美國威斯汀豪斯公司設(shè)計(jì)出可實(shí)用的原型SOFC以來，已研制出加種類型的SOFC，其結(jié)構(gòu)見表1。

高溫烯料電池(SOFC)是一種全固態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置。與各種燃料制成的能源根本不同。燃料電池靠燃料(如H2)與氧化劑(如O2)的電化學(xué)作用而直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。SOFC具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)不受熱機(jī)效率的限制，能源轉(zhuǎn)換效率高，其效率是內(nèi)燃機(jī)效率的2~3倍，理論效率可達(dá)80%，實(shí)用燃料電池效率現(xiàn)已達(dá)到60%。而且燃料電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是宇宙中最簡單的化學(xué)反應(yīng)，參與反應(yīng)的是氫(燃料)和氧(氧化劑)，生成物是水，所以完全沒有污染。

(2)燃料電池它不同于常規(guī)電池，它是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，而不是能量儲存裝置，不需要耗時(shí)的充電過程。并且燃料電池的電極只用作化學(xué)反應(yīng)的場所和電流的通道，并不參與化學(xué)反應(yīng)，因而沒有電極損耗，工作可靠、壽命長。

(3)高溫燃料電池中不用液體電解質(zhì)，其固體電解質(zhì)的使用避免了材料的腐蝕，解決了電解質(zhì)的控制問題。

SOFC的上述特點(diǎn)，充分展示出其發(fā)展前景遠(yuǎn)大，在未來它將具有越來越強(qiáng)的競爭力和生命力。

燃料電池其作用原理是由WilliamGrove于1893年首先提出的，當(dāng)時(shí)的燃料電池是用稀硫酸作為電解質(zhì)，在室溫下工作。高溫燃料電池(SOFC)出現(xiàn)的較晚，它是繼1899年能斯特(Nennst)固體氧化物電解質(zhì)的發(fā)現(xiàn)后而產(chǎn)生的。SOFC主要包括以下幾個(gè)組成部分：聯(lián)接材料、陽極、陰極、固體電解質(zhì)。如圖1所示。

燃料電池的兩個(gè)電極(陽極和陰極)被固體電解質(zhì)隔開(見圖2)。

燃料部分如氫被運(yùn)送到陽極，在陽極燃料被氧化，電子被釋放到外環(huán)路。氧化劑部分如氧被送到陰極，在陰極氧化劑從外環(huán)路接受電子被還原。通過外環(huán)路的電子流支(電子從陽極到陰極)而產(chǎn)生直流電，電解質(zhì)則在兩個(gè)電極間起傳導(dǎo)離子作用。

總之，高溫燃料電池以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)、簡易的工作原理越來越引起人們的重視，SoFc作為新一代的燃料電池更加具有廣闊的前景。