燃料电池及在大连化物所的发展

燃料电池及在大连化物所的发展

衣宝廉张华民明平文（中国科学院大连化学物理研究所）

衣宝廉张华民明平文

（中国科学院大连化学物理研究所大连 116023）

Fuel Cells and the Activities in Dalian Institute of

Chemical Physics, CAS

Baolian YI. Huamin ZHANG. Pingwen MING

(Dalian Institute of Chemical Physics, CAS, Dalian 116023 P.R.China)

Abstract

The principles, types, and status of fuel cell are introduced in brief. Dalian Institue of Chemical Physics (DICP) began the fuel cell research for Alkaline Fuel Cell (AFC) from 1960s. In 9th 5-year Plan, DICP acted as a leadship member in National Key Project, "Fuel Cell Technology".

A set of technology was taken out independently. Nowadays DICP focus on Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) and Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Recently a new corp. named Dalian Sunrise Power Co., Ltd. was founded for the commercialization of fuel cells, especially for that of PEMFC.

DICP is the main shareholder of Sunrise Power for its fuel cell

technology.

一．原理，分类与技术现状

1. 原理

燃料电池（FC）是一种等温进行、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效（50-70%），环境友好地转化为电能的发电装置[1]。它的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧等的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。但是FC的工作方式又与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断的向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维持电池工作温度的恒定。FC本身只决定输出功率的大小其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。

图1为石棉膜型氢氧燃料电池单池（single cell）的结构和工作原理图。

氢气在阳极与碱中的OH 在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子：

H2 + 2 OH H2O + 2e- 0= -0.828V

电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：

O2 + H2O +2e- 2OH 0= 0.401V

生成的OH 通过饱浸碱液的多孔石棉膜迁移到氢电极。

为保持电池连续工作，除需与电池消耗氢、氧气等速地供应氢、氧气外，还需连续、等速地从阳极（氢极）排出电池反应生成的水，以维持电解液碱浓度的恒定；排除电池反应的废热以维持电池工作温度的恒定。

图2为燃料电池单池伏安特性曲线。

图中η0称为开路极化，即当电池无电流输出时的电池电压与可逆电势的差值，其产生原因是氧的电化学还原交换电流密度太低，从而产生混合电位。

ηr为活化极化，它为电极上电化学反应的推动力，ηD为浓差极化，它为电极内传质过程的推动力。ηΩ为电池内阻引起的欧姆极化，它包括隔膜电阻、电极电阻与各种接触电阻，伏安曲线的直线部分的斜率由它决定，电池电流密度的工作区间就选在此段，通称这一段斜率为电池的动态内阻。燃料电池的效率按下式计算

式中fT 为热力学效率，即，等于0.83；fV为电压效率，为电池工作电压与可逆电势（1.229）之比；fi为电流效率，对石棉膜型电池，由前所述，接近100%；fg为反应气利用效率，对采用纯氢、纯氧为燃料的电池，一般而言，

fg≥98%。由图可知，当i=100mA/cm2时，电池工作电压V=0.95V，取fg=0.98，代入上式计算得f=57.5%。

一个单池，工作电压仅0.6～1.0伏，为满足用户的需要，需将多节单池组合起来，构成一个电池组（stack）。首先依据用户对电池工作电压的需求，确定电池组单池的节数，再依据用户对电池组功率的要求，和对电池组效率及电池组重量与体积比功率的综合考虑，确定电池的工作面积。

以燃料电池组为核心，构建燃料（如氢）供给的分系统，氧化剂（如氧）供应的分系统，水热管理分系统和输出直流电升压、稳压分系统。如果用户需要交流电，还需加入直流交流逆变部分构成总的燃料电池系统。因此一台燃料电池系统相当于一个小型自动运行的发电厂，它高效、环境友好地将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。

阐明各分系统间关系的电池系统的方块图如图3所示。

2．分类与技术状态

至今已开发了多种类型的燃料电池，按电解质的不同分类和技术发展状态见表1。

类型电解质导电离子工作温度燃料氧化剂技术状态可能的应用领域

碱性 KOH OH- 50~200°C 纯氢纯氧高度发展高效航天，特殊地面应用

质子交换膜全氟磺酸膜 H+ 室温~100°C 氢气，重整氢空气高度发展，需降低成本电汽车，潜艇推动，可移动动力源

磷酸H3PO4 H+ 100~200°C 重整气空气高度发展，成本高，余热利用价值低特殊需求，区域性供电

熔融碳酸盐 (Li,K)CO3 CO32- 650~700°C 净化煤气天然气重整气空气正在进行现场实验，需延长寿命区域性供电

固体氧化物氧化钇稳定的氧化锆 O2- 900~1000°C 净化煤气天然气空气电池结构选择，开发廉价制备技术区域供电，联合循环发电

二．燃料电池在化物所的进展

1．概述

七十年代，在朱葆琳先生和袁权院士的领导下，历经十年的奋斗，中国科学院大连化学物理研究所研制成功了两种型号（A型和B型）航天用，静态排水，石棉膜型H2-O2碱性燃料电池[2]。A型用液氢、液氧作燃料和氧化剂，带有水的回收和净化分系统。B型以N2H4在线分解产生的N2-H2混合气作燃料和液氧作氧化剂。这两种型号的碱性燃料电池外貌见图4，图5。并均通过航天环境模