化学电池的发展研究论文

化学电池化学电池将化学能直接转变为电能的装置。主要部分是电解质溶液、浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。依据能否充电复原，分为原电池和蓄电池两种化学电池的种类化学电池按工作性质可分为：一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）;铅酸蓄电池。其中：一次电池可分为：糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等。二次电池可分为：镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等。铅酸蓄电池可分为：开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。 1.锌锰电池锌二氧化锰电池（简称锌锰电池）又称勒兰社（Leclanche）电池，是法国科学家勒兰社（Leclanche，1839-1882）于1868年发明的由锌（Zn）作负极，二氧化锰（MnO2）为正极，电解质溶液采用中性氯化铵（NH4Cl）、氧化锌（ZnCl2）的水溶液，面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称锌锰电池，由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态，故又称锌锰干电池。按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种，板式又按电解质液不同分铵型和锌型电池纸板电池两种。干电池用锌制筒形外壳作负极，位于中央的顶盖上有铜帽的石墨棒作正极，在石墨棒的周围由内向外依次是A：二氧化锰粉末（黑色）------用于吸收在正极上生成的氢气（以防止产生极化现象）；B：用饱和了氯化铵和氯化锌的淀粉糊作为电解质溶液。电极反应式为：负极（锌筒）：Zn +– 2e === Zn(NH3)2Cl2↙+2H+ 正极（石墨）：2NH4+ === 2NH3 ↑+ H2↑ H2O + 2MnO2 + 2e === 2MnOOH+ 2OH- 总反应：Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 === Zn(NH3)2Cl2↙+2MnOOH 干电池的电压大约为，不能充电再生。 2.碱性锌锰电池 20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的，是锌锰电池的改进型。电池使用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）的水溶液做电解质液，采用了与锌锰电池相反的负极结构，负极在内为膏状胶体，用铜钉做集流体，正极在外，活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接，正、负极用专用隔膜隔开制成的电池。 3.铅酸蓄电池 1859年法国普兰特（Plante）发现，由正极板、负极板、电解液、隔板、容器（电池槽）等5个基本部分组成。用二氧化铅作正极活性物质，铅作负极活性物质，硫酸作电解液，微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。铅蓄电池可放电也可以充电，一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳（防止酸液的泄漏）；设有多层电极板，其中正极板上有一层棕褐色的二氧化铅，负极是海绵状的金属铅，正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料板隔开（以防止电极之间发生短路）；两极均浸入到硫酸溶液中。放电时为原电池，其电极反应为: 负极：Pb + SO42－－ 2e === PbSO4 正极：PbO2 + 4H+ + SO42－ + 2e === PbSO4 + 2H2O 总反应式为：Pb + PbO2 + 2H2SO4 ====== 2PbSO4 + 2H2O 当放电进行时，硫酸溶液的的浓度将不断降低，当溶液的密度降到时应停止使用进行充电，充电时为电解池，其电极反应如下：阳极：PbSO4 + 2H2O－ 2e === PbO2 + 4H+ + SO42－阴极：PbSO4 + 2e === Pb + SO42－总反应式为：2PbSO4 + 2H2O ====== Pb + PbO2 + 2H2SO4 当溶液的密度升到时，应停止充电。上述过程的总反应式为：放电 Pb + PbO2 + 2H2SO4 ====== 2PbSO4 + 2H2O 充电 4.锌银电池一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极壳组成，形似纽扣（俗称纽扣电池）。盒内正极壳一端填充由氧化银和石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液。电极反应式如下：负极：Zn + 2OH－－2e=== ZnO + H2O 正极：Ag2O + H2O + 2e === 2Ag + 2OH－电池的总反应式为：Ag2O + Zn ====== 2Ag + ZnO 电池的电压一般为，使用寿命较长。 5.镉镍电池和氢镍以及金属氢化物镍电池二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极，以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液，金属镉或金属氢化物作负极。金属氢化物电池为20世纪80年代末，利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成，是小型二次电池主导产品。 6.锂电池锂电池是一类以金属锂或含锂物质作为负极材料的化学电源的总称通称锂电池，分为一次锂电池和二次锂电池。 7.锂离子电池指能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极，锂的化合物作正极，混合电解液作电解质液制成的电池。锂离子电池是1990年有日本索尼公司研制出并首先实现产品化。国内外已商品化的锂离子电池正极是LiCoO2，负极是层状石墨，电池的电化学表达式为（—） C6▏1mol/L LiPF6-EC+DEC▏LiCoO2(+) 8.氢氧燃料电池这是一种高效、低污染的新型电池，主要用于航天领域。其电极材料一般为活化电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性碳电极等。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。电极反应式如下：负极：2H2 + 4OH－－4e=== 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e=== 4OH－总反应式：2H2 + O2 === 2H2O 9.熔融盐燃料电池这是一种具有极高发电效率的大功率化学电池，在加拿大等少数发达国家己接近民用工业化水平。按其所用燃料或熔融盐的不同，有多个不同的品种，如天然气、CO、---熔融碳酸盐型、熔融磷酸盐型等等，一般要在一定的高温下（确保盐处于熔化状态）才能工作。下面以CO---Li2CO3 + Na2CO3---空气与CO2型电池为例加以说明：负极反应式：2CO + 2CO32－－4e === 4CO2 正极反应式：O2 + 2CO2 + 4e=== 2CO32－总反应式为：2CO + O2 === 2CO2 该电池的工作温度一般为6500C 10.海水电池 1991年，我国科学家首创以铝---空气---海水为材料组成的新型电池，用作航海标志灯。该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。其电极反应式如下：负极：4Al – 12e === 4Al3+ 正极：3O2 + 6H2O + 12e === 12OH－总反应式为：4Al + 3O2 + 6H2O === 4Al(OH)3 这种电池的能量比普通干电池高20---50倍！新型化学电池（1碱性氢氧燃料电池这种电池用30%-50%KOH为电解液，在100°C以下工作。燃料是氢气，氧化剂是氧气。其电池图示为（―）C|H2|KOH|O2|C(+) 电池反应为负极 2H2 + 4OH―4e=4H2O 正极 O2 + 2H2O + 4e=4OH 总反应 2H2 + O2=2H2O 碱性氢氧燃料电池早已于本世纪60年代就应用于美国载人宇宙飞船上，也曾用于叉车、牵引车等，但其作为民用产品的前景还评价不一。否定者认为电池所用的电解质KOH很容易与来自燃料气或空气中的CO2反应，生成导电性能较差的碳酸盐。另外，虽然燃料电池所需的贵金属催化剂载量较低，但实际寿命有限。肯定者则认为该燃料电池的材料较便宜，若使用天然气作燃料时，它比唯一已经商业化的磷酸型燃料电池的成本还要低。（2）磷酸型燃料电池它采用磷酸为电解质，利用廉价的炭材料为骨架。它除以氢气为燃料外，现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料，与碱性氢氧燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO2处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的，也是目前最成熟的燃料电池，它代表了燃料电池的主要发展方向。目前世界上最大容量的燃料电池发电厂是东京电能公司经营的11MW美日合作磷酸型燃料电池发电厂，该发电厂自1991年建成以来运行良好。近年来投入运行的100多个燃料电池发电系统中，90%是磷酸型的。市场上供应的磷酸型发电系统类型主要有日本富士电机公司的50KW或100KW和美国国际燃料电池公司提供的200KW。富士电机已提供了70多座电站，现场寿命超过10万小时。磷酸型燃料电池目前有待解决的问题是：如何防止催化剂结块而导致表面积收缩和催化剂活性的降低，以及如何进一步降低设备费用。化学电源的重大意义：化学能转换为电能的原理的发现和各式各样电池装置的发明，是贮能和供能技术的巨大进步，是化学对人类的一项重大贡献，极大地推进了现代化的进程，改变了人们的生活方式，提高了人们的生活质量。

作者: Raymond George Klaus Hassmann【摘要】燃料电池具有非同寻常的性能：电效率可达60％以上，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的4种主要燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重点介绍高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的应用及其发展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market．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70 000-80 000h，是MCFC型的2倍。 MCFC和SOFC 2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Fuel Cell Energy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Siemens Westinghouse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20 000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。4 SOFC在配电市场方面的潜力 Siemens Westinghouse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。Hagler Bailly公司和西门子公司对功率范围为250 kW-l MW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。5 SOFC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。 (4)C02的分离：Shell公司和 Siemens Westinghouse公司正在共同研制一种能将CO2从完全反应后的燃料中分离的SOFC设飞方案。例如，当把其装在用于回收油的平台上时，可以把CO2用泵压到地下储层中，这不但可省去CO2的排放税，还可提高原油的产出量。 (5)综合性应用：CO2分离装置可能是点火的火花装置，它使得SOFC在一种封闭且可再生的能量循环中成为关键性部件。经过-段时间，SOFC能产生出热量和电力，例如用于大型暖房的设施中，SOFC装置产生的C02可用来加快植物的生长。而任何一种农作物收获后的剩余有机物都可以转化为气体供给SOFC作燃料。

燃料电池的演化及发展探析摘要：对燃料电池的工作原理进行了详细的分析；对其演化过程进行了简述；对其最新技术进行了详细的研究；对国内燃料电池技术的发展提供了参考意见。关键词：燃料电池；碱性燃料电池；磷酸型燃料电池；熔融碳酸型燃料电池；固体氧化物燃料电池；直接醇类燃料电池；固体高分子膜燃料电池随着工业化过程的进一步加强，大气中二氧化碳的排放量和污染程度加剧，导致了温室效应越来越明显，因此环保问题引起了各国政府的重视。为此，绿色能源技术引起了各国的普遍关注，并且正在逐步成为一种趋势。经过了各方的互相协作和努力，燃料电池技术正日趋成熟。作为一项重要技术，从本质上讲，它是一种电化学的发电装置，等温地按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，因此正在成为理想的替代能源。1 燃料电池的演化过程1．1 燃料电池的演化过程燃料电池是一种新型的无污染、高效率汽车、游艇动力和发电设备，在本质上是一种能量转化装置。1839年，格罗夫发表了第一篇有关燃料电池研究的报告。1889年，蒙德和朗格尔采用了浸有电解质的多孔非传导材料为电池隔膜，一铂黑为电催化剂，以钻孔的铂或金片为电流收集器组装出燃料电池。但此后的一段时间里，奥斯卡尔德等人在探索燃料电池发电过程的实验都因为反映速度太慢而使实验没有成功。与此同时，热机研究却取得了突破性进展并成功运用而迅速发展。因此燃料电池技术在数十年内没能取得大的进展。直到1923年，由施密特提出了多孔气体扩散电极的概念，在此基础上，培根提出了双孔结构电池概念，并成功开发出中温度培根型碱性燃料电池。以此为基础，经过一系列发展，这项燃料电池技术得到了突飞猛进的发展。在20世纪60年代由普拉特一惠特尼公司研制出的燃料电池系统，并成功应用于宇航飞行，使得燃料电池进入了应用阶段。1．2 燃料电池的基本工作原理燃料电池是一种能量转化装置，它就是按电化学原理，即原电池工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。从本质上说是水电解的一个“逆”装置。电解水过程中，通过外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。因此，燃料电池的基本结构与电解水装置是相类似的，它主要由4部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等类型。燃料电池的工作原理如下(以磷酸型或质子交换膜型为例)：(1)氢气通过管道或导气板到达阳极；(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子；(3)在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极；(4)在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水；与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。1．3 燃料电池的特点由上所述可知，燃料电池在本质上是电化学转化装置，它能够通过电化学过程直接将化学能转化为电能和热能，因而具有如下优点：1)干净清洁。利于环保，可减少二氧化碳的排放；无噪音，并自给供水；2)高效。由于其转化过程没有经过热机过程，因此效率高。3)适用性。由于污染小，无噪音，可靠，可使用于终端用户，因而可减少各种损失，并节省设备投资。4)可调制性。由于它是组合的结构，因而可以调节，以满足需求。5)燃料多样性。由于燃料可以是氢气、天然气、煤气、沼气的功能碳氢化合物燃料。基于以上特点。燃料电池成为绿色能源技术发展的重点。成为本世纪最有发展前途的技术之一。2 国内外燃料电池的最新进展2．1 碱性燃料电池（AFC）AFC技术是第一代燃料电池技术，已经在20世纪60年代就成功地应用于航天飞行领域。它是最早开发的燃料电池技术。目前德国一家公司开发的AFC在潜艇动力实验上获得了成功。国内对AFC的研究工作是从20世纪60年代开始的，主要是集中在中科院的下属研究机构。武汉大学和中科院长春应化所在上世纪60年代中期即开始对AFC进行基础研究。上世纪70年代，由于航天工业的需求，天津电源研究所研制出lkW AFX2系统。与此同时，A型号(即以纯氢、纯氧为燃料和氧化剂)、B型号(即以N2H4分解气、空气氧为燃料和氧化剂)燃料电池系统也在中科院大连化物所研制成功。此外，其它的研究机构也都展开了对AFC的研究。2．2 磷酸型燃料电池（PAFC）PAFC也是第一代燃料电池技术，也是目前最为成熟的应用技术。已经进入了商业化应用和批量生产。目前美国、日本、欧洲各国已有100多台200KW 发电机组投入使用或在安装中，最长的已经运行了37000小时。因此已经证实了PAFC是高度可靠的电源。只是由于其成本太高，目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。国内对PAFC的研究工作相对较少。尽管如此，在对PAFC的研究过程中仍进行了卓有成效的工作，取得了不俗成绩。如国内学者魏子栋等人在对氧化还原发应的电催化剂研究过程中发现了Fe、Co对Pt的锚定效应。2．3 熔融碳酸型燃料电池(MCF℃)MCFC是属于第二代燃料电池技术。目前对MCF℃ 的研究国家有美国、日本和西欧，主要是应用于设备发电，目前还处于试验阶段。美国对MCFC的研究单位有国际燃料电池公司和能源研究公司及M—C动力公司。而日本对MCFC的主要是NEIX)公司、电力公司、煤气公司和机电设备厂商组成的MCFC研究开发组。大坂工业技术研究所从1991年开始10kW的MCFC单电池的长期运行试验，到1995年l1月止，累计运行了4万小时，确证了MCFC实用化的可能。德国MTU宣布在MCFC技术方面取得了突破。由该公司开发出来的世界上最大的280kW 的单电池还在运行。国内对MCFC的研究是中科院大连化物所从1993年开始的。现在正处于组合电池的研究阶段。而经过多年的艰苦努力与创新突破，上海交通大学科研人员率先在国内成功进行了1～1．5l 的熔融碳酸型燃料电池(M ℃)发电实验，取得了在国外一些国家至少需要6年甚至10年左右时间才能获得的成果。参加项目评审的专家认为，它整体水平达到了当前国内领先水平、国际20世纪90年代初同类技术的先进水平。2．4 质子交换膜型燃料电池系统(PEMF℃)PEMFC是属于第三代燃料电池技术。20世纪60年代，美国就已将PEMFC应用于宇航飞行，但由于技术问题，使得在其发展过程中受到了影响。直到20世纪80年代，加拿大Ballad公司才展开对PEMFC的研究工作。并取得了突破性进展。目前开发出来的电池组合功率达到了1000W／L、700W／kg的指标，因此这一技术引起了各国的广泛关注。目前Ballad公司在这一技术领域处于领先地位。国内对PEMFC的研究是从20世纪70年代天津电源研究所展开一聚苯乙烯蟥酸膜为电解质的PEM—FC基础研究。但进展缓慢。而国外在这一领域发展较快。因此在90年代开展了PEMFC的跟踪研究。目前，在PEM 方面，国内技术在多个方面取得了突破，北京富原新技术开发总公司已出现了50W、75W、150W、5KW 等样机。而上海神力科技有限公司已研制出5KW，10KW 的大功率型质子交换墨燃料电池系统，这大大缩小了与世界先进水平的距离。

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电化学研究的发展趋势论文

简单说，是三大方面：1、能源问题：将化学能直接转换成电能，如氢氧燃料电池，将氢氧之间转移的电子按照设定的路线流动，直接形成电流，效率高，无污染。而且还可以开发多次充电的电池，解决能源危机问题。2、根据能斯特方程，可以将化学品的浓度信号，转变为电信号，因此可以将自动控制，计算机网络控制应用于化学过程，通过各种传感器，可以对不同的信号进行转换。对化工厂的自动控制，保证工艺实施，实现质量与安全有保证，具有重要的意义。3、利用电化学方便调整电压，实现某些选择性很强的化学反应的实现，如将乙二醛氧化为乙醛酸，很难选择合适的氧化剂，工艺条件很难控制，但是通过电化学手段，通过电压的调整，很容易实现工业化生产。本人知识面有限，其实电化学的应用还有很多，我熟悉的，只有这些。供参考。

电化学储能电站通过化学反应进行电池正负极的充电和放电，实现能量转换。传统电池技术以铅酸电池为代表，由于其对环境危害较大，已逐渐被锂离子、钠硫等性能更高、更安全环保的电池所替代。电化学储能的响应速度较快，基本不受外部条件干扰，但投资成本高、使用寿命有限，且单体容量有限。随着技术手段的不断发展，电化学储能正越来越广泛地应用到各个领域，尤其是电动汽车和电力系统中。

近年电化学储能装机规模快速发展主要以锂电池为主

2018年是中国电化学储能发展史的分水岭。一方面是因为电化学储能累积装机功率规模首次突破GW，另一方面是因为电化学储能呈现爆发式增长，新增电化学储能装机功率规模高达，对比2017年新增功率规模，同比增长316%。截至2019年底，中国电化学储能市场累积装机功率规模为，同比增长。

根据CNESA于2020年6月3日发布的《储能产业研究白皮书2020》数据，截至2019年底，中国已投运储能项目累计装机规模，其中电化学储能的累计装机规模位列第二，为，同比增长。在各类电化学储能技术中，锂离子电池的累计装机规模最大，为。

区域竞争-广东领先

2019年，我国新增投运的电化学储能项目主要分布在28个省市区中(含港、澳、台地区)，装机规模排名前十位的省市区分别是：广东、江苏、湖南、新疆、青海、北京、安徽、山西、浙江和河南，这十个省市区的新增规模合计占2019年我国新增总规模的。

企业竞争-宁德时代突出

根据CNESA于2020年6月3日发布的《储能产业研究白皮书2020》数据，2019年，宁德时代独家供应电池的鲁能海西州多能互补集成优化示范工程储能电站正式投运;与星云股份、石正平、福建合志谊岑成立福建时代星云科技有限公司;与Powin Energy签订电芯供货合同和科士达共同出资2亿元成立储能业务公司。2019年全年，宁德时代储能装机排名从2018年的第二名升至第一名，装机量较第二名多出2倍。

电化学储能有望保持50%的增速发展

据前瞻保守估计，2020年国内电化学储能市场将继续稳步发展，预计累计装机规模可达到。“十四五”期间，随着更多利好政策的发布，电化学储能应用的支持力度将逐步加大，市场规模不断增加，年复合增长率(2020-2025)将保持在55%左右，到预计到2025年年底，电化学储能的市场装机规模将超过24GW。

据前瞻乐观估计，2020年电化学储能在保持稳步发展的同时，还将落地一些2019年规划的、受政策影响而未建设的项目，累计装机规模将达到3092MW。“十四五”期间，充分考虑各类直接或间接政策的支持，年复合增长率(2020-2025)有望超过65%，预计到2025年年底，电化学储能的市场装机规模将接近38GW。

—— 以上数据来源于前瞻产业研究院《中国储能电站行业市场前瞻与投资规划分析报告》

初期阶段，方法原理的建立1801年，发现金属的电解作铜和银的定性分析方法.1834年发表关于电的实验研究论文，提出Faraday定律Q=年提出能斯特方程.1922年，，创立极谱学.1925年，志方益三制作了第一台极谱仪.1934年提出扩散电流方程.（Id = k C)电分析方法体系的发展与完善电分析成为独立方法分支的标志是什么呢就是上述三大定量关系的建立.50 年代，极谱法灵敏度，和电位法pH测定传导过程没有很好解决. 固体电子线路出现，从仪器上开始突破，克服充电电流的问题，方波极谱，1952 提出方波极谱.1966年和提出单晶（LaF3）作为F— 选择电极，膜电位理论建立完善.其它分析方法，催化波和溶出法等的发展，主要从提高灵敏度方面作出贡献.时间和空间上体现快,小与大 .（1）化学修饰电极(chemically modified electrodes)（2）生物电化学传感器（Biosensor)（3）光谱一电化学方法 ( Electrospectrochemistry)（4）超微电极（Ultramicroelectrodes)（5）另一个重要内容是微型计算机的应用，使电分析方法产生飞跃. 1.已知电极反应Ag+ + e- Ag的为，电极反应Ag2C2O4+2e- 2Ag+C2O42-的标准电极电位为，求Ag2C2O4的溶度积常数.解提示：标准电极电位是电对Ag+/Ag在化学反应：2Ag++ C2O42- Ag2C2O4平衡时，[C2O42-]=1mol·L-1的电极电位.根据能斯特方程： = E Ag+,Ag =+[Ag+] ==已知 =，令[C2O42-]=1得到(ksp/1）1/2lgKsp=×2/ × 10-112.计算AgCl+e Ag+Cl-电极反应的标准电极电位（ EAgCl,Ag =，氯化银的Ksp=×10-10）解提示：标准电极电位是指电极反应中个组分活度等于1时的电极电位.本题中，Ag和AgCl是固体，活度是常数，作为1.故只要计算出[Cl-]=1时银电极的电极电位，就是该电极反应的标准电极电位.根据能斯特方程，银电极的电极电位为：+[Ag+]由于Cl-与Ag+发生沉淀反应，沉淀平衡为：Ag++ Cl-= AgCl↓当溶液中[Cl-]=1mol·L-1时，可求得Ag+浓度：[Ag+]=Ksp/ [Cl-]= Ksp于是得到：= E Ag+,Ag= + Ksp=（×10-10）=. KMnO4在酸性溶液中发生电极反应：其标准电极电位为.已知试问：PH=2时，KMnO4能否氧化Br-和I-，当PH=6时，能否氧化Br-和I-.解设[MnO4-]=[Mn2+]得到：当PH=2时，故KMnO4可以氧化Br-和I-当PH=6时，故KMnO4可以氧化I-，但不能氧化Br-1.浓度均为1*10-6mol /L的硫，镍离子，对氯化银晶体膜电极的干扰程度，硫镍（填>，=或<.已知：KCl,Br=KCl,S)（南开大学2002年）2.活动载体膜电极的敏感膜是（ )A 晶体膜 B 固态无机物C 固态有机物 D 液态有机化合物（南开大学2001年）3.氨气敏电极是以氯化铵作为缓冲溶液，指示电极可选用（ )A Ag-AgCl电极 B 晶体膜氯电极C 氨电极 D pH玻璃电极（南开大学2003年）4.制造晶体膜电极时，常用氯化银晶体掺加硫化银后一起压制成敏感膜，加入硫化银是为了（ )A.提高电极的灵敏度 B. 提高电极的选择性C.降低电极的内阻 D.延长电极的使用寿命5. pH玻璃电极膜电位的产生是由于：（A）膜内外电子转移 (B）氢离子得电子（C）氢氧根失电子（D）溶液中和玻璃膜水化层的氢离子的交换作用（郑州大学2002年）6.用钙离子选择电极测定*10-4 mol/L CaCl2溶液的活度，若溶液中存在的NaCl.计算：（1）.由于NaCl的存在所引起的相对误差是多少（已知KCa2+.Na+ = ）（2）欲使钠离子造成的误差减少至2%，允许NaCl的最高浓度是多少

新能源汽车电池发展研究论文

战略性新兴产业之新能源汽车:中国车企冲顶2010年10月18日发布的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》规划到2020年，新能源汽车将成为中国国民经济的先导产业。发改委随后在对有关决定解读时指出，新能源汽车是全球汽车行业升级转型的方向。我国要在未来形成具有世界竞争力的汽车工业体系，必须超前部署新能源汽车的研发和产业化。当前，要充分发挥社会各方面的积极性，以产业联盟系列化为途径，着力突破动力电池、驱动电机和电子控制领域关键核心技术，加速形成知识产权，推进插电式混合动力汽车、纯电动汽车推广应用和产业化。而有关规划实际上已经将中国新能源汽车10年内的发展目标定为全球第一。若这一规划成真，中国汽车企业将有望通过新能源汽车的跨越发展一举登上全球汽车产业的王者宝座。2009年9月，我国在联合国气候变化峰会上提出，争取到2020年非化石能源占一次能源消费总量的比重达到15%左右。同年12月，我国在哥本哈根气候变化大会上承诺到2020年，我国单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40-45%。这意味着未来10年我国节能减排任务艰巨。我国工业能耗大约占70%，而汽车是工业能耗大户，我国每年新增石油需求的2/3用于交通运输业。截至2010年10月，全国机动车保有量约亿辆。若未来国内机动车完全更新换代为新能源汽车（价格按每车10万元计算），则整个市场规模将高达20万亿元（这还未考虑到出口）。因此，发展新能源汽车不但有助于节能减排目标的实现，同时也代表了汽车产业的发展方向，其市场空间极其惊人。根据《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》，到2015年中国电动汽车保有量计划达到100万辆，动力电池产能约达到100亿瓦时。此外，根据《节能与新能源汽车产业规划》，到2015年我国新能源汽车将初步实现产业化，动力电池、电机、电控等关键零部件核心技术实现自主化；纯电动汽车和插电式混合动力汽车市场保有量达到50万辆以上；到2020年，我国新能源汽车实现产业化，新能源汽车产业化和市场规模达到全球第一，其中新能源汽车(插电式混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料电池汽车等)保有量达到500万辆；以混合动力汽车为代表的节能汽车销量达到世界第一，年产销量达到1500万辆。因此，我国新能源汽车产业即将面临爆发期，可以预计该产业中将会涌现出许多高速成长的企业，而这些企业也将会在资本市场获得良好的表现，极具投资价值。新能源汽车产业政策支持全面加强现代电动汽车一般可分为三类：纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）。近些年在传统混合动力汽车的基础上，又衍生出一种外接充电式（Plug-In）混合动力汽车（PHEV）。目前全世界各国对电动汽车都非常重视，许多国家都开始投入大量资金开发电动汽车。我国对新能源汽车产业支持政策由来已久。“十五”期间，投入亿元设立电动汽车重大科技专项，并取得重要进展，形成了“三纵三横”的研发布局，基本形成电动汽车自主开发的技术平台。所谓“三纵”是指开发燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车；“三横”是指多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池。此外，电动汽车也被列入我国“863”计划12 个重大专项之一。目前我国汽车产业支持政策包括两个方面：一是鼓励节能环保和小排量汽车，减少现有汽车能源消耗和排放；二是鼓励新能源汽车发展。主要补助插电式（plug-in）混合动力车和纯电动车。支持政策的走向是：（1）一揽子政策推动整个产业发展、补贴范围扩展到私人购车领域节能与新能源汽车产业发展规划和一揽子扶持政策将于近期上报国务院审议，如审议通过，最快年内有望实施。一揽子扶持政策将从研发生产、市场推广、售后服务和回收利用等各个环节入手，制订产业政策、财政政策、税收政策、投融资政策等。我国还准备设立国家层面的节能与新能源汽车研发与产业化专项，重点支持节能与新能源汽车关键技术研发和技术改造。这将是我国第一次针对一个产业提出一揽子扶持政策。近期我国对新能源汽车的补贴范围从对公交、公务、市政、邮政等政府采购补贴逐步扩展到对私人购买新能源汽车进行补贴。2009年1月，国家启动“十城千车” 节能与新能源汽车示范推广试点，计划用3年左右的时间，每年发展10个城市，每个城市推出1000辆新能源汽车，首批列入了13个城市。09年底试点城市由13个扩大到20个，选择5个城市对私人购买节能与新能源汽车给予补贴试点。2010年5月，政府在全国范围内开展“节能产品惠民工程”，消费者在6月18日之后，每购买一辆节能型汽车，将获得3000元的补贴。6月，出台对于私人购买新能源汽车补贴办法，对满足支持条件的新能源汽车，按3000元/千瓦时给予补助。插电式混合动力乘用车最高补助5万元/辆；纯电动乘用车最高补助6万元/辆。（2）通过补贴扶持和引导新能源汽车产业链整体的发展，并重点支持关键环节新能源汽车的补贴政策通过规定补助范围、对象，并需要满足一系列的支持条件，来引导试点城市建立相关配套设施和示范推广工作。通过《推荐车型目录》和国家标准，来引导申请补助的汽车生产企业及其新能源汽车产品，提高和保证产品性能参数，重点扶持具备一定产能规模和完善售后服务体系，具有自主知识产权的企业。目前，发改委正在修订《产业结构调整指导目录（2010年本）》，在鼓励类产品中，新增新能源汽车关键零部件。其中包括电池管理系统、电机管理系统、电动汽车驱动电机、电路集成以及充电设备等。在配套设施方面，国家电网2010年将建设75个电动汽车充电站和6200个充电桩，2015年前将建设1700个充电站。南方电网也宣布2010年将建设超过80座充电站。在国家和行业标准方面，我国已制定并发布了新能源汽车相关国家标准和行业标准共计42项，其中22项已列为新能源汽车产品准入的专项检验标准。2012年前，我国将基本建立与产业发展和能源规划相适应的节能与新能源汽车及充电设施标准体系。新能源汽车技术路线：近期以混合动力汽车为重点，未来以纯电动车为主要发展方向面对纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）等不同的技术选择，根据《节能与新能源汽车产业规划》，我国新能源车发展路线将以纯电动汽车作为主要战略取向，近期以混合动力汽车为重点，大力推广普及节能汽车。考虑到技术发展现状，而将燃料电池电动汽车作为未来长期的发展方向。经过近10年的自主研发和示范运行，中国在电动车产业技术方面与世界先进水平的差距在大幅度缩小；中国电动车领军企业与国外电动车技术的先行车企正在同一起跑线上成长。小型纯电动乘用车将是3到5年内中国电动车产业发展的主导方向。在“十二五”电动车发展规划中，小型纯电动车将得到充分重视。动力电池：以锂电池为主要发展方向、以锰酸锂+钛酸锂为正负极搭配方式动力电池、电机、电控等关键部件成本占电动车整车成本的30%至50%，同时也是新能源汽车的关键核心技术。根据《节能与新能源汽车产业规划》，到2015年，动力电池、电机、电控等关键零部件核心技术实现自主化；到2020年，节能与新能源汽车及关键零部件技术将达到国际先进水平。在动力电池环节，我国力争突破动力电池瓶颈。到2015年，动力电池系统能量密度达到120瓦时/公斤以上，成本降低至2元/瓦时，循环寿命稳定达到2000次或10年以上。到2020年，动力电池系统能量密度达到200瓦时/公斤以上，成本降低至元/瓦时以下。目前二次电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池等。虽然影响电池性能及决定其相对优势的因素很多，但是比能量是最重要最直观的一个指标。从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池到锂电池，比能量越来越高。与铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池比较，锂电池的优势明显，因此作为发展方向的锂电池将会在电动汽车领域广泛应用。我们预计2015年国内新能源汽车动力锂电池的市场规模达到180亿元。到2020年，新能源汽车已经进入普及期，新能源汽车动力锂电池规模将达到2880亿元。市场容量巨大，且增长迅速。锂电池单元主要由正极、负极、隔膜和电解液四部分组成。正极材料是决定电池性能的关键，目前市场应用的主流正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、三原材料和磷酸铁锂，其中锰酸锂和磷酸铁锂可以说是各领风骚。由于磷酸铁锂产品存在一致性、低温性能、高倍率放电性能和成本等问题，因此我们认为未来新能源汽车将主要选择锰酸锂路线。从目前市场主流新能源汽车看，除了比亚迪坚持使用磷酸铁锂电池，其他公司也基本都选择了锰酸锂路线。在负极材料方面，虽然碳材料一直处于主导地位，但是我们预计钛酸锂的出现将会颠覆行业格局。钛酸锂是一种性能优异的负极材料，由于电位过高，钛酸锂并不适合与磷酸铁锂搭配，反而锰酸锂+钛酸锂体系是较优的一种选择。锰酸锂+钛酸锂体系的优势包括：近乎完美的安全性、使用寿命更长、可以快速充放电、结合锰酸锂具备整体成本优势等。因此我们认为锰酸锂+钛酸锂体系将会是未来正负极材料的主要搭配方式。电解液约占锂电池成本的15%，电解液中关键材料六氟磷酸锂约占成本一半，目前六氟磷酸锂国产化程度很低，毛利率更高达70%；隔膜是锂电关键材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料，占锂电池成本的20%左右，由于技术含量高，目前国内80%的隔膜需要进口。可以预计动力锂电池用隔膜的发展方向是耐高温、多层隔膜、高强度、高保液能力。驱动电机：我国驱动电机技术进步明显驱动电机是电动汽车的关键部件，直接影响整车的动力性及经济性。驱动电机主要包括直流电机和交流电机。目前电动汽车广泛使用交流电机，主要包括：异步电机、开关磁阻电机和永磁电机（包括无刷直流电机和永磁同步电机）。其中，异步电机主要应用在纯电动汽车，永磁同步电机主要应用在混合动力汽车中，开关磁阻电机目前主要应用在客车中。车用电机的发展趋势包括：第一、电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。第二、电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积。第三、电机系统集成化：通过机电集成和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，可有效降低系统制造成本。在驱动电机方面，经过“九五”、“十五”、“十一五”国家对电动汽车用电机系统的集中研发和应用，我国已自主开发了满足各类电动汽车需求的驱动电机系统产品，获得了一大批电机系统的相关知识产权，形成具有核心竞争能力的车用驱动电机系统批量生产能力。目前，我国自主开发的永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机已经实现了与国内整车产业化技术配套，电机重量比功率显著提高，电机系统最高效率达到93％以上，系列化产品的功率范围覆盖了200kW以下电动汽车用电机动力需求，各类电机系统的核心指标均达到相同功率等级的国际先进水平。但是与国际先进水平相比，在产品集成度、可靠性和系统应用技术方面，仍存在较大的差距。

电池材料研究进展论文

使能量密度达到现有任何电池的三倍，研究显示金属催化物在提高电池效率上起到重要作用。该校机械工程和材料科学与工程副教授YangShao-Horn表示，许多研究团队如今正致力于锂-空气电池的研究，但目前还缺乏对何种电极材料能够促进电池内部电化学反应发生的理解。Shao-Horn和其团队成员在4月1日出版的《电化学与固态快报》上报道了其研究成果，在锂-空气电池中使用金或铂金电极作为催化剂具有比单一碳电极高得多的反应活性和效率。此外，这项研究也为进一步研究寻找更佳的电极材料，如金和铂金或其他金属的合金材料或金属氧化物材料以及减少使用昂贵材料奠定基础。论文的第一作者、博士生Yi-ChunLu指出，研究团队开发了一种分析电池中不同催化剂活性的方法，现在可以基于这项研究来试验多种可能的材料，以确定控制催化剂活性的物理特性，最终能够预测催化剂的反应活动。锂-空气电池原理与锂离子电池类似，而后者目前是便携式电子产品使用的主要电源，而且在电动汽车电源的竞争中也占据了领先地位。但由于锂-空气电池使用了碳基空气电极和空气流替代锂离子电池较重的传统部件，因此电池质量更轻，这也使得包括IBM和通用汽车等大企业纷纷投身于锂-空气电池技术的开发当中。但锂-空气电池在成为可商用化产品之前还有一系列的问题需要解决，其中最大的问题是如何确保在经过了许多次的充放电过程后仍能保持其电力水平，可用在电动汽车或电子产品中。研究人员还需要详细研究充放电过程的化学问题，如产生了那些化合物，在哪里产生，以及它们之间如何相互反应等。Shao-Horn坦承，目前这方面的研究还处于初级阶段，部分企业将锂-空气电池研究视之为10年期的研发项目，但这是一个非常有前景的领域，如果能够克服许多科学和工程挑战，真正实现能量密度达到目前锂离子电池的两到三倍，将能够首先应用在便携式电子产品如笔记本电脑和手机上，降低成本后更可作为电动汽车电源。该项研究受到美国能源部的资助，MartinFamilySocietyofFellowsforSustainability和美国国家科学基金会也给予了支持。根据《日刊工业新闻》报道，日本旭化成株式会社和Central硝子株式会社两家企业正式参加美国IBMAlmaden Reseach Center正在进行的锂空气电池研究项目。按照该项目研究分工，旭化成将利用其掌握的先进膜技术，负责开发重要的有关膜部件；Central硝子负责开发新型电解液和高性能添加剂。研究小组计划到2020年实现锂空气电池的大量生产和推广应用。