解析燃料电池的优点及关键技术

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燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式,被称为21世纪的分布式电源。燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子,空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极),负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水,外电路则形成电流。

通常,完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中,电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器(又称为燃料重整器)。高温燃料电池具有内重整功能,无须配备重整器。

磷酸型燃料电池(PAFC)是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备及便携式kW等各种设备。第2代燃料电池的熔融碳酸盐电池(MCFC),工作在高温(~℃)下,重整反应可以在内部进行,可用于规模发电,现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池(SOFC)被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质,未来可用于煤基燃料发电,质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。燃料电池有以下优点:

1)有很高的效率,以氢为燃料的燃料电池,理论发电效率可达%。熔融碳酸盐燃料电池,实际效率可达584%。通过热电联产或联合循环综合利用热能,燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关,小型设备也能得到高效率。

2)处于热备用状态,燃料电池跟随负荷变化的能力非常强,可以在1s内跟随50%的负荷变化。

3)噪音低;可以实现实际上的零排放;省水。

4)安装周期短,安装位置灵活,可省去新建输配电系统。

目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高,在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目,主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池(MCFC)在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命,使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀;电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。

固体氧化物燃料电池(SOFC)使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性(不通过气体)的电解质,在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度,应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。

实用的电解质膜的厚度为0.03~0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外,必须具有高度的气体致密性,否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷,镍还用作燃料重整的催化剂,空气极在运行中处在高温氧化中,难以使用一般金属。铂的稳定性好,但费用昂贵,需要寻找替代材料,可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度,另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到℃以下,SOFC的造价就可以大幅度降低。



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