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燃料电池距我们有多远?

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

 摘要:目前,燃料电池是全球能源领域的开发热点。介绍了燃料电池的原理、分类、特点及研发和应用现状,燃料电池作为新的清洁能源应用前景广阔,但目前仍处于研发和示范阶段,距广泛商业化阶段还有相当的距离。

    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、核能之后的第四代发电装置,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)通过化学反应,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)来加速电化学反应。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(Proton Exchange Membrane Fuel Cells—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。22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(Phosphoric Acid Fuel Cells—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((Molten Carbonate FuelCells—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(Solid Oxide Fuel Cells—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(Direct Methanol FuelCells—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

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