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燃料电池及其发展前景

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

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S

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