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我国燃料电池技术进展

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

作者:毛宗强(清华大学核能技术设计研究院)
  【摘要】燃料是人类社会生存的基础,人类经历了植物燃料阶段之后,现处于化石燃料阶段。100多年来,化石燃料给地球带来巨大的灾难性污染,使得气候变化异常,以至地球上自然灾害频繁,人类生存条件恶化。太阳能是人类取之不尽,用之不竭的清洁能源。科学家正在积极开发利用太阳能,并取得可喜的进展。
  
  引言
  燃料是人类社会生存的基础,人类经历了植物燃料阶段之后,现处于化石燃料阶段。100多年来,化石燃料给地球带来巨大的灾难性污染,使得气候变化异常,以至地球上自然灾害频繁,人类生存条件恶化。太阳能是人类取之不尽,用之不竭的清洁能源。科学家正在积极开发利用太阳能,并取得可喜的进展。在科学发达的今天,我们可以将太阳能直接变成热能,也可以将太阳能直接变成电能,但是热和电的大规模直接储存并未解决。太阳能的利用受到天气和地球自转位置的制约。为了解决这个问题,科学家们化费大量的精力去研究太阳能的储存,方法之一是利用太阳能电解水,将得到的氢气和氧气分别储存起来,然后再在需要的时候利用它们经燃料电池(FC)发电,副产品是纯水。因此这是一个完全可再生的无污染的燃料循环。德国于利希(Julich)研究中心已经开始这项试验,并取得了很好的示范效果。
  FC以氢气为燃料、空气中的氧气作为氧化剂,通过电化学反应得到电能并生成纯净水。从长远来看,FC将是氢无污染地转化成电能的最佳方案,可以真正做到零排放。
  通常,按FC的电解质将其分为:碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电他(sOFC)。AFC的工作温度一般为80°C,
  KOH为电解质)因对CO2很敏感,有被PEMFC取代的趋势。PEMFC又称为固体聚合物燃料电池(SPFC),在50-100°C下工作,其电解质是一种固体有机膜,用铂做催化剂,但在该温度下铂对CO极其敏感。PEMFC是最有前途的交通工具的动力,目前全世界已有PEMFC大公共汽车在示范运行。1998年,德国奔驰、美国福特和加拿大巴拉德(BALLARD)合资组成DBB公司,计划到2005年年产10万台汽车用PEMFC发动机。PAFCI作在200°C左右,磷酸为电解质,PAFC常用铂作催化剂,也有CO中毒问题,已建成的11MWPAFC电站表明,因排放热的温度低,而使其经济性不佳。从目前技术水平看,PAFC适合作小住宅区的现场电站。MCFC使用熔融的碱性碳酸盐作为电解质,镍做催化剂,工作温度在650°C左右,材料腐蚀是MCFC的难点。SOFC电解质和电极都是陶瓷材料,工作温度在1000°C左右。目前已制成100kw电堆,sOFC的优点是不用催化剂而直接使用天然气为原料,电池效率较高。因此,它是未来大规模清洁发电站的优选对象,缺点是1000°C高温下材料较难解决,目前人们也在研究800°C左右的中温SOFC。
  我国FC的研究始于1958年,当时人们凭着一股热情推动燃料电池上马,不过很快就堰旗息鼓了。70年代初,在航天计划的带动下,我国FC的研究掀起高潮,武汉大学、中科院大化所、原电子部天津电源研究所等单位研制AFC并取得一定的成果,后因航天计划改变,FC研究也就基本中止。90年代,环境保护

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