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燃料电池的新进展

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

  作者:高培德(中国科学院上海冶金研究所)
  【摘要】由于航天和国防的需要,才开发了液氢和液氧的小型燃料电池,应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来,由于一次能源的匮乏和环境保护的突出,要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。
  
  早在1839年,英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理,这就是最早的氢-氧燃料电池(FC)。但直到20世纪60年代初,由于航天和国防的需要,才开发了液氢和液氧的小型燃料电池,应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来,由于一次能源的匮乏和环境保护的突出,要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。美国矿物能源部长助理克.西格尔说:“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响,会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯.默尔称,燃料电池必会给汽车动力带来一场革命,燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国ArthurD.Little公司最新估计,2000年燃料电池在能源系统市场将提供1500~2000MW动力,价值超过30亿美元,车辆市场将超过20亿美元;2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。
  
  燃料电池的工作原理和分类、特点和优势
  
  燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入,因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。以熔融碳酸盐型燃料电池为例,图1为燃料电池的结构示意图。
  
  
  
  图1熔融碳酸盐燃料电池单电池结构示意图
  
  在燃料电池电极上反应如下:
  阳极反应:H2+CO32-=H2O+CO2+2e-
  阴极反应:1/2O2+CO2+2e-=CO32-
  总反应:1/2O2+H2=H2O
  燃料电池多种分类。按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型。按电解质种类又可分为磷酸盐型燃料电池(PAFC)--第一代FC;熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)--第二代FC;固体氧化物型燃料电池(SOFC)--第三代FC。表1列出了几种主要类型燃料电池的燃料、电解质、电极和工作温度等基本特点。
  
  表1燃料电池的分类
  
  类型
  
  磷酸盐型燃料电池(PAFC)
  
  融碳酸盐型燃料电池(MCFC)
  
  固体氧化物型燃料电池(SOFC)
  
  聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)
  
  燃料
  
  煤气,天然气,甲醇等
  
  煤气,天然气,甲醇等
  
  煤气,天然气,甲醇等
  
  纯H2
  
  电解质
  
  磷酸水溶液
  
  KLiCO3溶盐
  
  ZrO2-Y2O3(8YSZ)
  
  离子(Na离子)
  
  阳极
  电极
  阴极
  
  多孔质石墨
  (Pt催化剂)
  含Pt催化剂+多孔
  质石墨+Tefion
  
  多孔质镍
  (不要Pt催化剂)
  多孔NiO(掺锂)
  
  Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)
  LaxSr1-xMn(Co)O3
  
  多孔质石墨或Ni
  (Pt催化剂)
  多孔质石墨或Ni
  (Pt催化剂)
  
  工作温度
  
  -200℃
  
  -650℃
  
  800-1000℃
  
  -100℃
  
  近20多年来,燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范(表2)。
  
  表2一些国家的燃料电池电厂
  
  磷酸盐燃料电池电厂
  
  ONSI公司建设的200KWPAFC电厂
  
  质子交换膜燃料电池电厂
  
  BallardGenerationSystem建设的250KWPEM燃料电池厂
  Avista实验室建造的7.5W民用PEM燃料电池电厂,它具有60W热交换调制.
  NorthwestPowerSystem建设的5KW民用PEM燃料电池电厂
  PlugPower建造的7KW民用PEM燃料电池电厂
  
  熔融碳酸盐烯料电池

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