燃料电池研究进展及发展探析

第28卷,总第162期2010年7月,第4期

节能技术

ENERGY CONSERVAT I O N TEC HNOLOGY

V ol 28,Sum No 162

Ju l 2010,No 4

燃料电池研究进展及发展探析

刘 洁,王菊香,邢志娜,李 伟(海军航空工程学院,山东 烟台 264001)

摘 要:燃料电池是一种清洁、高效的能源利用方式。发展燃料电池对于改善环境,实施能源

可持续发展具有重要意义。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类及优点,详细阐述了目前燃料电池的应用和研究进展。指出随着电池材料的发展、制备技术的提高及生产成本的降低,燃料电池具有广阔的市场前景。

关键词:燃料电池;固体氧化物;氢燃料;商业化

中图分类号:TM 911.4 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2010)04-0364-05

The Investi gati on on R esearch Progress and D evelop m ent of Fuel C ell

LIU Jie ,WANG Ju-x iang ,X ING Zhi-na ,LIW e i

(Nava lAeronautical and Astronautica lU niversity ,Yan tai Shandong 264001,Ch i n a)

Abst ract :As a ne w k i n d of ener gy utilization technology ,the fue l ce ll has advan tages o f clean and high effic i e ncy The deve l o p m ent of fuel cell is very i m portant to i m prove env ironm ent and carry out t h e ener gy sustainab le deve l o pm ent The w orking pri n c i p le ,classificati o n and advances of the fuel ce llw ere intro duced And the app lication and research pr ogress of fue l ce llw ere presented in detail W ith the deve l o p m ent o fm ateria,l the advance of m ak i n g techno l o gy and the reduction of producti o n cos,t the fue l cell possesses broad m ar ket pr ospect

K ey w ords :fue l ce l;l so li d ox i d e ;hydrogen f u e;l co mm erc ial prog ress 收稿日期 2010-04-18 修订稿日期 2010-04-23作者简介:刘洁(1982~),女,硕士,助教,主要从事化工分离方

面的教学和研究工作,

能源是国民经济的动力,也是衡量综合国力和人民生活水平的重要指标。随着世界范围内工业的高速发展,全世界对能源的需求日益增加。另外,能源的使用以化石燃料为主,排放了大量CO 2、N 2O 及硫化物等污染物,造成了环境污染,严重危害人民健康。因此,采用清洁、高效的能源利用方式,积极开发新能源,有利于国家和社会经济的可持续发展。燃料电池是一种电化学的发电装置,等温的按电化学方式,直接将化学能转化为电能而不必经过热机

过程,不受卡诺循环限制,因而能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式。同时,随着燃料电池技术不断成熟,以及西气东输工程提供了充足天然气源,燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景。

1 燃料电池的工作原理和发展现状

1.1 燃料电池的原理

燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应,其工作原理如图1所示。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电

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路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子,电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,

电解质通常为致密结构。

图1 燃料电池工作原理示意图

1.2 燃料电池的分类

目前各国开发的燃料电池种类多,应用范围广泛,分类方法也多种多样。

燃料电池有不同的分类方法:按工作温度不同,可将燃料电池分为低温型(工作温度低于120∀)、中温型(工作温度120~260∀)、高温型(工作温度260~750∀)和超高温型(工作温度750~1200∀);按电解质种类可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC )、质子交换膜燃料电池(PE M FC )、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )和固体氧化物燃料电池(SOFC )等;按燃料处理方式不同,可分为直接型、间接型和再生型。

本文按照第二种分类方法对燃料电池进行介绍。

1.3 燃料电池的优点

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料,燃料电池便能连续发电,已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术

[1]

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燃料电池的优点:

(1)发电效率高。燃料电池发电不受卡诺循环的限制。理论上,它的发电效率可达到85%~90%,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40%~60%。若实现热电联供,燃料的总利用率可高达80%以上。

(2)环境污染小。燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时,二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上,这对缓解地球的温室效应是十分重要的。

另外,由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱硫,而且按电化学原理发电,没有高温燃烧过程,因此几乎不排放氮和硫的氧化物,减轻了对大气的污染。(3)比能量高。液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍,直接甲醇燃料电池的比能量比锂离子电池(能量密度最高的充电电池)高10倍以上。目前,燃料电池的实际比能量尽管只有理论值的10%,但仍比一般电池的实际比能量高很多。

(4)噪音低。燃料电池结构简单,运动部件少,工作时噪声很低。即使在11MW 级的燃料电池发电厂附近,所测得的噪音也低于55dB 。

(5)燃料范围广。对于燃料电池而言,只要含有氢原子的物质都可以作为燃料,例如天然气、石油、煤炭等化石产物,或是沼气、酒精、甲醇等,因此燃料电池非常符合能源多样化的需求,可减缓主流能源的耗竭。

(6)负荷调节灵活,可靠性高。当燃料电池的负载有变动时,它会很快响应。无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行,它都能承受且效率变化不大。由于燃料电池的运行高度可靠,可作为各种应急电源和不间断电源使用。

(7)易于建设。燃料电池具有组装式结构,安装维修方便,不需要很多辅助设施。燃料电池电站的设计和制造相当方便。

1.4 燃料电池的应用和研究进展

碱性燃料电池(AFC )是最早开发的燃料电池技术,在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。磷酸型燃料电池(PAFC )也是第一代燃料电池技术,是目前最为成熟的应用技术,已经进入了商业化应用和批量生产。由于其成本太高,目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。熔融碳酸型燃料电池(M CFC)是第二代燃料电池技术,主要应用于设备发电。固体氧化物燃料电池(SOFC )以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点,发展最快,应用广泛,成为第三代燃料电池[2]

。目前正在开发的商用燃料电池还有质子交换膜燃料电池(PE M FC )。它具有较高的能量效率和能量密度,体积重量小,冷启动时间短,运行安全可靠。另外,由于使用的电解质膜为固态,可避免电解质腐蚀。燃料电池技术的研究与开发已取得了重大进展,技术逐渐成熟,并在一定程度上实现了商业化。作为21

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