燃料电池的特点和分类

燃料电池的特点

燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式,被称为21世纪的分布式电源。燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子,空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极),负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水,外电路则形成电流。

解析:燃料电池的优点及关键技术

通常,完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中,电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器(又称为燃料重整器)。高温燃料电池具有内重整功能,无须配备重整器。

磷酸型燃料电池(PAFC)是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 MW的设备及便携式250 kW等各种设备。第2代燃料电池的熔融碳酸盐电池(MCFC),工作在高温(600~700 ℃)下,重整反应可以在内部进行,可用于规模发电,现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池(SOFC)被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质,未来可用于煤基燃料发电,质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。燃料电池有以下优点:

解析:燃料电池的优点及关键技术

1)有很高的效率,以氢为燃料的燃料电池,理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池,实际效率可达584%。通过热电联产或联合循环综合利用热能,燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关,小型设备也能得到高效率。

2)处于热备用状态,燃料电池跟随负荷变化的能力非常强,可以在1 s内跟随50%的负荷变化。

3)噪音低;可以实现实际上的零排放;省水。

4)安装周期短,安装位置灵活,可省去新建输配电系统。

解析:燃料电池的优点及关键技术

目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高,在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目,主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池(MCFC)在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命,使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀;电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。

固体氧化物燃料电池(SOFC)使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性(不通过气体)的电解质,在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度,应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。

解析:燃料电池的优点及关键技术

实用的电解质膜的厚度为0.03~0.05 mm。比较先进的已达到0.01 mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外,必须具有高度的气体致密性,否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷,镍还用作燃料重整的催化剂,空气极在运行中处在高温氧化中,难以使用一般金属。铂的稳定性好,但费用昂贵,需要寻找替代材料,可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度,另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700 ℃以下,SOFC的造价就可以大幅度降低。

燃料电池的分类

燃料电池的种类可以分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸燃料电池(MCFC)、碱性燃料电池(AFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。以下为各类燃料电池简介。

01

质子交换膜燃料电池(PEMFC)

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,简称PEMFC)在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂,质子交换膜作为电解质。工作时相当于一个直流电源,其阳极即电源负极,阴极为电源正极。工作原理图如图1所示。PEMFC发展时间较短,较低的运行温度以及灵活的设计结构使得PEMFC在从移动的汽车电源到一般电源等领域都有着广泛的应用。

燃料电池的类型

图1 PEMFC工作原理图

02

磷酸燃料电池(PAFC)

磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell ,简称PAFC)使用液体磷酸为电解质,采用多孔碳负载铂的催化剂做电极,氢气进料到负电极,氧气(或空气)到正电极。其工作原理图如图2所示。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高,大概在150~200℃左右,但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同,不过由于其工作温度较高,所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。已有医院和军队将其作为应急电源运行了若干年。

燃料电池的类型

图2 PAFC 工作原理图

03

熔融碳酸燃料电池(MCFC)

熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,简称MCFC)是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池,其电解质是熔融态碳酸盐,工作原理图如图3所示。MCFC的优点在于工作温度较高,反应速度加快;对燃料的纯度要求相对较低,可以对燃料进行电池内重整;不需贵金属催化剂,成本较低;采用液体电解质,较易操作。不足之处在于,高温条件下液体电解质的管理较困难,长期操作过程中,腐蚀和渗漏现象严重,降低了电池的寿命。

燃料电池的类型

图3 MCFC工作原理图

04

碱性燃料电池(AFC)

碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cells ,简称AFC)使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质,且电化学反应也与羟基(OH-)从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量,然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。其工作原理图如图4所示。碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此,它们的启动也很快,但其电流密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍,在汽车中使用显得相当笨拙。不过,它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池,因此可用于小型的固定发电装置。

燃料电池的类型

图4 AFC工作原理图

05

固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)电解质采用固体氧化物氧离子(O2-)导体,起传递 O2-及分离空气和燃料的双重作用。SOFC工作原理如图5所示。与其他类型燃料电池相比,SOFC燃料适应性强,可以使用一氧化碳、烃类等作为燃料;此外,其电极电解质材料为陶瓷材料,可显著降低燃料电池的成本;电极总体为全固体结构,制造维护成本低,无电极毒化,无漏液腐蚀,工作寿命长。因此,近年来针对SOFC系统的研究逐渐深入,其在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站,以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源,都有广阔的应用前景。

燃料电池的类型

图5 SOFC工作原理图

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