[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论文网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GM,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。

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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电厂

M-CRowerCorporation建造的熔融碳酸盐碳燃电孙电厂

EnergyResearchCorporation建造的250KW熔融碳酸盐燃料电池厂

EnergyResearchCorporation在加州SantaClara建造的2M熔融碳酸盐燃料电池示范电厂

固体氧体物燃料电池电厂

SiemensWestinghouse建设的管状固体氧化物燃料电池电厂

燃料电池电厂所以具有如此大的吸引力,是因为它与传统的火力发电。水力发电或核能发电相比,具有无可比拟的特点和优势。

1。能量转换效率高燃料电池能量转换效率比热机和发电机能量转换效率高得多。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为40～50百分号,当用热机带动发电机时,其效率仅为35～40百分号,而燃料电池的有效能效可达60～70百分号,其理论能量转换效率可达90百分号。其他物理电池,如温差电池效率为10百分号,太阳能电池效率为20百分号,均无法与燃料电池相比。

2。污染小。噪声低燃料电池作为大。中型发电装置使用时其突出的优点是减少污染排放(表3)。对于氢燃料电池而言,发电后的产物只有水,可实现零污染。另外,由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部分,故操作环境无噪声污染。

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