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氢燃料电池的特点、分类及应用

2022-11-14 来源:衣宝廉等著,氢燃料电池[M].北京:化学工业出版社,2021:4-7 浏览数:1

作为真正意义上“零排放”的清洁能源,氢燃料电池的发展与应用正受到前所未有的关注。其实,除了质子膜型,燃料电池还有其他类型,下面一起来了解下氢燃料电池的特点、分类及应用

1.氢燃料电池的特点

与传统能量转换技术相比,氢燃料电池技术拥有诸多优势,因而其有巨大的应用前景。

1.1 效率更高

燃料电池直接将化学能转换为电能。在理论上它的热电转化效率可达85%~90%。但由于电化学反应中存在的各种极化的限制,燃料电池实际工作时的能量转化效率在40%~60%的范围内。但若实现热电联供,燃料的总利用率可高达80%以上,远高于传统内燃机的工作效率。

1.2 环境友好

当采用纯氢为燃料时,水是唯一的反应产物,可以实现零污染物排放,而且氢燃料电池发电不经过热机的燃烧过程,所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物,减轻了对大气的污染。

1.3 能源安全

氢燃料电池采用氢气作为燃料。尽管氢气在自然界中不以游离态的形式存在,但是可以利用本土现有的能源(可再生能源、核能、生物能、煤,或者天然气)通过水电解过程,或者碳氢化合物重整制得。这可以在很大程度上降低对外部石油能源的依赖。

1.4 结构简单、噪声低氢

燃料电池的结构简单、紧凑。运动部件少,因而它工作时安静,噪声很低。

1.5 可靠性高

因为氢燃料电池的运动部件很少,因而也具有很高的可靠性,可作为应急电源和不间断电源使用。

1.6 兼容性好、规模可调节

燃料电池具有常规电池的积木特性,既可用多台电池按串联、并联的方式向外供电,也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。因此氢燃料电池的发电规模通过调整单节电池的数目,可进行规模调节,实现微瓦至兆瓦规模的发电。

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2.燃料电池的分类及应用

迄今为止已开发出多种类型的燃料电池。这些燃料电池可根据电池所采用的电解质进行分类。

2.1 碱性燃料电池(alkaline fuel cells,AFC)

在较高温度(250℃)采用高浓度(85%,质量分数)KOH作为电解质,在较低温度(<120℃)采用较低浓度(35%~50%,质量分数)KOH作为电解质,储存在石棉膜中。碱性燃料电池可选择的电催化剂很多,包括镍、银、金属氧化物等,但是此类碱性燃料电池对CO2的耐受度较差。以KOH为电解质的碱性燃料电池已成功作为Apollo登月飞船和航天飞机的主电源,应用于载人航天飞行,证明了燃料电池高效、高比能量、高可靠性。

2.2 质子交换膜燃料电池(polymer electrolyte membrane or proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)

采用质子交换膜(全氟化磺酸膜或者部分氟化的磺酸型质子交换膜)作为电解质。以富氢气体为燃料的质子交换膜电池通常采用碳载铂(直径3~5nm,质量分数20%、40%Pt/C)作为电催化剂。阳极铂的担载量控制在约0.1mg/cm2,阴极铂的担载量控制在约0.4mg/cm2。若富氢燃料中含有少量的CO,则氢侧的催化剂应该采用铂钌合金等抗毒化催化剂。质子交换膜燃料电池的工作温度通常为60~80℃。质子交换膜燃料电池可在室温快速启动,并可按负载要求快速改变输出功率,是电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源以及分布式发电设备的最佳候选者。2014年12月丰田汽车推出燃料电池车"Mirai”,拉开了商用燃料电池车的序幕。本田汽车、现代汽车、通用汽车等正在开发燃料电池车用技术。

2.3 直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cells,DMFC)

是质子交换膜燃料电池的一种,它采用气态或者液态的甲醇/水混合物作为燃料。直接甲醇燃料电池采用循环液态燃料进行反应,不需要额外的设备对电池排出废热,是单兵、笔记本电脑等供电的优选小型便携电源。

2.4 阴离子交换膜燃料电池(alkaline polymer electrolyte membrane or alkaline anion ex-change membrane fuel cells,AEMFC)

以阴离子交换膜作为电解质,其结构与质子交换膜燃料电池类似。但阴离子交换膜在燃料电池中营造出的碱性环境使得非贵金属催化剂可以应用在低温燃料电池当中,这有望解决低温燃料电池贵金属催化剂成本过高的问题。同时非贵金属催化剂对富氢燃料中的杂质(如CO,硫化物)有更高的耐受度,从而降低了对富氢燃料纯度的要求,进一步降低了成本。近年来阴离子交换膜的研究取得一些进展,但是阴离子交换膜燃料电池在稳定性与运行寿命方面与质子交换膜燃料电池尚有差距。

2.5 磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell,PAFC)

是第一种实现商业化大规模应用的燃料电池。磷酸型燃料电池通常采用储存于碳化硅材质中的高浓度(约100%)磷酸作为电解质。采用耐酸的纳米铂为电催化剂,操作温度通常介于150~220℃之间。多组由Inter-national Fuel Cells公司(后为UTC Fuel Cells公司)生产的200kW级磷酸型燃料电池在美国、欧洲各国得以应用。

2.6 熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell,MCFC)

以碱金属(Li,Na,K)碳酸盐作为电解质。该燃料电池的操作温度通常介于600~700℃之间,在此温度区间内的熔融碱金属碳酸盐可实觋碳酸根离子的传输,也通常不需要使用贵金属催化剂。该熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤气或天然气作燃料,发电功率达1MW以上,适宜于建造区域性分散电站。将余热发电与利用考虑在内,燃料的总热电利用效率可达69%~70%。Fuel Cell Energy公司生产的兆瓦级MCFC电站已在韩国进行商业化运行。磷酸燃料电池与熔融碳酸盐燃料电池的造价高于火电站。

2.7 固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)

以固体氧化物为氧离子载体,如以氧化钇稳定的氧化锆膜为电解质。该类燃料电池的工作温度通常介于800~1000℃之间,目前研究以工作温度700℃的SOFC为主导方向。固体氧化物燃料电池功率可达200kW以上,特别适宜于建造大型、中型电站。固体氧化物燃料电池技术通过热电联用,可提高其总的能量利用率。SOFC目前已有不少应用案例,如丹麦Topsoe Fuel Cell公司开发的100kW级固体氧化物燃料电池电站,日本的EnFarm计划初期产品中,700W的家用燃料电池系统中有部分为固体氧化物燃料电池。
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各种燃料电池的技术状态见表1-1。

表1-1 燃料电池的技术状态

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同时也可以按照温度对燃料电池进行分类。


  1. 低温(工作温度通常低于100℃)燃料电池
    包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池以及阴离子交换膜燃料电池。
  2. 中温(工作温度通常在100~300℃)燃料电池
    包括培根型碱性燃料电池和磷酸燃料电池。
  3. 高温(工作温度通常在600~1000℃)燃料电池
    包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。


 

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