燃料電池及其前景

1、【摘要】燃料電池具有非同尋常的性能：電效率可達60%以上，而且可以在帶著部分負荷運行的情況下進行維修，除了有低比率碳氧化物排放外幾乎沒有任何有害的排放物。文章介紹按溫度劃分的4種主要燃料電池（PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC）的性能，重點介紹高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）的應用及其發(fā)展前景。WithdemonstrationprojectsfuelcellsareWelluderwaytowardpenetratingthepowermarket,coveringawiderangeofapplication.Thispaperintroducesthemainfourtypeso

2、ffuelcellswhicharePEMFC,PAFC,MCFCandSOFC.ThenitputstheemphasisonSOFCanditsapplicationmarket,燃料電池是通過由電解液分隔開的2個電極中間的燃料（如天然氣、甲醇或純凈氫氣）的化學反應直接產生出電能。與汽輪發(fā)電機生產的電能相比，燃料電池具有非同尋常的特性：它的電效率可達60%以上，可以在帶部分負荷運行的情況下進行維修，而且除了排放低比率碳氧化物外，幾乎沒有任何其他的有害排放物。1燃料電池的分類目前研制的燃料電池技術在運行溫度上有不同的類型，從比室溫略高直到高達1000c的范圍。大多數(shù)工業(yè)集團公司的注意力集中在

3、以下4種主要類型上：（1）運行溫度在60-80C之間的聚合物電解液隔膜型燃料電池（PEMFC）;（2）運行溫度在160-220C之間的磷酸類燃料電池（PAFC）;（3）運行溫度在620-660C之間的熔融碳酸鹽類燃料電池（MCFC）;（4）運行溫度在880-1000C之間的固體氧化物燃料電池（SOFC）?？梢詫⑦@些類型的燃料電池劃分為低溫型（100C及以下卜中溫型（約200c左右）及高溫型（600-l000C）燃料電池。表1簡要地列出了各種類型燃料電池的性能。中溫型和高溫型燃料電池適于用在靜止式裝置上，而低溫型燃料電池對于靜止裝置和移動式裝置都適用。實用裝置的功率容量差別也很大，可以給筆記本電

4、腦及移動電話供電（數(shù)以W計），也可以給居民住宅（數(shù)kW）或是分散的電熱設備和動力設備（數(shù)百KW到數(shù)MW）供電。最適于用來驅動汽車的是低溫型燃料電池。根據(jù)使用期限成本進行的經濟性比較結果表明，就發(fā)電成本而言，SOFC型燃料電池要PEM型低30%。這個結果是根據(jù)SOFC型燃料電池的電效率比PEM型的高,這2種燃料電池最終都可以達到l000美元/KW的投資成本這一假設條件而推導出來的。2高溫燃科電池高溫型燃料電池具有許多適于在靜止式裝置上使用的特性。但是在高溫型燃料電池產生出電能之前需要較長的加熱過程，因而這種技術不能應用于要求在短時間內頻繁起動的各種實用裝置。此外，高溫型燃料電池還具有以下特點：（

5、1）不需要使用貴金屬來催化電化學反應。一般情況下使用陶瓷材料。（2）對CO完全沒有限制。CO參加到電化學反應過程并像H2一樣被氧化。（3）對燃料表現(xiàn)出高度靈活性?？梢越o這類燃料電池發(fā)電設備供應天然氣，天然氣在設備內部被轉換成H2和CO。這意味著無需任何外部燃料，從而大大簡化了發(fā)電設備的平衡問題。（4）高溫可以將燃氣輪機連接到該系統(tǒng)上，在這種情況下，燃料電池發(fā)電設備是在300kPa壓力下運行，并在不考慮燃氣輪機輸出的情況下將燃料電池的功率密度提高約20%,因此使總的電效率提高10%,可成倍地降低使用期限成本。（5）較高的運行溫度也為排熱提供了更多的靈活性。在電效率達60%或更高水平的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)

6、中可限制廢熱排放，而在單循環(huán)下則會排放出更多的熱量。MCFC和SOFC是這類高溫型燃料電池的2種技術。它們使用的材料不同。MCFC是在一只陶瓷容器中放入液態(tài)的金屬碳酸鹽作為電解液，如果沒有采取防止電極老化的措施，燃料電他的使用壽命會受到影響。在MCFC中電化學反應是由CO3離子引發(fā)的。MCFC采用的是頰型電池，和SOFC型的管形設計方案相比，這種頰型電他的功率密度要稍微高一些。這在成本上要比SOFC型裝置優(yōu)越。但在另一方面，由于SOFC所用的陶瓷材料非常穩(wěn)定，可以用在950-1000C范圍內，所以SOFC裝置在抗老化性能上更具優(yōu)越性。到目前為止，所有的長期電池試驗和正在運行的試驗性機組都表明S

7、OFC型裝置的使用壽命可以達到70000-80000h,是MCFC型的2倍。MCFC和SOFC2種技術在進行100-250kW功率范圍的單循環(huán)現(xiàn)場試驗中，成本都有大幅度的下降。目前在MCFC開發(fā)上占有主導地位的是美國的FuelCellEnergy公司及其在德國的授權單位MTU,日本的Ishikawajima-Harima重工（IHI）和三菱公司等。而SiemensWestinghouse在SOFC開發(fā)上處于領先水平。燃料電池及其發(fā)展前景（來源于網(wǎng)絡固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell,簡稱SOFC）屬于第三代燃料電池，是一種等溫、直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境

8、友好地轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。燃料電池的歷史可以追溯到1839年，固體氧化物燃料電池的開發(fā)始于20世紀40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃發(fā)展。SOFC與第一代（磷酸型燃料電池，簡稱PAFC）、第二代燃料電池（熔鹽碳酸鹽燃料電池，簡稱MCFC）相比它有如下優(yōu)點：（1）較高的電流密度和功率密度；（2）陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質內阻降；（3）可直接使用氫氣、燒類（甲烷）、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；（4）避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質或熔鹽電解質的腐蝕及封接問題；（5）能提供高質余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產，燃料利用率高，能量利用率高達80%左右，是一種清潔高效

9、的能源系統(tǒng)；（6）廣泛采用陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，具有全固態(tài)結構；（7）陶瓷電解質要求中、高溫運行（6001000C）,加快了電池的反應進行，還可以實現(xiàn)多種碳氫燃料氣體的內部還原，簡化了設備。固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種新型發(fā)電裝置，其高效率、無污染、全固態(tài)結構和對多種燃料氣體的廣泛適應性等，是其廣泛應用的基礎。二、SOFC組成及工作原理單體燃料電池主要組成部分由電解質（electrolyte）、陽極或燃料極（anode,fuelelectrode）、陰極或空氣極（cathode,airelectrode）和連接體（interconnect）或雙極板（bipolarseparat

10、or）組成。SOFC的工作原理與其他燃料電池相同：早期開發(fā)出來的SOFC的工作溫度較高，一般在8001000C。目前科學家已經研發(fā)成功中溫固體氧化物燃料電池，其工作溫度一般在800c左右。一些國家的科學家也正在努力開發(fā)低溫SOFC,其工作溫度更可以降低至650700C。工作溫度的進一步降低，使得SOFC的實際應用成為可能。在SOFC的陽極一側持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣（H2）、甲烷（CH4）、城市煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續(xù)通人氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-

11、,在化學勢的作用下，O2-進入起電解質作用的固體氧離子導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應，失去的電子通過外電路回到陰極。三、固體氧化物燃料電池組單體燃料電池只能產生1V左右電壓，功率有限，為了使得SOFC具有實際應用可能，需要大大提高SOFC的功率?？梢詰玫姆绞剑簩⑷舾蓚€單電池以各種方式（串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)）組裝成電池組。目前SOFC組的結構主要為：管狀（tubular）、平板型（planar）和整體型（unique）三種，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成為SOFC的發(fā)展趨勢。1、管狀SOFC管狀結構SOFC是最早發(fā)展的一種形式，也是目前較為成

12、熟的一種形式。單電池由一端封閉、一端開口的管子構成，如圖2a所示。最內層是多孔支撐管，由里向外依次是陰極、電解質和陽極薄膜。氧氣從管芯輸入，燃料氣通過管子外壁供給。連接體目前管狀結構單電池已經運行了數(shù)萬小時。單電池通過陰、陽極間連接形成電池堆，如圖2b所示。燃料氣氧化劑氧化劑MS料氣連接體鍍鐮層錦氈連接體燃料氣氧化劑氧化劑陽極電解質陰極支撐管外電路正極外電路負程圖2管式結構固體氧化物燃料電池組(a)單體電池Mb)單電池間的連接club,資料來源：彭蘇萍等，物理200433(2)9094:固體氧化物燃料電池2、平板型SOFC平板型固體氧化物燃料電池的幾何形狀簡單，其設計形狀使得制作工藝大為簡化。

13、平板式SOFC結構組成如圖3a所示。陽極、電解質、陰極薄膜組成單體電池，兩邊帶槽的連接體連接相鄰陰極和陽極，并在兩側提供氣體通道，同時隔開兩種氣體。平板型固體氧化物燃料電池堆結構如圖3b所示。燃料氣陰嵌連接體封接材料斑體單電池單元(陰極+電解質+陽極)連接體3平板式結構固體氧化物燃料電池組(a)單電池結構乂卜)電池堆結肉club,battery,物理200433(2)9094:固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池時間：2009-04-2810:32:53來源：中國電池網(wǎng)文號：大中小燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效的轉化為電能的發(fā)電裝置。根據(jù)所使用的電解質種類的不同，燃料電池

14、可分為：（1）低溫燃料電池，諸如固態(tài)高聚物電解質燃料電池（PEMFC）及堿性燃料電池（AFC）;（2）磷酸鹽酸性燃料電池（PAFC）;（3）熔鹽碳酸鹽燃料電池（MCFC）;（4）固體氧化物燃料電池（SOFC）等。SOFC是繼PAFC、MCFC之后的能量轉換效率最高的第三代燃料電池系統(tǒng)，被認為是最有效率的和萬能的發(fā)電系統(tǒng)，特別是作為分散的電站，目前正在引起各國科學家的廣泛興趣。它是將燃料和氧化劑氣體，通過一種離子傳導陶瓷并產生電能的全固態(tài)能量轉換裝置，所以又被稱為陶瓷燃料電池。SOFC主要包括電解質和兩個電極。在陰極，空氣中的氧離解轉換成氧離子，通過兩個電極間的固體電解質膜遷移，與陽極/電解質界

15、面上的燃料反應。在外電路，從陽極到陰極的電子流產生直流電。固體電解質是SOFC的最核心的部件。它的性能不但直接影響電池的工作溫度及電能轉換效率，還決定了所需的相匹配的電極材料及其相應制備技術的選擇。目前發(fā)現(xiàn)的可能用于SOFC的氧離子導體主要有螢石相結構的ZrO2基、CeO2基、Bi2O3基材料和鈣鈦礦型結構的LaGaO3基材料等。除了燃料電池的一般優(yōu)點外，SOFC還具有以下特點：對燃料的適應性強，能在多種燃料包括碳基燃料的情況下運行；不需要使用貴金屬催化劑；使用全固態(tài)組件，不存在對漏液、腐蝕的管理問題；積木性強，規(guī)模和安裝地點靈活等。這些特點使總的燃料發(fā)電效率在單循環(huán)時有潛力超過60%,而對總

16、的來說體系效率可高達85%,SOFC的功率密度達到1MW/M3,對塊狀設計來說有可能高達3MW/M3。事實上，SOFC可用于發(fā)電、熱電回用、交通、空間宇航和其他許多領域，被稱為21世紀的綠色能源。SOFC今后的研究開發(fā)主要集中在以下幾個方面:1、新型電極材料和其他電池構件的開發(fā)。修飾SOFC的其他部件，使系統(tǒng)結構達到最佳化，以配合燃料電池的中溫操作；開發(fā)中溫條件下有一定活性同時與電解質在性能上相匹配的電極材料；改善電極的微結構。其中納米電極是一個可行的路線。它顆粒小，可增加三相界（催化活性中心）的長度和電極/電解質的接觸面積，大大降低了界面電阻；也可降低電極厚度，使氣體更容易擴散到三相界面處，

17、減小由于電極濃差極化造成的電池效率的降低。2、質子導體及質子-離子混合導體電解質的開發(fā)。由質子導體作電解質，水將在氧化劑的一側產生，因此將不會出現(xiàn)用氧離子導體作電解質那樣，經過燃料電池反應后須將水從燃料中除去。當使用甲烷等碳氫氣體時，只有這些燃料熱解得到的氫可認為是質子導體燃料電池的燃料，而其余部分可作為有用的重整產物而保留下來，例如乙烷經電池反應重整后可得到乙烯。某些電化學反應必須使用質子導體材料。如：工業(yè)中H2S廢氣用這種燃料電池來處理，可以在發(fā)電的同時，得到有用的副產品S2。3、研究質子傳導的機理并開發(fā)在中溫下具有足夠電導率的質子導體。這是一個很有希望的研究方向。應該說，質子-離子混合導體是一種嶄新的