燃料
電池是直接把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式,被稱(chēng)為21世紀(jì)的分布式電源。燃料
電池的工作原理頗似電解水的逆過(guò)程。氫基燃料送入燃料電池的陽(yáng)極(電源的負(fù)極)轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子,空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極),負(fù)氧離子通過(guò)2極間離子導(dǎo)電的電解質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極與氫離子結(jié)合成水,外電路則形成電流。
通常,完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護(hù)與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中,電池堆是核心。低溫燃料電池還應(yīng)配備燃料改質(zhì)器(又稱(chēng)為燃料重整器)。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能,無(wú)須配備重整器。
磷酸型燃料電池(PAFC)是目前技術(shù)成熟、已商業(yè)化的燃料電池�,F(xiàn)在已能生產(chǎn)大容量加壓型11MW的設(shè)備及便攜式250 kW等各種設(shè)備。第2代燃料電池的熔融碳酸鹽電池(MCFC),工作在高溫(600~700 ℃)下,重整反應(yīng)可以在內(nèi)部進(jìn)行,可用于規(guī)模發(fā)電,現(xiàn)在正在進(jìn)行兆瓦級(jí)的驗(yàn)證試驗(yàn)。固體電解質(zhì)燃料電池(SOFC)被稱(chēng)為第3代燃料電池。由于電解質(zhì)是氧化鋯等固體電解質(zhì),未來(lái)可用于煤基燃料發(fā)電,質(zhì)子交換膜燃料電池是最有希望的
電動(dòng)車(chē)電源。燃料電池有以下優(yōu)點(diǎn):
1)有很高的效率,以氫為燃料的燃料電池,理論發(fā)電效率可達(dá)100%。熔融碳酸鹽燃料電池,實(shí)際效率可達(dá)58.4%。通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能,燃料電池的綜合熱效率可望達(dá)到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)模基本無(wú)關(guān),小型設(shè)備也能得到高效率。
2)處于熱備用狀態(tài),燃料電池跟隨負(fù)荷變化的能力非常強(qiáng),可以在1s內(nèi)跟隨50%的負(fù)荷變化。
3)噪音低;可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際上的零排放;省水。
4)安裝周期短,安裝位置靈活,可省去新建輸配電系統(tǒng)。
目前燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的障礙是造價(jià)高,在經(jīng)濟(jì)性上要與常規(guī)發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)尚需時(shí)日。燃料電池的技術(shù)關(guān)鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價(jià)格等與商業(yè)化有關(guān)的項(xiàng)目,主要涉及新的電解質(zhì)材料和催化劑。熔融碳酸鹽電池(MCFC)在高溫條件下液體電解質(zhì)的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命,使MCFC的大型化及實(shí)用化受到限制。需要解決電池構(gòu)成材料的腐蝕;電極細(xì)孔構(gòu)造變化使電池性能下降等問(wèn)題。
固體氧化物燃料電池(SOFC)使用固體電解質(zhì)且工作溫度很高,對(duì)構(gòu)成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學(xué)性穩(wěn)定和致密性(不通過(guò)氣體)的電解質(zhì),在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩(wěn)定氧化鋯。為了降低工作溫度,應(yīng)盡可能減少電解質(zhì)薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結(jié)法和電化學(xué)蒸發(fā)涂層法制備電解質(zhì)薄膜。
實(shí)用的電解質(zhì)膜的厚度為0.03~0.05mm。比較先進(jìn)的已達(dá)到0.01 mm。這樣薄的電解質(zhì)陶瓷材料除應(yīng)當(dāng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度外,必須具有高度的氣體致密性,否則將喪失燃料電池的性能。燃料極使用鎳鋯等耐熱金屬陶瓷,鎳還用作燃料重整的催化劑,空氣極在運(yùn)行中處在高溫氧化中,難以使用一般金屬。鉑的穩(wěn)定性好,但費(fèi)用昂貴,需要尋找替代材料,可用電子導(dǎo)電陶瓷。為了降低工作溫度,另外一個(gè)重要的研究方向是尋找低溫的質(zhì)子導(dǎo)電的電解質(zhì)。工作溫度倘若能降低到700℃以下,SOFC的造價(jià)就可以大幅度降低。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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