2024年02月21日 星期三
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燃料电池简介

2019/10/16 14:35:341875

  燃料电池——氢能促成科技

  燃料电池技术是未来氢能经济的关键促成技术之一,具有替代汽车中内燃机和为固定式及便携式发电设施提供燃料的巨大潜力。

  燃料电池与现存应用于发电厂和乘用车上的传统燃烧技术相比具有许多优势。它们产生的温室气体量更少。如果用纯氢作为燃料,燃料电池的副产物只有水,并放出一定的热量。

  燃料电池商业化面临的主要挑战是如何降低成本和增强耐久性。

  燃料电池如何工作

  燃料电池是一种以氢气和氧气发生电化学反应产生电能的设备。一个单电池由一个电解液和两个喷涂了催化剂的电极组成。从阳极进氢气,从阴极进氧气。对于质子膜燃料电池而言,催化剂从氢原子中带走电子。释放电子后,质子穿过电解液。而电子向阴极运动,从而产生了电流。在阴极,另一种催化剂使氢原子与氧气结合生成一个水分子(见下图)。

  燃料电池的优点

  高效:燃料电池汽车预期的效率为40%50%,而传统内燃机的转化石油能源的效率只有15%。燃料电池发电站预期的效率可达80%,热电联产的效率可能更高。

  清洁:如果用纯氢作为燃料,燃料电池的副产物只有水。使用车载燃料重整装置的燃料电池汽车的污染程度是内燃机的三分之一。在固定式与便携式发电站方面的结论与汽车差不多。

  可依赖性:燃料电池可以不间断运行,特别适用于固定式电站的应用。

  用途范围广:燃料电池规模可以从微型到兆瓦级不等,应用范围十分广泛。

  燃料电池的种类

  质子交换膜燃料电池:优点是功率刻度高、操作温度低(80℃)、启动速度快、耐久性好和体积小。缺点是需要使用贵金属,增加了成本。

  碱性燃料电池:以氢氧化钾为电解液,催化剂不需要使用铂等贵金属。高温碱性燃料电池的温度在100℃250℃之间,新型电池温度大大降低,在23℃70℃左右。目前多被用于偏远地区,示范的效率接近60%。缺点是容易二氧化碳中毒。

  固体氧化物燃料电池:预期效率能达到50%85%,操作温度很高(1000℃),启动速度慢,需要加装隔热层,对催化剂耐久性要求高,但不需要使用贵金属。

  磷酸燃料电池:耐久性强,热电联产效率高(85%),但单独发电效率相对低(37%42%),需要使用铂等贵金属,成本为40005000美元/千瓦。

  熔融碳酸盐燃料电池:多被应用于天然气和煤气发电站,属于高温燃料电池(650℃以上),不需要使用贵金属和附加重整装置,但高腐蚀性的电解液对设备零件的要求较高。

  挑战

  成本:燃料电池想要与传统技术一较高下,首先要把成本大幅消减。目前汽车内燃机发电站的成本为2535美元/千瓦,应用于交通的燃料电池技术成本需要达到30美元/千瓦以下,应用于固定式燃料电池发电站的成本要达到400750美元/千瓦(早期1000美元/千瓦)。

  耐久性和可依赖性:应用于交通的燃料电池供电系统要达到与现存汽车引擎相同的耐久性和可依赖性(5000小时寿命或241000公里行程),操作温度在40℃80℃。应用于固定站的燃料电池供电系统就要求为40000小时,-35℃40℃,才能满足市场的需要。

  系统大小:现存燃料电池系统,包括电堆及辅助零件的尺寸及重量都需要进一步减小。

  空气、热、水管理:燃料电池的运行参数和管理需要进一步优化,以及开发更优良的膜增强系统的增湿性能,简化复杂的水管理系统。

  改善热量回收系统:高温燃料电池的热量回收系统的效率需要进一步提高,促进热电联产的发展,将其效率提高到80%以上。

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