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一文了解燃料电池技术

时间:2019-10-09 作者:赵明灿 阅读:
燃料电池由于具有发电效率高、环境污染小、比能量(能量密度)高、噪声低、可靠性高等优点,近年来备受业界关注。从用途来看,其又以固定式燃料电池(主要应用于家用燃料电池、发电用燃料电池)和交通用燃料电池(主要应用于燃料电池汽车)为主。今天,EDN就带大家了解下,燃料电池是什么,以及目前都有哪些技术。

燃料电池由于具有发电效率高、环境污染小、比能量(能量密度)高、噪声低、可靠性高等优点,近年来备受业界关注。从用途来看,其又以固定式燃料电池(主要应用于家用燃料电池、发电用燃料电池)和交通用燃料电池(主要应用于燃料电池汽车)为主。

氢燃料电池汽车由于具有无污染、高效率、载重高、加氢快和续航长等优点,未来将全面替代内燃机汽车。甚至于世界各国都在积极发展氢能源并制定了相应的路线图,例如加氢站建设。

今天,EDN就带大家了解下,燃料电池是什么,以及目前都有哪些技术。

什么是燃料电池?

简单地说,燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料(氢、天然气或甲醇等)与氧化剂(例如空气)中的化学能直接转化为电能的发电装置。在此过程中,燃料并不发生燃烧,因此不受热力学定律(卡诺循环效应)的限制,也就效率高。此外,由于没有机械传动部件,因此没有噪声污染,排放出的有害气体极少。

从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。它利用我们周围各种化合物中所富含的氢和氧来发电,所产生的废物只不过是水。

燃料电池的分类、工作原理及其特点

燃料电池按燃料电解质的类型来分,可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)五大类。

碱性燃料电池

碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池,主要为空间任务(包括航天飞机)提供动力和饮用水。  

它使用的电解质是水溶液或稳定的氢氧化钾基质,其电化学反应是先生成电子而为外部电路提供能量,然后才回到阴极与氧和水反应而生成更多的羟基离子(OH-)。这与羟基从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。

负极反应:2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

正极反应:O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

碱性燃料电池的工作温度大约80℃,因此其启动很快,但其能量密度却比质子交换膜燃料电池低十来倍,不适合在汽车中使用。不过,这种燃料电池是所有燃料电池中生产成本最低的一种,因此可用于小型的固定发电装置。

与质子交换膜燃料电池一样,碱性燃料电池对一氧化碳和其他杂质非常敏感——这些杂志会污染催化剂。此外,其原料不能含有一氧化碳——一氧化碳会与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾,从而降低电池的性能。

碱性燃料电池的低温性能好,温度范围宽,并且可以在较宽温度范围内选择催化剂,但是碱性电解质易受CO2中和,因此必须要严格除去CO2,成本就偏高。

磷酸燃料电池

磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示,这种电池使用液体磷酸为电解质,通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高,为150~200℃左右,但仍需在电极上增加铂催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同,但由于其工作温度较高,其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。

电池中采用的是100%磷酸电解质,其常温下是固体,相变温度是42℃。将氢气燃料加入到阳极,其在催化剂作用下会受到氧化而变成质子(即氢离子)。质子和水结合成水合质子,同时释放出两个自由电子。电子向阴极运动,而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动。因此,在阴极上,电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。具体的电极反应如下。

阳极反应:H2 + 2H2O → 2H3O+ + 2e-

阴极反应:O2 + 4H3O+ + 4e- → 6H2O

总反应:O2 + 2H2 → 2H2O

由于不受二氧化碳限制,磷酸燃料电池可以使用空气作为阴极反应气体,也可以采用重整气作为燃料,这使得它非常适合用作固定电站。较高的工作温度也使其对杂质的耐受性较强,当其反应物中含有1~2%的一氧化碳和百万分之几的硫时,磷酸燃料电池照样可以工作。

磷酸燃料电池的效率比其他燃料电池低,约为40%,其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。虽然磷酸燃料电池具有上述缺点,它也拥有许多优点,例如构造简单、稳定、电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力。

它采用磷酸为电解质,利用廉价的炭材料为骨架。它除了以氢气为燃料外,现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料。与碱性氢氧燃料电池相比,最大的优点是它不需要CO2处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的,也是目前最成熟的燃料电池,它代表了燃料电池的主要发展方向。

熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。

电解质是熔融态碳酸盐。反应原理示意图如下:

阴极:O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32-

阳极:2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e-

总反应:O2 + 2H2 → 2H2O

熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600℃~700℃),具有效率高(高于40%)、噪音低、无污染、燃料多样化(氢气、煤气、天然气和生物燃料等)、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点,是下一世纪的绿色电站。

固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池(SOFC)属于第三代燃料电池,是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染地转化成电能的全固态化学发电装置。业界普遍认为这种燃料电池未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛普及应用。

固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同,在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成,阳极为燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于直流电源,阳极即电源负极,阴极为电源正极。

在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气,例如氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等,具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体,并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气,具有多孔结构的阴极表面会吸附氧,由于阴极本身的催化作用,会使O2得到电子变为O2-。在化学势的作用下,O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体,由于浓度梯度引起扩散,最终到达固体电解质与阳极的界面,与燃料气体发生反应,失去的电子通过外电路回到阴极。

SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池)相比有如下优点:电流密度和功率密度较高;可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料,而不必使用贵金属作催化剂;避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题;能提供高质余热,实现热电联产,燃料利用率高,能量利用率高达80%左右,是一种清洁高效的能源系统;广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极,具有全固态结构;陶瓷电解质要求中、高温运行(600~1000℃),加快了电池的反应速度,还可实现多种碳氢燃料气体的内部还原,简化了设备。

固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点,可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站,以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源,都有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在原理上也相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂,质子交换膜作为电解质。工作时相当于直流电源,阳极即电源负极,阴极为电源正极。

两电极的反应分别为:

阳极(负极):2H2 - 4e- = 4H+

阴极(正极):O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O

由于质子交换膜只能传导质子,因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极,而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时,阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度,通常在0.5~1V之间。将多个单电池层叠组合,就能构成输出电压满足实际负载所需的燃料电池堆。

质子交换膜燃料电池具有如下优点:其发电过程不涉及氢氧燃烧,因而不受卡诺循环的限制,能量转换率高;发电时不产生污染,发电单元模块化,可靠性高,组装和维修都很方便,工作时也没有噪声。所以,质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。

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表:各种燃料电池对比。(来源:DOE,国金证券研究所)

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图:从发展路径看,预计氢能源将在交通和建筑热电联产领域率先爆发。(来源:Hydrogen Council

总结

燃料电池通过将化学能直接转换为电能,避免了热力学定律的限制,因此与内燃机必须首先将化学能转换成热,然后推动机械运动相比,其固有的效率更高。燃料电池汽车的直接排放物只是水和少量热量,这与内燃机会产生温室气体相比,是一个巨大的进步。燃料电池没有活动机构,因此比传统发动机可靠得多。此外,氢气的生产可以做到无污染,而石油的提炼却对环境有害。因此,燃料电池极具发展前景。

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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