燃料电池及新材料

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1、燃料电池及新材料樊世敏江苏科技大学材料科学与工程学院摘要：燃料电池作为一种高效、清洁能源，目前已达到准商品化或商品化阶段,本文介绍了以下几种典型燃料电池：AFC、PAFC、PEMFC、MCFC、SOFC的发展概况及应用价值。此外，详尽介绍了它们的材料组成及特性，仔细分析了它们的市场价值以及我国燃料电池今后的发展趋势。关键词：燃料电池AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC发展趋势1引言燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂屮的化学能直接转化为电能的发电装置⑴。燃料电池工作原理是：氢气或其他燃料进入到阳极，并在电极和电解质的界

2、面上发牛氧化与氧气还原的电化学反应，产牛电流，输出电能。燃料电池是继热能发电、水力发电和原子能发电之后的第四种发电技术⑵。利用电化学反应把燃料电池中燃料的化学能（即吉布斯自由能）直接转换成电能,这样不会受卡诺循环效应的限制，所以效率高［测；此外，燃料电池用燃料和氧气作为反应物，有害气体（S0x,N0x）的排放量极少；由于在整个过程中，没有机械传动，所以无噪声污染。因此，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是一种很有发展前途的发电技术。到冃前为止，已经出现了很多种技术和结构类型的燃料电池，但是根据电解质的不同，一般

3、分为碱性燃料屯池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等五大类其中前三种类型工作温度不大于200°C,乂称做低温燃料电池，MCFC和SOFC的工作温度大于650°C，叫做高温燃料电池。2燃料电池系统组成及特点2.1组成燃料电池PAFC的结构最为典型，主要由四部分组成，分别是呈多孔状态、涂有催化剂的阳极、阴极、隔离电极的离子导电电解质、集流体⑹（图1）。单电池产生的电压很低“引（表1）,所以需要耙电池串联成电池堆来提高电压。燃料电池

4、整装机组由电池组、重整器与热交换器（废热回收）、直流■交流转换装置、监控器一起构成。PAFC、AFC和MCFC使用液态电解质，两个电极呈气、液、固三相接触，而SOFC和PEMFC使用固态电解质仅呈两相接触，故在结构上有所不同。五种燃料屯池的工作特性见表1。衣1五种燃料电池匸作待性比较类别AFCPEMFCPAFCMCTCSOFC电解质KOH传HH的聚令物験HiPO4Li:CD>K:C0>ZiOi+YQWW«K（含钳）多孔椽（K俗.KJ，NiZr(Y)O>Rtt離（含借化制）«（含舘人ttm破（含ffnNiOLaMn()i+

5、Sr运动离子OHHHCD,2"a/!»/匸25*10080-100170-220*650-1000/in/X101.3kPa<4<2<8V8常压反应竹価纯氢气钱V

6、经过热能转换、机械能转换，所以不受热机原理中卡诺循环的限制,能达到40%以上的发电效率，如PAFC的发电效率为42%,MCFC的发电效率大于60%,比传统的火电厂高的多。此外，燃料电池在发电的同时还生产杲化卅系统―収极隔板7）…终极枚一阴极MS图1燃料电池组件的平面配JK热水和低温蒸汽，电/热比大于1.0,多呈汽电共牛形式，其总的能量转换效率高达90%。2.2.2可靠性好由于不需要经过热能转换，机械能转换等复杂能量转化，所以电池内运动零件很少，不会出现内燃机转动零件和燃气涡轮损坏等导致的严重事故。套装机组可以在线监控，可

7、以自动操作。2.2.3利于环保燃料电池与普通电厂相比，极大的降低了CO?排放，大幅度减少粉尘、S02和NCX的排放，改善空气质量，同吋水的消费和废水排放大幅度降低。此外，燃料电池转动机件少，消除了普通电厂的噪声源。因为不需要燃烧，所以占地面积小，安全可靠，这种发电方式适合设置在城区作电源。以汽电共生方式可同时向旅馆、餐厅、办公楼、医院、百货公司提供电力和热量大约需要40〜1000kW的燃料屯池；3〜20kW的燃料电池可供住宅使用，高温燃料电池对热电厂的竞争力更高。可以在孤立的边远市镇、矿区及军队哨所建立这种洁净的小型汽电

8、共牛系统来提供电力、热水、暖气与空调，如新疆等地的油气田，实用价值很高。2.2.4稳定性高由于受负载因素及容量变化的影响不大，所以效率稳定，。负载追随迅速，可提高屯力系统稳定度。2.2.5燃料选择范围大柴油、轻油、煤气、天然气、液化天然气、沼气、含氢废气等皆可使用。2.2.6建厂时间短厂址选择限制少、占地面积小，建厂