清洁能源燃料电池的发展前景

2011 年第 27 期 在人类社会工业化的进程中，热机起到了至关重要的作用。 但是 传统能源日益告罄，环境的污染也日益严重，随着人们对能源的需求 的增加及对环境质量的重视，新的替代能源及能量转换装置成为学者 研究的热点。 目前，人们寻求到的新能源主要有风能、太阳能及核能，但是由于这 些新能源不是来源不稳定就是难以小型化，在某些领域还是难以取代化学 能的作用， 因而需要一种能够清洁环保的使用化学能的装置， 燃料电池 （Fuel Cell）正是这样的一种装置，当选择燃料为氢能时，使用后的废料仅 为水。燃料电池诞生在 170多年前，最早于 1839年，由英国的 G rove所发 明。 不用于当时已经能够在生产中应用的热机，燃料电池不受卡诺循环的 限制，能量转化效率大大提高。近百年来，热机飞速发展，得到了广泛应用， 燃料电池由于材料科学的限制，发展速度较为缓慢，在 1960年代应用在 美国军方，后于 1965年应用于美国双子星计划双子星 5号太空仓。 近年 来，随着材料科学的发展，民用的燃料电池成为可能[1]。 1.燃料电池的工作原理 1.1 燃料电池的构造及工作原理 燃料电池是电池的一种，为一种将化学能转化为电能装置，每个单 电池都由阳极、电解质、阴极组成，根据应用要求，采用连接体将多个单 电池连接成为电堆。 在单电池的阳极连续通入燃料气体，同时在阴极连 续通入氧化剂气体，这样在电解质的两端就产生了电动势，外接用电器 后， 离子载流子连续的通过电解质， 外接电路中也就产生了连续的电 流，用电器启动。 不同于其他类的电池，燃料电池是开放性的，燃料的储 存装置与能量转换装置隔离开来，从理论上，燃料可以随时可以通入电 池，从而产生电能。 在这一点上，燃料电池与热机更为相似[2]。 1.2 燃料电池的性能指标 燃料电池性能的衡量指标主要有电流密度、功率密度、功率、成本 和寿命。 单个燃料电池的关键指标是电流密度，即单位电极面积上的电流 强度(mA/cm2)。但需要说明的是，燃料电池的电流强度并不与电极面积 成正比，电极面积增大—倍，电流强度并不增加一倍。 原因比较复杂， 与燃料电池的类型和电池的设计等因素有关。 燃料电池电源具有一定的功率、重量和体积，关键指标是功率密 度和比功率。 比功率= 功率 体积 功率密度（W/m3）计算值也成为体积功率密度（W/L）。 比功率= 功率 质量 比功率（W/kg）也称为质量比功率。燃料电池的效率及成本是限制 器应用的重要指标，用 USD/kW 表示。 燃料电池的高成本主要是由于 其组元所采用的材料决定的，为了降低其成本，应寻找廉价简便的替 代材料。 燃料电池的寿命通常是指电源工作的积累时间。 当燃料电池 不能输出额定功率时，它的寿命也就结束。 2.燃料电池的特点 2.1 高效率 由于不受卡诺循环的限制，从理论上讲，燃料电池可将燃料能量 的 90％转化为可利用的电和热 。 磷酸燃料电池设计发电效率 42％ (HHV)，目前接近 46％。 燃料电池的另一特点是在其发电的同时可产 生热水及蒸汽。其电热输出比约为 1.0，而汽轮机为 0.5。这表明在相同 电负荷下，燃料电池的热载为燃烧发电机的 2 倍。 2.2 可靠性 不同与燃烧涡轮机循环系统或内燃机， 燃料电池在能量转化时， 不需要首先将化学能转化为机械能，因而转动部件很少，因而系统更 加安全可靠。燃料电池从未发生过像燃烧涡轮机或内燃机因转动部件 失灵而发生的恶性事故。 2.3 环境友好 燃料电池的转动部件很少，噪声很低，在各种能量转换装置中危 险性最小。 它的规模小，无燃烧循环系统，污染物排放量极少。 燃料电 池的环境友好性是使其具有极强生命力和长远发展潜力的主要原因。 2.4 可控性 燃料电池具有其他技术无可比拟的优良的操作性能，这也节省了 运行费用。动态操作性能包括对负荷的响应性、发电参数印可调性、突 发性停电时的快速响应能力、线电压分布及质量控制。 燃料电池发电厂的电力控制系统可以分别独立地控制有效电力 和无效电力。 控制了发电参数，就可以使线电压及频率的输送损失最 小化，并减少储备电量及电容、变压器等辅助设备的数量。 3.燃料电池的种类 3.1 碱性燃料电池 碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell)简称 AFC，是以 KOH 水溶液为 电解质的燃料电池。 KOH 水溶液的质量分数一般为 30％~45％，最高 可达 85％。 在碱性电解质中，氧化还原比在酸性电解质中容易。 3.2 磷酸燃料电池 磷酸燃料电池 (Phosphorous Acid Fuel Cell)也就是以磷酸为电解 质的燃料电池．简称 PAFC。 阳极通以富氢并含有 CO2的重整气体，阴 极通以空气。 对 CO2的承受力是 PAFC 的特征之一。 3.3 熔融碳酸盐燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell)，简称 MCFC。通 常被称为第二代燃料电池，因为预期它将继磷酸燃料电池之后进入商 业化阶段。 MCFC 的工作温度为 600~650℃， 因而与低温燃料电池相 比，有几个潜在优势。首先，在 MCFC 的工作温度下，燃料的重整，如天 然气重整，能在电池堆内部进行，既降低了系统成本，又提高了效率； 其次，电池反应的高温余热可用于工业加工或锅炉循环；第三，几乎所 有燃料重整都产生 CO2，它可使低温燃料电池电极催化剂中毒，但却 可成为 MCFC 的燃料。 MCFC 的缺点是在其工作温度下，电解质的腐 蚀性高，阴极需不断供应 CO2。 3.4 固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池 (Solid Oxide Fuel Cell)，简称 SOFC，适用于 大型发电厂及工业应用。 SOFC 的工作温度为 800~1100℃，在所有燃 料电池中工作温度最高。 在这样高的温度下，燃料能迅速氧化并达到 热力学平衡，可以不使用贵金属催化剂。SOFC 可以承受超载、低载，甚 至短路。 目前，SOFC 有向中温发展的趋势， 当工作温度降低为 600~ 800℃时，电池的材料选择范围更宽，应用前景更为广阔。 3.5 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，简称 PEMFC，由于其工作温度较低，适用于电动汽车及数码产品中。 目前， 新型的直接甲醇燃料电池(DMFC)也是 PEMFC 的一种，日本、韩国、德 国等研制成功了用于笔记本电脑、手机等用 DMFC 的演示样机。此外， DMFC 在军事领域应用也比较广泛，如单兵作战电源等。 4.结束语 燃料电池具有高效率、环境友好、可靠性高及便于控制的优点，具 有较广阔的应用空间及良好的应用前景。虽然目前燃料电池的成本偏 高，随着材料科学及工程学的发展，燃料电池必然能够走入广大人民 的生活中去。 科 【参考文献】 ［1］林维明.燃料电池系统[M].北京:化学工业出版社,1996.7. ［2］衣宝廉.燃料电池[M].北京:化学工业出版社,2000.56. ● 清洁能源燃料电池的发展前景 宋晓明 张正超 （辽宁中咨华宇环保技术咨询有限公司 辽宁 沈阳 110013） 【摘 要】燃料电池是一种新型的能量转换装置，能够高效清洁的使用能源，其类型主要有碱性燃料电池(Alkaline FuelCell)、磷酸燃料电池(Phosphorous AcidFuelCell)、 熔融碳酸盐燃料电池 (MoltenCarbonate FuelCell)、 固体氧化物燃料电池 (SolidOxide FuelCell)、 质子交换膜燃料电池 (ProtonExchange MembraneFuelCell)。 文中提到了几类燃料电池的优缺点，列出衡量其性能的技术指标，指出了燃料电池的应用领域及发展方向。 【关键词】燃料电池；能源；清洁环保 ◇能源科技◇ 321