鉅大LARGE | 點擊量：1095次 | 2022年11月19日
簡要燃料動力電池系統(tǒng)組成及其市場應用
燃料電池作為一種高效、清潔能源，目前已達到準商品化或商品化階段，本文介紹了以下幾種典型燃料電池：AFC、PAFC、PEMFC、MCFC、SOFC的發(fā)展概況及應用價值。此外，詳盡介紹了它們的材料組成及特性，仔細分析了它們的市場價值以及我國燃料電池今后的發(fā)展趨勢。
1引言
燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[1]。燃料電池工作原理是：氫氣或其他燃料進入到陽極，并在電極和電解質(zhì)的界面上發(fā)生氧化與氧氣還原的電化學反應，產(chǎn)生電流，輸出電能。
燃料電池是繼熱能發(fā)電、水力發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術[2]。利用電化學反應把燃料電池中燃料的化學能(即吉布斯自由能)直接轉(zhuǎn)換成電能，這樣不會受卡諾循環(huán)效應的限制，所以效率高[3,4];此外，燃料電池用燃料和氧氣作為反應物，有害氣體(SOX,NOX)的排放量極少;由于在整個過程中，沒有機械傳動，所以無噪聲污染。因此，從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電技術。
到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種技術和結(jié)構類型的燃料電池，但是根據(jù)電解質(zhì)的不同，一般分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等五大類[1,5]。其中前三種類型工作溫度不大于200℃，又稱做低溫燃料電池，MCFC和SOFC的工作溫度大于650℃，叫做高溫燃料電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2燃料電池系統(tǒng)組成及特點
2.1組成
燃料電池PAFC的結(jié)構最為典型，主要由四部分組成，分別是呈多孔狀態(tài)、涂有催化劑的陽極、陰極、隔離電極的離子導電電解質(zhì)、集流體[6](圖1)。單電池產(chǎn)生的電壓很低[6～8](表1)，所以需要鈀電池串聯(lián)成電池堆來提高電壓。燃料電池整裝機組由電池組、重整器與熱交換器(廢熱回收)、直流-交流轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控器一起構成。PAFC、AFC和MCFC使用液態(tài)電解質(zhì)，兩個電極呈氣、液、固三相接觸，而SOFC和PEMFC使用固態(tài)電解質(zhì)僅呈兩相接觸，故在結(jié)構上有所不同。五種燃料電池的工作特性見表1。
2.2特點
2.2.1高能量轉(zhuǎn)換效率
燃料電池屬于一種能源轉(zhuǎn)換工具，可以將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能而不用經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)換、機械能轉(zhuǎn)換，所以不受熱機原理中卡諾循環(huán)的限制，能達到40%以上的發(fā)電效率，如PAFC的發(fā)電效率為42%，MCFC的發(fā)電效率大于60%，比傳統(tǒng)的火電廠高的多。此外，燃料電池在發(fā)電的同時還生產(chǎn)熱水和低溫蒸汽，電/熱比大于1.0，多呈汽電共生形式，其總的能量轉(zhuǎn)換效率高達90%。
2.2.2可靠性好
由于不需要經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)換，機械能轉(zhuǎn)換等復雜能量轉(zhuǎn)化，所以電池內(nèi)運動零件很少，不會出現(xiàn)內(nèi)燃機轉(zhuǎn)動零件和燃氣渦輪損壞等導致的嚴重事故。套裝機組可以在線監(jiān)控，可以自動操作。
2.2.3利于環(huán)保
燃料電池與普通電廠相比，極大的降低了CO2排放，大幅度減少粉塵、SO2和NOx的排放，改善空氣質(zhì)量，同時水的消費和廢水排放大幅度降低。此外，燃料電池轉(zhuǎn)動機件少，消除了普通電廠的噪聲源。因為不需要燃燒，所以占地面積小，安全可靠，這種發(fā)電方式適合設置在城區(qū)作電源。以汽電共生方式可同時向旅館、餐廳、辦公樓、醫(yī)院、百貨公司提供電力和熱量大約需要40～1000kW的燃料電池;3～20kW的燃料電池可供住宅使用，高溫燃料電池對熱電廠的競爭力更高?？梢栽诠铝⒌倪呥h市鎮(zhèn)、礦區(qū)及軍隊哨所建立這種潔凈的小型汽電共生系統(tǒng)來提供電力、熱水、暖氣與空調(diào)，如新疆等地的油氣田，實用價值很高。
2.2.4穩(wěn)定性高
由于受負載因素及容量變化的影響不大，所以效率穩(wěn)定，。負載追隨迅速，可提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定度。
2.2.5燃料選擇范圍大
柴油、輕油、煤氣、天然氣、液化天然氣、沼氣、含氫廢氣等皆可使用。
2.2.6建廠時間短
廠址選擇限制少、占地面積小，建廠時間不超過兩年，可靠近用戶建立現(xiàn)場發(fā)電裝置，減少了輸電系統(tǒng)的費用。
由于燃料電池存在造價偏高、冷機啟動時間長、長期使用的實驗數(shù)據(jù)缺少、電池組壽命比機組壽命短等問題，所以要想實現(xiàn)商品化氦需要進一步努力。除PAFC以外其它技術尚不夠成熟[9～13]。
3燃料電池的市場分析
燃料電池作為一種能量轉(zhuǎn)換率高，循環(huán)壽命長的清潔型新能源，在電動汽車、分散電站、備用及輔助電源、便攜式電源、可移動電源、特殊場合動力源及特種領域有著廣闊的應用前景。燃料電池應用主要歸納為三方面[14]。
3.1交通運輸
電動汽車，包括大型公共汽車、貨車、小臥車、汽車等，要求在動力系統(tǒng)中的重量、成本、壽命、一次加燃料行駛距離等方面均能優(yōu)于或等于現(xiàn)代內(nèi)燃機式汽車。同時也包括船舶，如特種、貨船等。它的特點就是用燃料電池裝備的特種沒有紅外信號排放，所以不易被對方發(fā)現(xiàn)。德國、瑞典均在發(fā)展這類特種。將來還可以發(fā)展電動火車頭，可建成完全省去架空導線的電氣化鐵路。就電動汽車而言，燃料電池汽車在乘客空間，運行里程，運行安全及造價方面都足以與傳統(tǒng)汽車競爭。此外,它還具有燃料效能高和噪音、污染小的優(yōu)點，是未來汽車發(fā)展的重要方向之一。
3.2固定式電站
目前燃料電池適合中、小型燃料電站，根據(jù)科學家的預測，未來的電網(wǎng)系統(tǒng)很可能是現(xiàn)有的大電網(wǎng)和中小燃料電站共存狀態(tài)。大電網(wǎng)系統(tǒng)有其優(yōu)越性的同時，也存在無法避免的缺陷，因為高電壓長距離輸電時有6%一8%的損失，如熱量損失等。如果利用分散的中小型燃料電站，建立在公寓、大學校園、醫(yī)院、超級市場等處，就可以減少大電網(wǎng)送電損失(輸氫損失一般僅為3%)。據(jù)資料報導，像美國這樣電力工業(yè)已很發(fā)達的情況下，對燃料電池的市場需要依然很大(約為17000MW以上)，所以說中小型分散電站，有其獨特的優(yōu)越性。作為人口大國，我國亦將是這樣?，F(xiàn)在，美國lPugoPwer公司已推出一種家用3kw-5kw級的燃料處理器(實際上就是將天然氣加工成氫的裝置)PEMFC發(fā)電裝置，估計所發(fā)電量的成本可比利用電網(wǎng)降低20%。可以想象，其優(yōu)越性是很明顯的，其市場也不可忽視。
3.3流動性電源
據(jù)墨西哥一家公司報道，他們準備用酒精溶液作燃料，經(jīng)PEMFC制成移動電源。該電源提供的電力可供移動電話使用半年，并將在一年半后正式上市。由此可見，對于信息技術高度發(fā)展的今天，其市場空間可想而知。這種移動電源在農(nóng)村，也有廣闊的空間。如果將低溫電源用在打谷場上，打谷場沒有火源就不會發(fā)生火災，因為這種燃料電池的工作溫度在100℃以下。傳統(tǒng)的熱發(fā)電主要是熱化學化和機械化的過程，即需經(jīng)熱化學燃料反應，首先得到蒸氣，經(jīng)汽輪機再經(jīng)發(fā)電機才能得到電力。而燃料電池才是真正的直接從燃料(氫)得到電力，即“電氣化”。PEMFC具有高功率密度、高效率、低成本等特點?？上攵?，今后它將具有廣闊的市場前景。
4燃料電池的特性
4.1堿性燃料電池(AFC)
AFC采用35%-45%KOH或NaOH溶液作為電解質(zhì)，工作溫度一般為23-70℃。其催化劑主要用貴金屬鉑、鈀、金、銀和過渡金屬鎳、鈷、錳等，但催化劑對反應物中含有的微量CO2很敏感。
AFC的特點：較低的價格和較高的效率(50-55%)。AFC屬于低溫燃料電池，低溫時也能保證啟動時間較短，可以用于交通工具。價格低廉、作用高效、技術成熟，在交通運輸領域，有廣闊的發(fā)展和應用前景。盡管AFC的研究已比較成熟，但AFC的電解質(zhì)采使具有腐蝕性的液體，具有一定的危險性，而且容易造成環(huán)境污染。此外，如果要解決CO2毒化問題，使用循環(huán)電解液來吸收CO2等，就增加了燃料電池系統(tǒng)的復雜性。
4.2磷酸燃料電池(PAFC)
PAFC是迄今唯一接近商品化的電池，其反應原理如圖2所示[15]。陽極反應為：H2→2H++2e-，陰極反應為：1/2O2+2H++2e-→H2O。顯然，其全反應為電解水的逆過程：H2+1/2O2→H2O。PAFC工藝的發(fā)展主要是在70年代后期開發(fā)出合適的碳黑和石墨電池零部件才取得重大突破。
與堿性氫氧化物燃料電池相比，PAFC的優(yōu)點在于貴金屬催化劑用量相對明顯減少，還原劑的純度大大降低，CO含量可允許達5%;PAFC屬于低溫燃料電池，低溫下發(fā)電，具有良好的穩(wěn)定性;人們?nèi)粘Ｉ钣盟梢灾苯永糜酂岖@得的水;與高溫燃料電池相比，啟動時間明顯較短。缺點與AFC一樣，必須用貴金屬電作催化劑;CO含量不能過高，否則電催化劑將會被毒化，失去催化活性;電解質(zhì)為高濃度磷酸，具有很強的腐蝕性，影響電池系統(tǒng)使用壽命;因僅有40-50%的發(fā)電效率(低熱值)，所以燃料需要重整改質(zhì)，增加了燃料電池系統(tǒng)的復雜性。
4.3質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)
PEMFC一般用于小型發(fā)電裝置和用作車輛等交通運輸工具的動力。結(jié)構與PAFC差不多，都是由二層作為電極的催化層，中間有一層固態(tài)電解質(zhì)(質(zhì)子交換膜)同時起隔離層作用和外側(cè)作結(jié)構支撐與氣體擴散層用的碳紙組成，PEMFC工作原理如圖3。
PEMFC采用多孔氣體擴散電極，電解質(zhì)為全氟磺酸型固體聚合物，電催化劑采用純鉑或碳載鉑，氫氣(H2)為燃料，氧氣或空氣為氧化劑。當PEMFC工作時，H2通過管道或?qū)獍宓竭_陽極，經(jīng)過陽極催化劑催化作用，將H2分解為帶正電的氫離子(H+)并釋放出帶負電的電子(e-)。H+穿過電解質(zhì)到達陰極;電子通過外電路到達陰極，在這個過程中形成電流，通過連接電路可以向負載輸出電能。在電池另一端，O2或空氣通過管道或?qū)獍宓竭_陰極，經(jīng)過陰極催化劑催化作用，氧與氫離子及電子發(fā)生反應生成水。
PEMFC的發(fā)展在AFC、MCFC、SOFC之后，但發(fā)展迅速，屬于比能最高、溫度最低、應用最廣、啟動最快、壽命最長的第五代燃料電池。它具有優(yōu)點：(1)效能高。PEMFC不存在燃燒過程，所以不受卡諾循環(huán)限制，目前該燃料電池的效率大約是內(nèi)燃機的兩倍，其理論熱效率可達85%-90%，;(2)燃料多樣性。PEMFC不但可以純氫為燃料，而且也可以用重整氣為燃料;(3)模塊化。在結(jié)構上PEMFC具有模塊化的特點，根據(jù)不同動力的需求以“搭積木”的堆積形式組合安裝;(4)可靠性高。PEMFC電堆采用模塊化的設計方法，結(jié)構簡單、便于安裝、易于維護;(5)環(huán)境友好。PEMFC用純氫作為燃料時水是唯一的產(chǎn)物，零排放，無污染。此外，PEMFC還具有噪聲低，格結(jié)構部件均可回收利用等。
4.4熔融碳酸鹽電池(MCFC)
MCFC屬高溫燃料電池，其工作溫度在600～650℃。作為第二代燃料電池在近10余年來獲得了長足進展。MCFC被美國認為是下一世紀的燃煤電廠的光明未來。美國投巨資建造了一座2MW的MCFC工廠。日本也在準備開發(fā)1MW的MCFC工廠。MCFC的電解質(zhì)采用碳酸鋰和碳酸鉀構成的共晶混合物，離子導體是碳酸根。單電池系統(tǒng)由一個陽極、一個陰極及電解質(zhì)組成。氧和CO2陰極反應形成碳酸根，碳酸根通過熔鹽電解質(zhì)擴散到陽極，與此同時碳酸根與氫反應將氫氧化，給出電子，進入外電路(圖4)。MCFC采用重整產(chǎn)物如氣態(tài)CO和H2的混合物作燃料。電極反應是：
陽極：H2+CO32-→H2O+CO2+2e-;CO+CO32-→2CO2+2e-(少量);
遷移反應：CO+H2O→H2+CO2;
陰極：1/2O2+CO2+2e-→CO32-;
總反應：H2+1/2O2→H2O。
通過該化學反應方程式可知如果要產(chǎn)生2F的電量，陰極必須消耗1molCO2，而陽極則產(chǎn)生1molCO2。因此為保持電解質(zhì)成分不變，需要使CO2實現(xiàn)循環(huán)。
MCFC的優(yōu)點：(1)較高的工作溫度。由于電極反應活化能較小，不論是氫的氧化還原，還是氧的還原，都不需要高效催化劑，不用使用貴金屬，使成本降低;(2)余熱高。電池排放的余熱溫度高達400℃，可以回收利用，總效率以可達90%以上;(3)燃料氣體對CO含量要求降低，可以直接使用如煤制氣等燃料;(4)可以不用水冷卻，尤其適用于缺水的偏遠地區(qū)。缺點：(1)將陽極產(chǎn)生的CO2重新輸送到陰極，需增加CO2循環(huán)系統(tǒng)，增加了電池系統(tǒng)結(jié)構的復雜性;(2)高溫工作環(huán)境以及強的腐蝕性電解質(zhì)對電池各種材料的耐腐蝕性要求嚴格，影響電池壽命;(3)電池邊緣的高溫濕密封技術難度大，特別是在遭受腐蝕嚴重的陽極區(qū)。
4.5固體氧化物燃料電池(SOFC)
SOFC是一種全固態(tài)發(fā)電系統(tǒng)，它是以固體氧化物為電解質(zhì)在高溫環(huán)境下(約1000℃)工作，以確保其各部分元件有適當?shù)碾x子和電子導電率。其剖面如圖5所示。氧離子(O2-)是陰極與電解質(zhì)的界面電子將電荷轉(zhuǎn)移給氧分子以所產(chǎn)生。氧離子與陽極板表面的H2和CO結(jié)合分別產(chǎn)生H2O和CO2，并釋放電子連通電路。各電極反應為：陰極：1/2O2+2e-→O2-;陽極：H2+O2-→H2O+2e-;電池總反應：H2+1/2O2→H2O(CO+1/2O2→CO2)。
持續(xù)向SOFC的陽極一側(cè)通入氣體燃料，如氫氣(H2)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)等，陽極表面呈多孔結(jié)構并且具有催化作用，利用陽極表面吸附燃料氣體，通過多孔結(jié)構擴散到陽極與電解質(zhì)的界面。向陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，陰極板結(jié)構與陽極相同，利用陰極表面的多孔結(jié)構吸附氧，并且通過催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學勢的作用下，氧離子進入電解質(zhì)，利用濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應，電子利用電壓差通過外電路回到陰極。
SOFC的優(yōu)點包括：(1)不必使用貴金屬作催化劑，可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料;(2)較高的電流密度及功率密度;(3)提供高質(zhì)余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。燃料綜合利用率高(可達90%以上)，是一種清潔高效的能源系統(tǒng);(4)沒有使用酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)，避免了中、低溫燃料電池的腐蝕及封接問題;(5)采用陶瓷材料作陰極、陽極及電解質(zhì)，具有全固態(tài)結(jié)構。缺點是對陶瓷材料的性能要求高、組裝困難、預熱和冷卻系統(tǒng)復雜、成本高、不易建立。
5我國燃料電池的發(fā)展
燃料電池是一種很有前途的清潔能源，在未來很可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源成為主要能源。所以，很多國家和跨國集團都極其重視燃料電池技術的開發(fā)和研究。美國將燃料電池技術列為國家安全技術;歐盟在2008年制定了2020年氫能與燃料電池發(fā)展計劃，投資近10億歐元用于燃料電池與氫能研究、技術開發(fā)及驗證等方面;加拿大計劃將燃料電池發(fā)展成國家的之助產(chǎn)業(yè);日本認為燃料電池技術是21世紀能源環(huán)境領域的核心;《時代》周刊將燃料電池電動汽車列為21世紀10大高技術之首;我國中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要明確提出，大力發(fā)展氫燃料的制取、存儲及專用燃料電池技術的開發(fā)與研究，提高產(chǎn)業(yè)化技術。
近20年來，我國科技人員經(jīng)過不懈努力，盡管燃料電池及材料的開發(fā)和應用得到了極大的進展，但由于研究投入和產(chǎn)業(yè)化資金數(shù)量很少，燃料技術的總體水平與發(fā)達國家相比還有較大差距，燃料電池技術的阻力主要在于基礎設施匱乏，技術人才不足，成本高、耐久性差，研究力量分散，產(chǎn)業(yè)化體系尚未形成，尤其是缺少企業(yè)的參與，很難將研究成果進行示范應用。所以，我國應尋找最佳切入點，根據(jù)當前和中長期經(jīng)濟和社會發(fā)展需要，集中研究力量，大力推動燃料電池發(fā)電技術的發(fā)展，加大研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入，為我過的國家能源安全和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展服務。
從長遠來看，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)化的推進，能源短缺的矛盾必將日益突出。與此同時，傳統(tǒng)燃料燃燒時，釋放出CO2、SO2、CO、NOx等有害物質(zhì)，使環(huán)境惡化，破壞了生態(tài)環(huán)境。因此，研制非貴金屬催化劑、提高發(fā)電效率，延長使用壽命、降低制造成本、大力研究和開發(fā)SOFC、PEMFC等發(fā)電技術，兼顧MCFC的開發(fā)與應用，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設資源節(jié)約型社會的一項重要措施。
預計在未來10-15年內(nèi)[1]，我國科技人員開發(fā)的燃料電池必將作為便攜式電源，首先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，用于各類便攜式數(shù)碼產(chǎn)品;作為驅(qū)動電源，在便攜式電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化3-5年后，用于燃料電池電動汽車;作為分散電站，與驅(qū)動電源的產(chǎn)業(yè)化同步，用于家庭、辦公大樓、醫(yī)院、商業(yè)區(qū)、社區(qū)供電;進而向燃料電池與蒸汽輪機技術集成方向發(fā)展，形成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術。由此可見，我國燃料電池的應用前景非常廣闊。
