燃料電池行業(yè)技術環(huán)境分析

1、燃料電池行業(yè)技術環(huán)境分析一、各種燃料電池的主要原理和特點(一) 堿性燃料電池( AlkalineFuelCell ，AFC ) 堿性燃料電池是以堿性溶液為電解質，將存在于燃料與氧化 劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置，是最早獲得應用 的燃料電池，由于其電解質必須是堿性溶液，一般采用 35%-45% 的 KOH 或 NaOH 溶液作為電解質，因此而得名堿 性燃料電池。該技術也是發(fā)展最快的一種燃料電池，主要為 空間任務，包括航天飛機提供動力和飲用水。在 1973 年的 阿波羅登月飛船上成為其主電源。在 AFC 中，濃 KOH 溶液既當作電解液，又作為冷卻劑。它 起到從陰極到陽極傳遞 OH -的作

2、用，氫氧化鈉和氫氧化鉀溶 液，以其成本低，易溶解，腐蝕性低，而成為首選電解質。圖 1 AFC 的組成和反應循環(huán)圖AFC 的催化劑主要用貴金屬鉑、鈀、金、銀和過渡金屬鎳、 鈷、錳等。電池的工作溫度一般為 80 攝氏度，一些新型設 計可以將其工作溫度降低到 23-70 度，因此，它們的啟動也 很快，但其電力密度卻比質子交換膜燃料電池的密度低十來 倍，在汽車中使用顯得相當笨拙。不過，它們是燃料電池中 生產(chǎn)成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝 置。堿性燃料電池對能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因為一氧化碳 能與氫氧化鉀電解質反應生成碳酸鉀，降低電池的

3、性能。 AFC 的優(yōu)點是： （1）效率高，因為氧在堿性介質中的還原反應比其他酸性 介質高；（ 2）因為是堿性介質，可以用非鉑催化劑；（3）因工作溫度低，堿性介質，所以可以采用鎳板做雙極板。AFC 的缺點是： （1）因為電解質為堿性，易與 CO2 生成 K 2CO3、 Na2CO3 沉 淀，嚴重影響電池性能，所以必須除去CO2,這給其在常規(guī)環(huán)境中應用帶來很大的困難。（2）電池的水平衡問題很復雜，影響電池的穩(wěn)定性。（二）磷酸燃料電池（ PhosphoricAcidFuelCell ， PAFC ） 磷酸燃料電池是以濃磷酸為電解質，以貴金屬催化的氣體擴 散電極為正、負電極的中溫型燃料電池。 可以在1

4、50220C 工作。具有電解質穩(wěn)定、磷酸可濃縮、水蒸氣壓低和陽極催 化劑不易被 CO 毒化等優(yōu)點，是一種接近商品化的民用燃料 電池。磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是：燃料氣體或城市煤 氣添加水蒸氣后送到改質器，把燃料轉化成H2、 CO 和水蒸氣的混合物， CO 和水進一步在移位反應器中經(jīng)觸媒劑轉化 成H2和CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負 極（燃料極 ），同時將氧輸送到燃料堆的正極 （空氣極 ）進行化學 反應，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能圖 2 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理PAFC 的優(yōu)點： 作為一種中低溫型燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、 適應多樣燃料、無噪音、

5、運轉費低、設置場所限制少、大氣 壓運轉容易操作、安全性優(yōu)良、部分負荷特性好等特點，而 且還可以熱水形式回收大部分熱量。PAFC 用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在 10-20MW 之間， 安裝在配電站； 中心電站型發(fā)電廠， 容量在 100MW 以上， 可以作為中等規(guī)模熱電廠。 PAFC 電廠比起一 般電廠具有如下優(yōu)點：即使在發(fā)電負荷比較低時，依然保持 高的發(fā)電效率；由于采用模塊結構，現(xiàn)場安裝簡單，省時， 并且電廠擴容容易。PAFC 的缺點：電催化劑必須用貴金屬；磷酸燃料電池的效 率比其它燃料電池低， 約為 40%-45% ，其加熱的時間也比質 子交換膜燃料電池長。（三）熔融碳酸鹽型燃

6、料電池（ MoltenCarbonateFuelCell ， MCFC ）熔融碳酸鹽型燃料電池是第二代燃料電池，由于其電解質是 一種存在于偏鋁酸鋰（ LiAlO 2）陶瓷基膜里的熔融堿金屬碳 酸鹽混合物而得其名。熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰 極、多孔陶瓷電解質隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構成的 燃料電池。其電解質是熔融態(tài)碳酸鹽，通常是鋰和鉀，或鋰 和鈉金屬碳酸鹽的二元混合物。MCFC 的優(yōu)點：它是一種高溫電池（600700 C）,電極反應活化能小，不 論是氫的氧化還是氧的還原，都不需要高效催化劑，節(jié)省了 貴金屬的使用， 降低了成本； 可使用 CO 含量高的燃料氣體， 如煤氣、天然氣；電池排

7、放的余熱溫度高達400 C,可以回收利用， 總效率已可達 90%以上； 具有效率高 （高于 40%）、 噪音低、無污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物 燃料等） 、余熱利用價值高和電池構造材料價廉等諸多優(yōu)點， 是未來的綠色電站。50 年代初，熔融碳酸鹽燃料電池（ MCFC ）由于其可以作為 大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這 之后， MCFC 發(fā)展的非?？?，它在電池材料、工藝、結構等 方面都得到了很大的改進，但電池的工作壽命并不理想。到 了 80 年代，它已被作為第二代燃料電池，而成為實現(xiàn)兆瓦 級商品化燃料電池電站的主要研究目標，研制速度日益加 快?，F(xiàn)在 MCFC 的主

8、要研制者集中在美國、 日本和西歐等國 家?，F(xiàn)已基本接近商品化生產(chǎn)，但由于其制備成本高而未能 廣泛應用。MCFC 的缺點： 高溫以及電解質強的腐蝕性對電池各種材料的長期耐腐蝕 性具有非常嚴格的要求，電池壽命受到一定限制；單體電池 邊緣的高溫濕密封技術難度大，尤其是遭受腐蝕嚴重的陽極 區(qū)；電池系統(tǒng)需要CO2循環(huán)，將陽極產(chǎn)生的C02重新輸送到 陰極，增加了系統(tǒng)結構的復雜性。（四）固體氧化物燃料電池 （SolidOxideFuelCell ， SOFC） 固體氧化物燃料電池屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫 下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化成電能 的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。固體氧化物燃料電池單體主要組成 部分由電解質、陽極或燃料極、陰極或空氣極組成。 固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同。在固 體氧化物燃料電池的陽極一側持續(xù)通入燃料氣， 例如：氫氣、 甲烷、城市煤氣等， 具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體， 并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極 一側持續(xù)通人氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面吸附 氧，由于陰極本身的催化作用，使得 O2 得到電子變?yōu)?O2-， 在