前景广阔的新型化学电源_燃料电池
第27卷第1期1998年1月辽 宁 化 工Liaoning Chemical Industry Vol. 27,No. 1Jan. ,1998
前景广阔的新型化学电源
王艳华① 王 欧② 林 彬③
(沈阳化工学院 沈阳110021)
Ξ
摘 要 介绍了燃料电池的基本概念和工作原理, 综述了发达国家碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池和聚合物电解质型燃料电池的开发研究概况和发展趋势, 提出了发展我国燃料电池的具体建议。
关键词 燃料电池 碱性燃料电池 磷酸型燃料电池 固体氧化物燃料电池 聚合物电解质型燃料电池
1 前 言
虽然早在
W. , 但限于当时的科学技术水平以及能源、环境方面的认识, 这一原理并没有被人们所重视。直到本世纪60年代初, 由于高技术发展的迫切需要, 才开发了液氢和液氧的小型燃料电池, 应用于空间飞行器和潜水艇。自此, 燃料电池的开发研究大门在世界范围内打开, 以美国、日本为首的发达国家陆续开发了各种新型燃料电池。近二、三十年代, 作为无污染的新能源, 其研究和应用日益为世界各国所瞩目, 有关
燃料电池(简称FC ) 的各方面研究方兴未艾。
, 反应产, 燃料电池就能连续地放电。这里以氢—氧燃料电池为例来说明燃料电池的工作原理。
2 燃料电池的工作原理和种类
燃料电池是一种电化学装置, 其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极) 以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部, 因此, 限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质, 只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。
电池工作时, 燃料和氧化剂由外部供给, 进行
Ξ本项目为辽宁省自然科学基金资助项目。
①女,33岁, 讲师; ② 女,36岁, 高级工程师; ③ 男,35岁, 工程师。
图1 氢-氧燃料电池原理
这个反应是电解水的逆过程。电极反应为:
负极:H 2+2OH - 正极:
2H 2O +2e
+H 2O +2e 2OH -2 电池反应:H 2+O =H 2O (l )
22
电池结构式为:电池H 2(g ) , Pt|KOH|Pt ,O 2(g ) (+)
另外, 只有燃料电池本体还不能工作, 必须有一套相应的辅助系统, 包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
辽 宁 化 工 1998年1月10
靠这些辅助系统, 燃料电池本体才能得到所需的燃料和氧化剂, 并不断排除燃料电池反应所生成的水和热。
燃料电池的分类方法很多。可以按工作温度、电解质类型、结构特点和所用燃料的不同及应用分类。按温度可将燃料电池分为常温、中温、高温、超高温型。按燃料的来源可分为直接型、间接型和再生型; 常用的分类方法还是按电解质类型来区分各种燃料电池。到目前为止, 已开发的燃料电池按照电解质类型分为五种:即碱性燃料电池(AFC ) 、磷酸型燃料电池(PAFC ) 、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC ) 、固体氧化物型燃料电池(SOFC ) 和聚合物电解质型燃料电池(PEMFC ) 。
表1 燃料电池与火力发电的大气污染情况比较
(单位:kg・10-6(kWh )
-1
)
天然气重 油煤污染成分火力发电
火力发电火力发电
SO 2NO X
2. 5～[***********]0320020～1270135～500030～1040～9045～320365～680
燃料电池
(试验型)
0～0. 1263～10714～1020～0. 014
烃类尘末
3 燃料电池的特点和优势
短短的20多年间, 酸、阶段。然而, 况, , 而为了达到这个目标尚需付出很大的努力, 但是以美、日为首的许多国家仍然拔出巨资来发展燃料电池。它所以具有如此大的吸引力, 是因为燃料电池无论与传统的火力发电、水力发电或核能发电相比, 还是与已往的一次、二次电池等化学电源相比, 都具有不可比拟的特点和优势。
(1) 能量转换效率高(节省燃料资源) 。燃料电池能量转换效率比热机和火力发电的能量转换效率高得多。无论是热机还是它带动的发电机组, 其效率都受到卡诺热机效率的限制。目前, 汽轮机或柴油机的效率最大值仅为40%～50%, 当用热机带动发电机发电时, 其效率仅为35%～40%。而燃料电池理论上能量转换效率在90%以上, 甚至超过100%。在实际应用时, 考虑到综合利用能量时, 其总效率可望在80%以上。另外, 其它的物理电池, 象温差电池的效率为10%, 太阳电池的效率为20%, 就无法与燃料电池相比了。
(2) 污染小、噪声低、燃料电池作为大、中型
发电装置使用时, 它与火力发电相比, 突出的优点是减少大气污染(见表1) 。
此外, 燃料电池自身不需冷却水, 减少了火力发电热排水的热污染。对于氢氧燃料电池而言,
发电后产物只有水, 所以在载人宇宙飞船等航天器中兼做宇航员的饮用水。火力发电则要排放大量废渣, 并且热机活塞引擎的机械传动部分所形成的噪声污染也十分严重。比较起来, 燃料电池的操作环境要清洁、安静得多。在人类大声疾呼保持生态及大气环境的今天, 燃料电池的上) 燃料电池发电装置是由。单个电池串联的电池组并联后确定整个发电装置的规模。由于这些电池组合是模块结构, 从而维修十分方便。燃料电池的可靠性还在于, 即使处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行, 它都能承受而效率变化不大。当负载有变动时, 它的响应速度也快。这种优良的性能使燃料电池在电高峰期可作为储能电池使用, 保证火力发电站或核电站在额定功率下稳定运转, 电力系统的总效率得以提高。
(4) 比能量或比功率高。即同样重量的各种发电装置, 燃料电池的发电功率大。这是因为, 对
于封闭体系的铅酸蓄电池或锌银电池与外界没有物质的交换, 比能量不会随时间变化, 但是燃料电池由于不断补充燃料, 随着时间延长, 其输出能量也愈多。这样就可以节省材料, 使装置重量轻, 结构紧凑, 占用空间小。
(5) 适用能力强。燃料电池可以使用多种多样的初级燃料, 包括火力发电厂不宜使用的低质燃料。既可用于固定地点的发电站, 亦可用作汽车、潜艇等交通工具的动力源。启动或关闭时间短暂, 对负载的响应速度快。燃料电池可以做或具有一定发电性能的模块式标准组件, 供应时, 可按用户要求, 组装成不同形式、不同功率输出的发电装置, 小到一家一户的供电取暖, 大到分布式电站, 与外电网并网发电。
正是由于燃料电池具有上述优点, 故被公认为继火力发电、水力发电和核能发电技术之后的
第27卷第1期 王艳华等:前景广阔的新型化学电源燃料电池 11
第四代化学能发电技术, 将会有广阔的发展和应用前景。
4 燃料电池的开发状况和发展趋势
在燃料电池的研究开发方面, 美国和日本处于世界领先地位。欧洲各国也在积极从事这方面的研究和开发工作, 虽然不同国家各有特色, 但总的水平与美日差距较大。个别发展中国家的燃料电池也已经起步, 并有其独到之处。
碱性燃料电池(AFC ) 虽为最早开发研制的燃料电池, 但因其需价格昂贵的纯氢和铂催化剂, 故在将它成功地应用于航空、航海后, 没能在地面上应用, 它的研究也时断时续。随着材料科学的进步, 现在可用涂以少量贵金属的碳电极代替早期的铂电极, 大大降低了材料费用。而不久前瑞典皇家理工学院(KTH ) 所提出的将些化工厂(如氨厂) 为了光明的前景, 则不但可以解决AFC 大型电站问题, 还为传统氨厂的改造开拓出一条新路。
磷酸燃料电池(PAFC ) 由于磷酸易得, 反应温和, 成为发展最快、研究最为成熟的一种燃料电池。在国外, 其被称为第一代FC 。PAFC 自开发以来, 经过一系列电站应用性试验, 现在已发展到功率从12. 5kW 到11MW 的电站, 既有环境压力系统, 也有加压系统, 品种较为齐全, 可以满足实际要求。美、日两国的公司已经销售了数以百计的磷酸型燃料电池, 正在试验的则为数更多。可以说,PAFC 的基础研究阶段已经结束, 商品化阶段已经开始, 正在向工业化迈进。
目前, 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC ) 的开发技术虽没有PCFC 那样成熟, 但由于它在建设大型电站中比PCFC 具有显著的经济优势, 成为美、日近几年开发研究燃料电池的重点。若开发成功, 其有可能取代火力发电或与之并行。迄今最大的功率为250kW 的MCFC 电站, 已于1994年12月在美国建成。正在进行的将耗资4700万美元的一个MCFC 实验方案, 被认为是将MCFC 技术用于建造中心电站的关键步骤, 已于1994年4月破土动工, 建成后, 将进行为期两年的实验。按照日本新阳光计划, 一项1MW 级的MCFC 中间
试验电厂计划正在实施中。另外, 美、日还将有更大功率的MCFC 开发计划。
人们普遍认为聚合物电解质燃料电池(PEMFC ) 的性能优于PEFC , 它不仅是人造卫星上的可靠、高效、低成本的动力源, 还可以作为陆地上市区交通车辆和水下潜艇等的动力源。虽然,PEMFC 最早是由美国开发研制的, 但现在它的技术优势在加拿大。加拿大Ballard Power Sys 2tem 公司已制造出数百个PEMFC 燃料电池堆, 分布在世界各地的若干部门, 进行了大量实验, 这其中包括35kW 电站的演示装置和燃料电池公共
汽车。
固态氧化物() , 它。但美国、西, 所制造的3kW 发电设备已运
行5300小时, 并计划制造及试验20kW 电池组。有人预见, 若以一定联合方式运行,SOFC 的发电效率有可能比MCFC 更高。
总之, 不同类型FC 的开发水平差距很大。磷酸燃料电池(PAFC ) 技术已基本成熟, 目前正处于工业化生产的前期阶段。MCFC 具有显著的经济优势, 可望用于主力发电, 虽然目前处于实验室发展阶段, 但国外发展迅速。碱性燃料电池已成功地应用于航空、航天飞行器中。PEMFC 作为交通器的动力源, 不久将会实用化。起步较晚的SOFC 的潜在优势有可能使其成为最有前途的燃料电池技术。随着研究和开发的不断深入, 也许还会有更多更好的燃料电池问世。
5 几点建议
综上所述, 燃料电池是具有广阔应用前景的未来动力, 它必将成为支撑全球经济的重要技术。基于我国燃料电池的开发研究现状, 特提出如下几点建议:
(1) 有关部门应重视并积极组织人力、物力进行适合我国国情的燃料电池开发研究工作, 在尽可能短的时间里赶上美、日等发达国家。
(2) 鉴于我国是贮煤和产煤大国, 我们应重点开发MCFC 和SOFC 技术, 改变我国电力事业的落后状况。
(3) 汽车工业被确定为我国的支柱产业之
辽 宁 化 工 1998年1
月12
一。随着我国经济的不断发展, 我国汽车的拥有量, 特别是私人小汽车, 将迅猛增加, 而汽车排放物是城市的重要污染源。消除汽车环境污染的根本途径就是开发燃料电池动力车。为此, 我们应优先开发PEMFC 技术。
(4) 瑞典皇家理工学院所提出的新思路为传统氨厂的改造提出了新的有效途径, 故应着重开发AFC 和氨厂的联合运行过程。
(5) 暂不开发PEFC 电池技术。鉴于我国PEFC 技术尚属空白, 而国外已到了即将工业化
和开发。这样不仅可以节约大量的人力、物力, 还会大大加快开发进程。
参考文献
1C &EN ,1995,73(32) :282J Power Sources ,1993, (37) :1813应用化学,1993,10(5) :38
4Denki K agaku oyobi kogyo Butsuri K agaku ,1996,54(8) :652-7
5K inzoku ,1991,61(3) :53-9(Japan )
6化工百科全书(3) , 化学工业出版社:227-2337Rev. G en. Therm. ,1990,29(344-345) :387-91(Eng )
的程度, 我们建议我国暂不开发PEFC 技术。我们应学习日本的经验, 在适当的时候从国外购进PEMC 装置, 先引进、消化吸收, 后自行研制设计
(编辑:张连伟)
B rillant Futune of N e w er W Yanhua in Bin
Cell
Abstract :S ome basic of cell are introduced , the research survey and developing trend of various major reviewed. Based on those , S ome suggestions are made concerning developing fuel cells in China.
K eyw ords :Fuel cells , Alkaline fuel cell , Phosphorus acid fuel cell , Molten carbonate fuel cell , S olid oxide fucl cell ,
Polymer electrolyte membrane fuel cell
(Received October 16, 1997)
(上接第36页)
7 结 论
(1) 利用阳离子交换树脂, 以工业KCl 和N H 4O H 为原料, 经循环交换, 在最适宜工作流速
失, 又确保无废液排放。
(4) 由于离子交换所得的溶液浓度低, 蒸发浓缩能耗较大, 故工程实施要特别考虑。
参考文献
1吴兴科. 国内外氢氧化钾生产概况及展望. 氯碱工业, 1984(5) :14～15
2钱庭室编著. 离子交换应用技术. 天津:天津科学技术出
下, 每周期可以得到接近树脂工作交换容量的高纯KO H 和N H 4Cl , 且不产出KO H 和N H 4O H 、KCl 和N H 4Cl 混合溶液, 使原料得到充分利用。
(2) 严格控制原料和蒸发浓缩中杂质[4], 得
版社, 1984. 12～14
3李藻初. 高纯硝酸钾制备. 无机盐工业, 1993(4) :14～194陈伍平主编. 无机化工工艺学(四) , 北京:化学工业出版
到的主副产品可达到试剂级。
(3) 整个过程充分利用洗水, 不仅防止物料损
社, 1980. 18～19
Study on Production of High Purity K OH by Ionic Exchanging
Zhou S hixian S ui S heng W ang Yanling
Abstract :High purity KOH was prepared by an ionic exchange recycle method. This process achieved a high exchanging capacity of resin and a better conversion rate. High purity NH 4Cl was its byproduct.
K eyw ords :Potassium hydroxide , Ionic exchange
(Received December 04, 1997)