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燃料電池具有哪些優(yōu)點(diǎn)?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:2213次  |  2019年12月05日  

近幾十年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),隨之引起的資源消耗和環(huán)境問(wèn)題日益凸顯,尋求和發(fā)展高效、清潔的新能源技術(shù)是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。燃料電池是一種通過(guò)電極反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置,燃料電池技術(shù)是繼水力、火力和核能之后的新一代發(fā)電技術(shù)。根據(jù)電解質(zhì)的不同,燃料電池可分為多種類型,其中,固體氧化物燃料電池因具有能量轉(zhuǎn)化效率高(熱電聯(lián)供的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%以上)、對(duì)環(huán)境友好、良好的安全性與適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。


在國(guó)際上,美國(guó)、德國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家都投入了大量的人力和財(cái)力對(duì)固體氧化物燃料電池技術(shù)進(jìn)行研發(fā),已經(jīng)取得了令人矚目的成績(jī)。日本三菱重工開(kāi)發(fā)的200kW固體氧化物燃料電池-MGT復(fù)合發(fā)電系統(tǒng),已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行超過(guò)4000h,日本分布式家用燃料電池系統(tǒng)ENE-FARM快速普及,終端用戶已達(dá)幾十萬(wàn)套。雖然我國(guó)在固體氧化物燃料電池研發(fā)中處于追趕狀態(tài),但已經(jīng)有越來(lái)越多的高校和科研院所投入到固體氧化物燃料電池的研究工作中,國(guó)家也將發(fā)展百千萬(wàn)級(jí)至兆瓦級(jí)固體氧化物燃料電池發(fā)電分布式能源系統(tǒng)列入技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。


本書(shū)作者孫克寧及其團(tuán)隊(duì)十幾年來(lái)一直致力于固體氧化物燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā),經(jīng)過(guò)多年不懈努力和集體攻關(guān),團(tuán)隊(duì)在單體電池研發(fā)和電池堆的構(gòu)建上開(kāi)展了一系列創(chuàng)新性的工作,取得了較為突出的成績(jī),積累了相當(dāng)豐富的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本書(shū)的撰寫(xiě)立足于上述研究工作,同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外知名研究團(tuán)隊(duì)的最新研究成果進(jìn)行了梳理和總結(jié)。筆者希望,這本書(shū)能為從事固體氧化物燃料電池領(lǐng)域研發(fā)工作的科研人員提供指導(dǎo)和幫助。


按所用電解質(zhì)的不同,燃料電池可分為堿性燃料電池(alkalinefuelcell,AFC)、磷酸型燃料電池(phosphoricacidfuelcell,PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell,MCFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell,PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)等。目前,燃料電池的研究重點(diǎn)為SOFC和PEMFC,并向商業(yè)化發(fā)展。表1是目前各種燃料電池技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。


SOFC原理


SOFC結(jié)構(gòu)類型


為了實(shí)際應(yīng)用,SOFC單體電池需要做成電池堆以增加電壓和輸出功率。合理的SOFC結(jié)構(gòu)應(yīng)具有四個(gè)基本特征,即性能可靠、便于放大、方便維修和價(jià)格低廉。SOFC的構(gòu)型不同,電池的制作方法也不同。SOFC電池堆可以做成不同結(jié)構(gòu),如平板式、管式、套管式和瓦楞式等。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展和優(yōu)化,目前采用的SOFC結(jié)構(gòu)類型主要有平板式、圓管式和扁管式三種。


SOFC特點(diǎn)及應(yīng)用


SOFC的優(yōu)勢(shì)符合能源市場(chǎng)的自由化、環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)和分布式發(fā)電的趨勢(shì)。SOFC系統(tǒng)最誘人的特性是效率高、燃料的適應(yīng)性強(qiáng)及幾乎沒(méi)有顆粒物、NOx、SOx的排放。以燃?xì)鈾C(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)和組合循環(huán)裝置等有競(jìng)爭(zhēng)力的系統(tǒng)設(shè)定的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的規(guī)格為基準(zhǔn),SOFC組合系統(tǒng)在電效率、部分負(fù)荷效率和排放方面都比現(xiàn)有的技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。SOFC的具體特點(diǎn)如下。


01


高的工作溫度(一般在600°C以上)有效地提升了電極的反應(yīng)活性,使其不必像其他低溫燃料電池那樣使用貴金屬催化劑,而代之以廉價(jià)的氧化物電極材料。


02


高溫工作拓寬了燃料的選擇范圍,價(jià)格相對(duì)低廉的烷烴類燃料可以在電池內(nèi)部重整和氧化產(chǎn)生電能。這樣就避免了使用價(jià)格相對(duì)昂貴的氫氣作為燃料。同時(shí),高溫工作大大提高了電池對(duì)硫化物的耐受能力,其耐受能力比其他燃料電池至少高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。


03


SOFC工作時(shí)產(chǎn)生大量的余熱,可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)用,提高發(fā)電系統(tǒng)的效率,理論上電池的總效率可以達(dá)到80%左右。


04


SOFC是全固態(tài)結(jié)構(gòu),可以避免使用液態(tài)電解質(zhì)所帶來(lái)的腐蝕和電解液流失等問(wèn)題,全固態(tài)結(jié)構(gòu)還有利于電池的模塊化設(shè)計(jì),提高電池體積比容量,降低設(shè)計(jì)和制作成本。


SOFC發(fā)電系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用,目前已確定能使用SOFC的市場(chǎng)包括家居、商業(yè)和工業(yè)熱電聯(lián)供、分布式發(fā)電、運(yùn)輸領(lǐng)域的輔助電源裝置及輕便電源。SOFC作為移動(dòng)式電源,可以為大型車(chē)輛提供輔助動(dòng)力源。第一輛以SOFC作為輔助電源系統(tǒng)(auxiliarpowerunit,APU)的汽車(chē),由BMW與Delphi合作推出,于2001年2月16日在德國(guó)慕尼黑問(wèn)世。作為美國(guó)能源部固體能源轉(zhuǎn)換協(xié)會(huì)的示范項(xiàng)目,美國(guó)汽車(chē)配件廠商戴姆勒公司在華盛頓由美國(guó)能源部主辦的展會(huì)上展出使用SOFC的第二代輔助電源裝置,用煤氣作燃料。SOFC輔助電源裝置質(zhì)量為70kg,體積為44L,與第一代裝置相比,質(zhì)量和體積均縮小了75%,SOFC輔助電源裝置是針對(duì)轎車(chē)、商用車(chē)、特種車(chē)及固定電源等用途設(shè)計(jì)的,輸出功率為5kW。


SOFC應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)如下。


(1)可以使用與內(nèi)燃機(jī)相同的烴燃料(如汽油、柴油)。


(2)可以提供有用的熱能。


(3)比現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)的效率高。


(4)排放低。


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