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燃料电池——环保新能源

2020-04-10 13:51油气能源 人已围观

简介刘銮鸿人类正面临有史以来最严重的环境危机,由于人口急剧增加,资源消耗日益扩大,人口与资源的矛盾越来越尖锐;此外,人类的物质生活随着工业化而不断改善的同时,大量排放的工业...

  人类正面临有史以来最严重的环境危机,由于人口急剧增加,资源消耗日益扩大,人口与资源的矛盾越来越尖锐;此外,人类的物质生活随着工业化而不断改善的同时,大量排放的工业污染物及生活污染物使人类的生存环境更迅速恶化。因此,有必要引入一个概念,环境友好催化技术。而且这一概念的重要性日益突出,燃料电池是环境友好催化技术的重要应用之一。目前,对环境催化作用的研究正在实现从降低污染向阻止污染的方向转变。对燃料电池及催化燃烧正在进行的深入广泛的研究也是如此。

  FC以氢气为燃料、空气中的氧气作为氧化剂,通过电化学反应得到电能并生成纯净水。从长远来看,FC将是氢无污染地转化成电能的最佳方案,可以真正做到零排放。

  我国FC的研究始于1958年,当时人们凭着一股热情推动燃料电池上马,刘銮鸿不过很快就堰旗息鼓了。70年代初,在航天计划的带动下,我国FC的研究掀起高潮,武汉大学、中科院大化所,原电子部天津电源研究所等单位研制AFC并取得一定的成果,后因航天计划改变,FC研究也就基本中止。90年代,环境保护、能源短缺的双重压力,以及国际上FC的突破性进展的带动,我国第二次FC研制高潮逐渐形成。

  通常,按FC的电解质将其分为:碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。AFC的工作温度一般为80℃,KOH为电解质)因对CO2很敏感,有被PEMFC取代的趋势。PEMFC又称为固体聚合物燃料电池(SPFC),在50-100℃下工作,其电解质是一种固体有机膜,用铂做催化剂,但在该温度下铂对CO极其敏感。PEMFC是最有前途的交通工具的动力,目前全世界已有PEMFC大公共汽车在示范运行。1998年,德国奔驰、美国福特和加拿大巴拉德(BALLARD)合资组成DBB公司,计划到2005年年产10万台汽车用PEMFC发动机。PAFC工作在200℃左右,磷酸为电解质,PAFC常用铂作催化剂,也有CO中毒问题,己建成的11MWPAFC电站表明,因排放热的温度低,而使其经济性不佳。从目前技术水平看,PAFC适合作小住宅区的现场电站。MCFC使用熔融的碱性碳酸盐作为电解质,镍做催化剂,工作温度在650℃左右,材料腐蚀是MCFC的难点。SOFC电解质和电极都是陶瓷材料,工作温度在1000℃左右。目前己制成100k电堆,SOFC的优点是不用催化剂而直接使用天然气为原料,电池效率较高。因此,它是未来大规模清洁发电站的优选对象,缺点是1000℃高温下材料较难解决,目前人们也在研究800℃左右的中温SOFC。

  2.气泵:用来输送氧气参加反应。和一般的气泵一样,噪声及价格是两大难点。

  3.PEM薄膜:目前反应温度为80℃~85℃,应向90℃~95℃方向发展,材料的耐高温性及寿命,以及成本降低是其难点。

  4.热交换器:对燃料电池反应时所产生的低等级废热,如何加以收集并利用,需要新型的设计。

  虽然燃料电池电级表面积总和很大,但是并不见得全部要用贵金属,某些金属氧化物可作为候选方案以降低成本。我国丰富的稀土金属资源可能一显身手。

  假如以甲醇为原料,那么为防止燃料电池不被硫及一氧化碳所玷污,需要加装过滤装置或分离装置,而且要易于更换。

  7.燃油箱:在能直接加氢的加气站普遍建成以前,大部分车辆仍将用石油类燃油或燃气来制氢,因此,油箱的结构、材料、成本及安全性均需研究。液态氢由于超低温贮存,其使用看来并不现实。

  8.加氢装置:专家预计将来加氢过程将由机器人自动完成,因此需要开发接合装置及输气系统。

  10.驱动电机:虽然电机技术己是成熟技术,但要求进一步降低重量、成本以及提高紧凑性以利于在车轮上的布置。

  11.车载制氢装置(燃油转换器)用来将油、气等燃料转换成氢。目前最迫切的问题是重量及体积都太大。

  13.冷却剂:需要在零下40℃不结冻,同时不能损害反应堆。某种乙二醇混合物可能被找到。

  14.电控装置:与内燃烧机电控装置要求一样,但处理的功率要足够,响应要快,以保证司机对动力的随时需要。

  要结实牢固,以容纳和固定燃料电池,特别是要求它轻,能方便地从车上整体拆下,用来维护保养燃料电池。

  17.密封件:主要是防止氧气在氢进入的主应堆以前与之接触,需要更为先进的元件。

  燃料电池的应用不仅限于汽车电池,普通电池能干的它几乎都能干,而普通电池不行的它也行。譬如它既能够为宇宙飞船提供高效的能量,又能为机组人员的饮用、洗涤、湿润干燥食品提供足够的水。预计燃料电池汽车到2020年会来到大家的身边,或许燃料电池能够作为一种高效环保的新能源方式比太阳能更早地走进我们的生活。

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