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新能源汽车行业信息服务商城 燃料电池技术发展
发布时间:2018-12-06 06:46

  1838年,燃料电池的原理由德国化学家尚班提出,并刊登在当时著名的科学杂志。

  1839年,英国物理学家威廉‧葛洛夫把燃料电池理论刊登,其后又把燃料电池设计草图于。

  从下图来看,世界上*个“气体电极电池”装置采用硫酸为电解质,Pt为阳极和阴极的催化剂,从而实现持续的电子的传递,产生持续的电流。

  碱性燃料电池(AFC)是*早开发的燃料电池技术,在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。碱性燃料电池以强碱作为电解质,传递氢氧根离子;以镍作为阳极催化剂,以银作为阴极催化剂。在阳极与氢气生成水;在阴极氧气与水生成氢氧根离。工作环境:90 - 100℃,碱性,对催化剂的要求不高。

  改善方案:电解质由酸性改为碱性,弱腐蚀性也确保了 AFC 能够长期工作;催化剂由Pt改为低价金属,例如N i和 Ag,生产成本降低,催化活性提高(达到60%);碱性体系中的氧还原反应(ORR)速率要比酸性体系中更快一些,即效率更高。

  缺点:如同质子交换膜燃料电池一样,碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外,其原料不能含有二氧化碳,因为二氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾,降低电池的性能。因此需要纯氢和纯氧。

  商业化趋势:受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响,日本决定开发各种类型的燃料电池,PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构(NEDO)进行开发

  AFC商业化问题:1、燃料电池携带纯氢成本高、安全性差、汽车一次补充燃料行车里程短,且纯氢贮存、运输比较困难。2、制氢技术:重油部分氧化和煤气化曾经是制氢的重要方法,由于生产成本较高其发展有所减缓。

  改善方案:电解质强碱由改为磷酸(克服CO2和CO的影响);燃料由纯氢改为氢气、甲醇、天然气、城市煤气等;氧化剂由纯氧改为空气。因此,不需要CO2处理设备,大幅降低了燃料和氧化剂的成本。

  缺点:催化剂用Pt/C,成本增加,同时降低了效率,由60%降低为40%;为了提高催化活性、电池放电性能需要进行研发投入的成本高。因此,目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。

  改善方案:1、电解质由磷酸改为熔融态碳酸盐,可以容忍CO2;同时偏碱性,可以降低催化剂要求,提高效率;2、温度由190 - 200℃升高为600 - 700℃,在高温、高压下CO具有极高的化学活性,能与多种单质或化合物反应,从而减少CO对催化剂的影响,电极是CO氧化的场所。3、催化剂由Pt/C变为多孔镍和氧化镍,生产成本降低,同时增加了效率,由40%提高为45% - 50%。

  缺点:1、寿命较短:以Li2CO3及k2CO3混合物做成电解质,在使用过程中会烧损和脆裂,降低了熔融碳酸盐燃料电池的使用寿命。2、在整个化学反应过程中,CO2要循环使用,增加了熔融碳酸盐燃料电池的结构和控制的复杂性。

  改善方案:1、电解质由液态改为固态(钇稳定氧化锆),不存在使用液体电解质带来的腐蚀问题和电解质流失问题,提高了电池寿命。2、温度进一步提高,由600 - 700℃提高到700 - 1000℃,进一步降低CO的影响。3、排出高温余热可以与燃气轮机或蒸汽轮机组成联合循环,大幅度提高总发电效率,以美国Westinghouse电气公司为例,设计的电池效率为50%,热利用率为25%,能量总利用率为75%。

  技术的难点:1、它是在高温下连续工作;2、在电池的工作条件下,电池的关键部件(阳极、隔膜、阴极和联机材料等)必须具备化学与热的相容性,即在电池工作的条件下,电池构成材料问不但不发生化学反应;3、而且热膨胀系数也应相互匹配。

  SOFC的应用范围相当广泛,几乎涵盖了所有的传统的电力市场,包括宅用、商业用、工业用以及公共事业用发电厂等,甚至便携式电源、移动电源、偏远地区用电及高品质电源等,还可作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源。

  新能源汽车发展需求:燃料电池汽车(FCV)因其高燃料效率和无污染, 正成为未来汽车的发展方向。为了适应快速启动、低温运行的要求, FCV多采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)和碱性燃料电池(AFC)等低温燃料电池。

  改善方案:1、电解质由钇稳定氧化锆改为全氟磺酸膜(强酸型,氟原子电负性大,即子核对负电荷的束缚力加大,使这些负电荷的稳定性增大,酸性增强,与硫酸相当),从物理、化学、电化学性能方面进一步提升性能,比如功率密度由24 - 30MW/cm2提高到35 - 60 W/cm2,而且保持固态形式。2、工作温度由700 - 1000℃将为80 - 100℃,降低了高温带来的技术难度。

  缺点:1、使用贵金属铂作为催化剂。2、昂贵的质子交换膜及石墨双极板加工成本等,导致PEMFC成本大大高于汽油、柴油发动机成本。PEMFC要作为商品进入市场,必须大幅度降低成本,这有赖于燃料电池关键材料价格的降低和性能的进一步提高。

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