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解析:燃料动力电池的优点及关键技术

时间:2023-01-06 15:11:19来源:钜大LARGE

导语:?燃料动力电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式,被称为21世纪的分布式电源。

  燃料动力电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式,被称为21世纪的分布式电源。燃料动力电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料动力电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子,空气中的氧气送入燃料动力电池的阴极(电源的正极),负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极和氢离子结合成水,外电路则形成电流。

  通常,完整的燃料动力电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护和控制及仪表系统组成。其中,电池堆是核心。低温燃料动力电池还应配备燃料改质器(又称为燃料重整器)。高温燃料动力电池具有内重整功能,无须配备重整器。

  磷酸型燃料动力电池(PAFC)是目前技术成熟、已商业化的燃料动力电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备及便携式250kW等各种设备。第2代燃料动力电池的熔融碳酸盐电池(MCFC),工作在高温(600~700℃)下,重整反应可以在内部进行,可用于规模发电,现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料动力电池(SOFC)被称为第3代燃料动力电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质,未来可用于煤基燃料发电,质子交换膜燃料动力电池是最有希望的电动汽车电源。燃料动力电池有以下优点:

  1)有很高的效率,以氢为燃料的燃料动力电池,理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料动力电池,实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能,燃料动力电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料动力电池发电效率和规模基本无关,小型设备也能得到高效率。

  2)处于热备用状态,燃料动力电池跟随负荷变化的能力非常强,可以在1s内跟随50%的负荷变化。

  3)噪音低;可以实现实际上的零排放;省水。

  4)安装周期短,安装位置灵活,可省去新建输配电系统。

  目前燃料动力电池大规模应用的障碍是造价高,在经济性上要和常规发电方式竞争尚需时日。燃料动力电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等和商业化有关的项目,重要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池(MCFC)在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命,使MCFC的大型化及实用化受到限制。要解决电池构成材料的腐蚀;电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。

  固体氧化物燃料动力电池(SOFC)使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性(不通过气体)的电解质,在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度,应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。

  实用的电解质膜的厚度为0.03~0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外,必须具有高度的气体致密性,否则将丧失燃料动力电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷,镍还用作燃料重整的催化剂,空气极在运行中处在高温氧化中,难以使用一般金属。铂的稳定性好,但费用昂贵,要寻找替代材料,可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度,另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700℃以下,SOFC的造价就可以大幅度降低。


标签: 锂电池

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