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燃料电池的分类及其优缺点分析

时间:2023-07-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:到目前为止,该燃料电池大都使用在大型发电机组上,而且已商业化生产,但是,成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。一般而言,此种燃料电池操作温度约为1000℃,废热可回收再利用。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。缺点是构建该种燃料电池的耐高温材料价格昂贵。这种电池的工作温度为120℃,比标准的质子交换膜燃料电池略高,其效率大约为40%。锌—空燃料电池的最大好处是能量高。

燃料电池的分类及其优缺点分析

燃料电池主要分为以下几种:

1.质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)

该电池的电解质为离子交换膜,薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂(如白金),其两侧分别供应氢气及氧气。由于PEM燃料电池的唯一液体是水,因此腐蚀性很小,且操作温度为80℃~100℃,安全上的顾虑较低。其缺点是,作为催化剂的白金价格昂贵。PEMFC是轻型汽车和家庭应用的理想电力能源,它可以替代充电电池

2.碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,AFC)

碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似,但其电解质为稳定的氢氧化钾基质。操作时所需温度并不高,转换效率好,可使用的催化剂种类多且价格便宜,例如银、镍等。但是,在最近各国燃料电池开发中,碱性燃料电池却无法成为主要开发对象,其原因在于电解质必须是液态,燃料也必须是高纯度的氢才可以。目前,这种电池对于商业化应用来说过于昂贵,其主要为空间研究服务,包括为航天飞机提供动力和饮用水。

3.磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)

因其使用电解质为100%浓度的磷酸而得名。操作温度为150℃~220℃,因温度高所以废热可回收再利用。其催化剂为白金,因此,同样面临白金价格昂贵的问题。到目前为止,该燃料电池大都使用在大型发电机组上,而且已商业化生产,但是,成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。

4.熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)

其电解质为碳酸锂或碳酸钾等碱性碳酸盐。在电极方面,无论是燃料电极还是空气电极,都使用具有透气性的多孔质镍。该燃料电池操作温度为600℃~700℃,因温度相当高,致使在常温下呈现白色固体状的碳酸盐熔解为透明液体,废热可回收再利用,其发电效率高达75%~80%。此种燃料电池不需要贵金属当催化剂,适用于中央集中型发电厂,目前在日本和意大利已有应用。

5.固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)(www.xing528.com)

其电解质为氧化锆,因含有少量的氧化钙与氧化钇,稳定度较高,不需要催化剂。一般而言,此种燃料电池操作温度约为1000℃,废热可回收再利用。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于使用固态的电解质,这种电池比熔融碳酸盐燃料电池更稳定。其效率约为60%,可供工业界用来发电和取暖,同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。缺点是构建该种燃料电池的耐高温材料价格昂贵。

6.直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种,它直接使用甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢,然后如同标准的质子交换膜燃料电池一样,氢再与氧反应。这种电池的工作温度为120℃,比标准的质子交换膜燃料电池略高,其效率大约为40%。其使用的技术仍处于研发阶段,但已成功地显示出可以用作移动电话和笔记本电脑电源。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时,要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。

7.再生型燃料电池(Regenerative Fuel Cell,RFC)

再生型燃料电池的概念相对较新,但全球已有许多研究小组正在从事这方面的工作。这种电池构建了一个封闭的系统,不需要外部生成氢,而是将燃料电池中生成的水送回到以太阳能为动力的电解池中分解成氢和氧,然后将其送回到燃料电池。目前,这种电池的商业化开发仍有许多问题尚待解决,例如成本、太阳能利用的稳定性等。美国航空航天局(NASA)正在致力于这种电池的研究。

8.锌—空燃料电池(Zinc-air Fuel Cell,ZAFC)

利用锌和空气在电解质中的化学反应产生电。锌—空燃料电池的最大好处是能量高。与其他燃料电池相比,同样的重量,锌—空电池可以运行更长的时间。另外,地球上丰富的锌资源使锌—空电池的原材料很便宜。它可用于电动汽车、消费电子军事领域,前景广阔。目前Metallic Power和Power Zinc公司正在致力于锌—空燃料电池的研究和商业化。

9.质子陶瓷燃料电池(Protonic Ceramic Fuel Cell,PCFC)

这种新型燃料电池的机理是:在高温下,陶瓷电解材料具有很高的质子导电率。Protonetics International Inc.正在致力于这种电池的研究。

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