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燃料电池的示范应用
燃料电池的示范应用
摘要:
燃料电池因具有效率高、污染小等优点在汽车、分布式发电,航空航天、民用等不同领域有着广泛的应用前景。
本文主要从燃料电池的发展背景,工作原理,技术特点,近期研究进展与面临的挑战及未来发展方向等介绍了车用燃料电池和分布式发电燃料电池的示范应用情况。
简单介绍了燃料电池在航空航天,移动电源,备用电源等领域的发展状况。
目前燃料电池发电技术正受到世界各国的广泛重视,各国政府和研究机构都投入大量资金进行燃料电池的研究开发工作,并取得引人瞩目的成果。
关键词:
车用燃料电池;分布式发电;应用;前景
1燃料电池在汽车方面的应用
1.1燃料电池车及车用燃料电池的发展背景和现状
随着经济得发展,汽车已经成为人们出行不可或缺的交通工具。
机动车污染从而成为大气污染的主要来源之一。
燃料电池车(FCV)作为一种转化效率高而又无污染的新能源汽车受到了广泛的关注。
FCV与传统的内燃机或者活塞发动机汽车相比,其优点主要是零排放、无温室气体产生、不使用石油,同时有较高的能量转化效率、运行稳定和无振动噪声等。
在我国“九五”和“十五”期间,国家都把FCV及相关技术研究列入科技计划,国家863计划和973计划都设立了许多与此相关的研究课题。
“十一五”国家继续支持“节能与新能源汽车”,其中包括FCV。
燃料电池车在我国虽然起步较晚,但经过相关科研人员的研究,与先进水平的差距正在逐步缩小,并相继推出一些燃料电池车型。
2003年我国第一辆燃料电池动力样车——超越一号亮相上海工博会。
随后同济大学又研制出超越二号、超越三号燃料电池车。
经测试,超越二号在污染排放、CO2排放、噪声、蛇行和燃料经济性方面达到A级水平。
超越系列燃料电池车的主要技术参数如表1所示。
表1超越系列燃料电池车的主要技术参数
系列加速性能(s)最高时速(km/h)续驶里程(km)
超越一号15.4(0~80km/h)105.8231
超越二号24.8(0~118km/h)118.0168
超越三号19.0(0~100km/h)122.0220
超越荣威15.0(0~100km/h)150.0300
近年来,国家进行了若干次燃料电池车的试运行。
2008年奥运会期间,3辆氢燃料电池大客车为奥运会服务。
2010年世博会期间,数千辆新能源车示范运行,其中196辆FCV。
2009年,国家相关部门启动了“十城千辆”工程,目标是用3年左右的时间,每年发展十个城市,每个城市推出1000辆新能源汽车开展示范运行。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其工作温度低,适宜于较频繁启动的场合,并具有启动快、功率密度高以及续驶里程长等优点在燃料电池车上被广泛应用。
全球几乎主要的汽车生产商都在致力于质子交换膜燃料电池的研究开发工作。
然而PEMFC由于成本高,耐久性差,系统复杂缺少氢源等问题并没有大规模商业化。
1.2车用燃料电池的工作原理
质子交换膜电池从本质上说就是水电解的一个“逆”装置。
电解水过程是通过外加电源将水分解为氢气和氧气。
而质子交换膜燃料电池则是氢气和氧气通过电化学反应产生水并释放电能。
它主要由四部分组成——阳极、阴极、电解质膜、外部电源。
通常阳极和阴极上都含有一定量的催化剂用来加速电极上的电化学反应。
两级之间是电解质,电解质膜即为质子交换膜。
其工作过程如下:
当分别向阳极和阴极供给氢气与氧气时,进入多孔阳极的氢原子在催化剂作用下被离化为氢离子和电子。
氢离子经由电解质转移到阴极,电子经外电路负载
流向阴极;氢离子与阴极的氧原子及电子结合成水分。
具体反应为:
阳极反应:
阴极反应:
总反应:
其工作原理图如图1所示:
图1车用燃料电池工作原理图
由总反应式可以看出,PEMFC在发电的同时只产生了水,而无其他污染物产生,对环境友好。
由于质子交换膜只能传导质子,因此电子只能通过外电路才能到达阴极。
电子在外电路中定向流动就产生了直流电。
每一单电池的发电电压理论上限为1.22V。
接有负载时发电电压取决于输出电流密度,通常在0.5~1V之间。
将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆。
1.3发展车用燃料电池所遇到的问题及解决办法
PEMFC因其突出优点有很好的发展前景。
但成本高、寿命短、燃料来源等问题制约其大规模商业化。
1.3.1PEMFC的成本
目前车用燃料电池的典型催化剂为Pt/C,其用量约为1g/kW,国际最先进水平已达0.32g/kW。
PEMFC的核心部件膜电极组件(MEA)单位面积上的铂用量约为0.6~0.8mg/cm2。
若每千瓦燃料电池的铂用量为1g,则每辆燃料电池轿车的铂用量约为50g,燃料电池客车的铂用量约为100g。
这不但导致燃料电池的成本居高不下,而且地球上稀缺的铂资源也无法满足大规模车用燃料电池商业化的需求。
1.3.2PEMFC的寿命
在车用工况下运行的燃料电池通常要经历频繁变载工况,电池会经常经历在0.4~1.0V之间的电位变化,这对于电催化剂是一个严峻的考验,容易造成电催化剂的聚集与流失。
同时在车用工况下操作条件的变化会引起电池温度与湿度的变化,也会加速电催化剂的老化,氧化剂与燃料气中的杂质(如空气中的硫化物、重整气中的CO)对电催化剂具有毒化作用,使得催化剂因杂质占据活性位而失活。
另外,目前的电催化剂在低温下的反应动力学速度缓慢,在0℃以下低温环境中启动燃料电池时,需要提高燃料电池电催化剂在低温下的活性。
由于受动态工况、频繁启停、怠速与零度以下储存和启停等因素的影响,目前电池堆的寿命与商业化要求相比还有差距。
1.3.3燃料问题
PEMFC的燃料来源是燃料电池车实用化过程中一个不容忽视的问题。
目前,如何在燃料电池车上贮存氢燃料仍然是一个亟待解决的问题。
燃料电池车上氢气贮存主要有以下几种方式:
贮存气态或液态纯氢气;利用特殊的合金材料贮存;在车上直接完成甲醇转化为氢气的过程。
但究竟哪种方式更好目前还不能定论,因为每一种形式都有其利弊。
而现在采用的高压储氢罐的方法有很多缺点,比如储氢密度小、氢气基础设施建设费用昂贵,难以实现产业化等问题。
针对以上问题,近几年质子交换膜燃料电池的研究工作主要体现在以下几个方面:
通过电催化剂载体的改进提高电催化剂的抗衰减能力;通过组分结构调整与制备方法改进来提高催化活性与利用率;研究抗毒、高稳定性催化剂;通过有序化膜电极降低膜电极上的铂载量;研究低Pt催化剂、非Pt催化剂,开发碱性聚合物膜,以期降低燃料电池中贵金属催化剂的担载量。
2燃料电池——有前途的分布式发电技术
2.1.燃料电池作为分布式发电技术的发展历史背景
目前全世界的供电系统都是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。
全世界90%的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电。
但是当今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高,大电网由于自身的缺陷其单一供电已不能满足这种要求。
(1)大型互联电力系统中,局部事故极易扩散。
由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响,严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃,造成灾难性后果,这样的事故在2003年美加事故大停电中就有发生;而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏,严重时将危害国家的安全,如科索沃战争和海湾战争等。
(2)集中式大电网还不能灵活跟踪电力负荷的变化,而为了短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的,经济效益也非常低。
随着负荷峰谷差的不断增大,电网的负荷率正逐年下降,发输电设施的利用率都有下降的趋势。
(3)大电网的发展不能满足对环保和需求的限制。
由于以上几个方面的原因,世界许多能源、电力专家公认为大电网与分布式发电(DistributedGeneration,简称DG)相结合是能够节省投资,降低能耗,提高系统安全性和灵活性的主要方法,是21世纪电力工业的发展方向。
燃料电池发电就是把化学反应的化学能直接转化为电能的。
燃料电池分布式发电最大的优势是高效、洁净,其效率可达40%~65%,热电联供或与其它技术结合时其效率会更高,这种技术的发电产物一般只有水,无污染。
经研究开发,目前燃料电池性能已经大大改进,成本也显著降低,正处于商业化示范阶段。
相比于多变性和间歇性的风能,太阳能等可再生能源发电技术,它具有更高的稳定性。
燃料电池在分布式发电领域的应用已经锁定了世界能源市场的各个部分。
2.2分布式发电的特点及其优势
分布式发电包括燃料电池,小型燃气轮机,燃气轮机与燃料电池的混合装置及风力发电,太阳能发电等。
由于靠近用户提高了服务的可靠性和电力质量。
技术的发展,公共环境政策和电力市场的扩大等因素的共同作用使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择。
通过分布式发电和集中供电系统的配合应用有以下优点:
(1)分布式发电系统中各电站相互独立,用户由于可以自行控制,不会发生大规模停电事故,所以安全可靠性比较高;
(2)分布式发电可以弥补大电网安全稳定性的不足,在意外灾害发生时继续供电,已成为集中供电方式不可缺少的重要补充;
(3)可对区域电力的质量和性能进行实时监控,非常适合向农村、牧区、山区,发展中的中、小城市或商业区的居民供电,可大大减小环保压力;
(4)分布式发电的输配电损耗很低,甚至没有,无需建配电站,可降低或避免附加的输配电成本,同时土建和安装成本低;
(5)可以满足特殊场合的需求,如用于重要集会或庆典的(处于热备用状态的)移动分散式发电车;
(6)调峰性能好,操作简单,由于参与运行的系统少,启停快速,便于实现全自动。
2.3各种燃料电池发电技术的对比
燃料电池电站不同于燃料电池汽车,没有频繁启动问题,目前处于商业示范化阶段的燃料电池技术主要是以下四种:
磷酸燃料电池(PAFC),质子交换膜燃料电池(PEMFC),固体氧化物燃料电池(SOFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。
这四种燃料电池用作分布式电站发电的优缺点及适用场合如下表所示:
表2燃料电池发电技术比较
燃料电池技术
优点
缺点
适用范围
PAFC
启动快速、设计简单,磷酸燃料电池电站在技术上发展比较成熟,效率仅能达到45%,若计入回热可达到80%-90%
需要贵金属做电催化剂;燃料必须外重整;燃料气中含有CO会造成污染,成本高,用作大容量集中发电站较困难
适用于规模为500kW到几兆瓦的商用市场。
如饭店、医院、学校等场所。
PEMFC
电流密度和比功率较高,寿命长、运行可靠,重量轻、体积小
余热温度较低,热品质较低,回收利用率较低,综合发电效率低,且产生的CO会造成污染
运输动力、便携式电源及家用型发电机(目前研究HT-PEMFC可解决电站发电技术些问题)
MCFC
不需要昂贵的催化剂,可以内部重整,产生的CO不会造成污染,可提供高品质的废热,余热的温度较高,可组成燃气-蒸气联合循环
MCFC的功率密度低,因此重量大、占地面积大,存在液态电解质的管理问题
MCFC可用于大型固定式、工业应用以及需要高品质废热的场合
SOFC
避免电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题,延长了电池使用寿命。
使燃料电池以煤气为燃料成为可能,组成联合循环效率更高。
对材料要求较高,并且还存在加工成本高以及部件之间的热扩张系数的匹配等问题。
大型固定式应用和利用高品质废热的热电联供,商业用电力、工业用热电合并系统。
2.4燃料电池发电系统
一个燃料电池发电系统如图2所示,它一般由下列几个子系统组成:
供气系统、燃料处理、燃料电池堆、燃料电池控制器、热量管理和功率调节子系统。
图2燃料电池发电系统框图
中低温的燃料电池,例如PEMFC,所使用的燃料可以为纯氢,也可以为醇类或烃类。
当以醇类或烃类为燃料时,必须先通过燃料处理器,经过重整改质过程后,将燃料为富氢气体并去除堆氢阳极氧化过程有毒的杂质后再进入燃料电池堆。
高温燃料电池,如SOFC,由于本身具有内重整
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