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解析：燃料電池的優(yōu)點及關(guān)鍵技術(shù)

時間:2021-04-02 09:51來源:大話百科天地作者:綜合報道

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燃料電池是直接把燃料的化學能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式，被稱為21世紀的分布式電源。燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過程。氫基燃料送入燃料電池的陽極(電源的負極)轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極)，負氧離子通過2極間離子導電的電解質(zhì)到達陽極與氫離子結(jié)合成水，外電路則形成電流。

通常，完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應配備燃料改質(zhì)器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無須配備重整器。

磷酸型燃料電池（PAFC）是目前技術(shù)成熟、已商業(yè)化的燃料電池。現(xiàn)在已能生產(chǎn)大容量加壓型11MW的設(shè)備及便攜式250 kW等各種設(shè)備。第2代燃料電池的熔融碳酸鹽電池（MCFC），工作在高溫（600～700 ℃）下，重整反應可以在內(nèi)部進行，可用于規(guī)模發(fā)電，現(xiàn)在正在進行兆瓦級的驗證試驗。固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）被稱為第3代燃料電池。由于電解質(zhì)是氧化鋯等固體電解質(zhì)，未來可用于煤基燃料發(fā)電,質(zhì)子交換膜燃料電池是最有希望的電動車電源。燃料電池有以下優(yōu)點：

1）有很高的效率，以氫為燃料的燃料電池，理論發(fā)電效率可達100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實際效率可達58.4%。通過熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)模基本無關(guān)，小型設(shè)備也能得到高效率。

2）處于熱備用狀態(tài)，燃料電池跟隨負荷變化的能力非常強，可以在1s內(nèi)跟隨50%的負荷變化。

3)噪音低；可以實現(xiàn)實際上的零排放；省水。

4）安裝周期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統(tǒng)。

目前燃料電池大規(guī)模應用的障礙是造價高，在經(jīng)濟性上要與常規(guī)發(fā)電方式競爭尚需時日。燃料電池的技術(shù)關(guān)鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價格等與商業(yè)化有關(guān)的項目，主要涉及新的電解質(zhì)材料和催化劑。熔融碳酸鹽電池（MCFC）在高溫條件下液體電解質(zhì)的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命，使MCFC的大型化及實用化受到限制。需要解決電池構(gòu)成材料的腐蝕；電極細孔構(gòu)造變化使電池性能下降等問題。

固體氧化物燃料電池（SOFC）使用固體電解質(zhì)且工作溫度很高,對構(gòu)成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學性穩(wěn)定和致密性（不通過氣體）的電解質(zhì)，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩(wěn)定氧化鋯。為了降低工作溫度，應盡可能減少電解質(zhì)薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結(jié)法和電化學蒸發(fā)涂層法制備電解質(zhì)薄膜。

實用的電解質(zhì)膜的厚度為0.03～0.05mm。比較先進的已達到0.01 mm。這樣薄的電解質(zhì)陶瓷材料除應當有足夠的機械強度外，必須具有高度的氣體致密性，否則將喪失燃料電池的性能。燃料極使用鎳鋯等耐熱金屬陶瓷，鎳還用作燃料重整的催化劑，空氣極在運行中處在高溫氧化中，難以使用一般金屬。鉑的穩(wěn)定性好，但費用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導電陶瓷。為了降低工作溫度，另外一個重要的研究方向是尋找低溫的質(zhì)子導電的電解質(zhì)。工作溫度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造價就可以大幅度降低。

(責任編輯：子蕊)

文章標簽：電池燃料電池電池材料技術(shù)

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