燃料电池行业技术环境分析

1、燃料电池行业技术环境分析一、各种燃料电池的主要原理和特点(一) 碱性燃料电池( AlkalineFuelCell ，AFC ) 碱性燃料电池是以碱性溶液为电解质，将存在于燃料与氧化 剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，是最早获得应用 的燃料电池，由于其电解质必须是碱性溶液，一般采用 35%-45% 的 KOH 或 NaOH 溶液作为电解质，因此而得名碱 性燃料电池。该技术也是发展最快的一种燃料电池，主要为 空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。在 1973 年的 阿波罗登月飞船上成为其主电源。在 AFC 中，浓 KOH 溶液既当作电解液，又作为冷却剂。它 起到从阴极到阳极传递 OH -的作

2、用，氢氧化钠和氢氧化钾溶 液，以其成本低，易溶解，腐蚀性低，而成为首选电解质。图 1 AFC 的组成和反应循环图AFC 的催化剂主要用贵金属铂、钯、金、银和过渡金属镍、 钴、锰等。电池的工作温度一般为 80 摄氏度，一些新型设 计可以将其工作温度降低到 23-70 度，因此，它们的启动也 很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来 倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中 生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装 置。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，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳 能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的

3、性能。 AFC 的优点是： （1）效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性 介质高；（ 2）因为是碱性介质，可以用非铂催化剂；（3）因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极板。AFC 的缺点是： （1）因为电解质为碱性，易与 CO2 生成 K 2CO3、 Na2CO3 沉 淀，严重影响电池性能，所以必须除去CO2,这给其在常规环境中应用带来很大的困难。（2）电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。（二）磷酸燃料电池（ PhosphoricAcidFuelCell ， PAFC ） 磷酸燃料电池是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩 散电极为正、负电极的中温型燃料电池。 可以在1

4、50220C 工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催 化剂不易被 CO 毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料 电池。磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤 气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、 CO 和水蒸气的混合物， CO 和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化 成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负 极（燃料极 ），同时将氧输送到燃料堆的正极 （空气极 ）进行化学 反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能图 2 磷酸型燃料电池基本组成和反应原理PAFC 的优点： 作为一种中低温型燃料电池，不但具有发电效率高、清洁、 适应多样燃料、无噪音、

5、运转费低、设置场所限制少、大气 压运转容易操作、安全性优良、部分负荷特性好等特点，而 且还可以热水形式回收大部分热量。PAFC 用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在 10-20MW 之间， 安装在配电站； 中心电站型发电厂， 容量在 100MW 以上， 可以作为中等规模热电厂。 PAFC 电厂比起一 般电厂具有如下优点：即使在发电负荷比较低时，依然保持 高的发电效率；由于采用模块结构，现场安装简单，省时， 并且电厂扩容容易。PAFC 的缺点：电催化剂必须用贵金属；磷酸燃料电池的效 率比其它燃料电池低， 约为 40%-45% ，其加热的时间也比质 子交换膜燃料电池长。（三）熔融碳酸盐型燃

6、料电池（ MoltenCarbonateFuelCell ， MCFC ）熔融碳酸盐型燃料电池是第二代燃料电池，由于其电解质是 一种存在于偏铝酸锂（ LiAlO 2）陶瓷基膜里的熔融碱金属碳 酸盐混合物而得其名。熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴 极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的 燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐，通常是锂和钾，或锂 和钠金属碳酸盐的二元混合物。MCFC 的优点：它是一种高温电池（600700 C）,电极反应活化能小，不 论是氢的氧化还是氧的还原，都不需要高效催化剂，节省了 贵金属的使用， 降低了成本； 可使用 CO 含量高的燃料气体， 如煤气、天然气；电池排

7、放的余热温度高达400 C,可以回收利用， 总效率已可达 90%以上； 具有效率高 （高于 40%）、 噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物 燃料等） 、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点， 是未来的绿色电站。50 年代初，熔融碳酸盐燃料电池（ MCFC ）由于其可以作为 大规模民用发电装置的前景而引起了世界范围的重视。在这 之后， MCFC 发展的非常快，它在电池材料、工艺、结构等 方面都得到了很大的改进，但电池的工作寿命并不理想。到 了 80 年代，它已被作为第二代燃料电池，而成为实现兆瓦 级商品化燃料电池电站的主要研究目标，研制速度日益加 快。现在 MCFC 的主

8、要研制者集中在美国、 日本和西欧等国 家。现已基本接近商品化生产，但由于其制备成本高而未能 广泛应用。MCFC 的缺点： 高温以及电解质强的腐蚀性对电池各种材料的长期耐腐蚀 性具有非常严格的要求，电池寿命受到一定限制；单体电池 边缘的高温湿密封技术难度大，尤其是遭受腐蚀严重的阳极 区；电池系统需要CO2循环，将阳极产生的C02重新输送到 阴极，增加了系统结构的复杂性。（四）固体氧化物燃料电池 （SolidOxideFuelCell ， SOFC） 固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温 下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能 的全固态化学发电装置。固体氧化物燃料电池单体主要组成 部分由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极组成。 固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同。在固 体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气， 例如：氢气、 甲烷、城市煤气等， 具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体， 并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极 一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附 氧，由于阴极本身的催化作用，使得 O2 得到电子变为 O2-， 在