氫能應(yīng)用之氫氧燃料電池（三）
日期：2019-1-17 發(fā)布者：鄭州碩豐精密機(jī)械有限公司、水燃料氫氧機(jī)
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氫能應(yīng)用之氫氧燃料電池（三）
三 幾種常見的低溫燃料電池
1質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)
質(zhì)子交換膜燃料電池的電解質(zhì)是固體有機(jī)化合物，也稱為聚合物電解質(zhì)燃料電池。固體聚合物燃料電池，通常工作溫度為80℃。
20世紀(jì)60年代初，美國(guó)通用電氣(GE)公司發(fā)明了第一臺(tái)PEMFC，并首次作為主電源，應(yīng)用于 “雙子星座”飛船。隨后，美國(guó)杜邦公司成功開發(fā)含氟的磺酸型質(zhì)子交換膜，使PEMFC的壽命超過了57000小時(shí)。美國(guó)通用電氣公司采用內(nèi)部加濕和增大陰極區(qū)反應(yīng)壓力的辦法解決了 PEMFC在工作過程中的膜干涸問題。但仍存在兩點(diǎn)不足：1、貴金屬催化劑用量太高(4 )；2、電池要得到可觀的電流密度，必須以純氧作氧化劑，因而限制了其應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司開始研究用空氣代替純氧，采用石墨極板和Dow化學(xué)公司研制的新型聚合物膜，開發(fā)出性能更高的系統(tǒng)，其電流密度可達(dá)4.3 ，為燃料電池的客車提供燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。2005年9月胡錦濤主席專門訪問過該公司。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，在各國(guó)科學(xué)家的努力下，技術(shù)日趨成熟。目前，這種PEMFC的質(zhì)量比功率和體積比功率分別達(dá)到1000W/kg和1700W/L；在降低成本方面，國(guó)際上已取得了突破性進(jìn)展。PEMFC有望成為電動(dòng)汽車和潛艇(AIP)的最佳動(dòng)力源。PEMFC的研究已經(jīng)成為各類燃料電池研究中的主流。
典型PEMFC發(fā)電體可由一個(gè)或若干個(gè)電池單體組成。電池單體主要由膜電極、密封圈和帶有導(dǎo)氣通道的集流板組成。膜電極中間為質(zhì)子交換膜，它除了有質(zhì)子交換功能外，還可起到隔離燃料氣體和氧化氣體的作用。膜兩邊是氣體電極，它由兼作電極導(dǎo)電支撐體和氣體擴(kuò)散層的碳紙和催化劑(多采用納米金屬Pt)組成。目前對(duì)膜電極結(jié)構(gòu)和新型催化劑的研究工作日益增多。
2磷酸燃料電池(PAFC)
磷酸燃料電池的電解質(zhì)為液體磷酸，通常工作溫度為250℃。目前應(yīng)用最多的是分布式燃料電池電站。全世界有200多座200kW的PAFC電站在運(yùn)行。
美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司(UTC)是世界上最成功的磷酸燃料電池(PAFC)制造商。UTC在20世紀(jì)70年代初試驗(yàn)了65臺(tái)FC-11型12.5kW的PAFC。1980年代試驗(yàn)過53臺(tái)FC-18型40kW的PAFC電站。
1991年世界上第一個(gè)商業(yè)化的PC-25型的200kW的PAFC成功運(yùn)行。到目前為止， PC-25已經(jīng)成功運(yùn)行超過4萬小時(shí)，其熱電總效率達(dá)80%。
美國(guó)能源部(DOE)委托美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司，組織9個(gè)電力公司從1971年開始研究燃料電池在電力工業(yè)上的應(yīng)用，稱為FCG-1計(jì)劃，該計(jì)劃的目標(biāo)是建立大型燃料電池發(fā)電站。1977年建成1MW電站，1980年在紐約建成4.5MW試驗(yàn)電站，1983年在東京建成第二個(gè)4.5MW試驗(yàn)電站，后來又發(fā)展成商品型11MW的PC-23電站，于1991年4月開始在東京發(fā)電。
美國(guó)是最早發(fā)展PAFC電站技術(shù)的國(guó)家，而日本是PAFC電站技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家，它僅用了10~15年的時(shí)間，就成為和美國(guó)一樣的世界上PAFC電站技術(shù)發(fā)展水平最高的國(guó)家。目前，美國(guó)IFC公司和日本的東芝公司是PAFC技術(shù)水平最高的公司。日本政府自1981年開始執(zhí)行“月光計(jì)劃”，即國(guó)家的燃料電池發(fā)展計(jì)劃(日本政府的燃料電池研究和發(fā)展計(jì)劃自1974年開始是“陽(yáng)光計(jì)劃”的一部分，1981年轉(zhuǎn)成“月光計(jì)劃”。在1981~1986年期間，“月光計(jì)劃”預(yù)算撥款4400萬美元，其中3000萬美元用于發(fā)展PAFC系統(tǒng)，發(fā)展小型分散供電電站和大型集中供電電站。月光計(jì)劃原為10年計(jì)劃，1987年改為15年計(jì)劃(到1995年)，總的研究與發(fā)展經(jīng)費(fèi)預(yù)算為 570億日元。
日本制造商在電力公司、煤氣公司的通力合作下，已可生產(chǎn)50kW、100kW、200kW電站，并組裝為1MW、5MW、11MW等各種規(guī)格的PAFC示范電站。日本生產(chǎn)PAFC電站的公司主要是富士、東芝 、三菱、日立。
英國(guó)、德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)、意大利、丹麥、瑞典、芬蘭等九個(gè)國(guó)家22家公司于1989年9月11日成立了歐洲燃料電池集團(tuán)(EFCG)，總公司設(shè)在英國(guó)倫敦。計(jì)劃3年內(nèi)投資2500萬歐元與美日競(jìng)爭(zhēng)。他們購(gòu)買美國(guó)、日本的PAFC電池電站進(jìn)行示范試驗(yàn)，以取得PAFC在歐洲的運(yùn)行、維修經(jīng)驗(yàn)；并利用自己在燃料處理及交、直流電能轉(zhuǎn)化方面的先進(jìn)技術(shù)來開展PAFC電站技術(shù)的研究和發(fā)展工作。
PAFC只限于固定電站，因?yàn)樗墓ぷ鳒囟仍?00℃左右，作為熱電聯(lián)供時(shí)，其余熱利用價(jià)值較低，因此人們對(duì)PAFC的興趣日益減少，有被其它高溫燃料電池取代的趨勢(shì)。
3堿性燃料電池(AFC)
堿性燃料電池的電解質(zhì)為液體氫氧化鉀或者液體氫氧化鈉，通常工作溫度為50℃。它是最早獲得應(yīng)用的燃料電池。
1950年代，英國(guó)劍橋大學(xué)的F.T.Bacon教授用高壓氫、氧氣體演示了世界第一個(gè)功率為5kW的堿性燃料電池(AFC)，工作溫度為150℃。隨后建造了一個(gè)6kW的高壓氫氧堿性燃料電池的發(fā)電裝置。進(jìn)入20世紀(jì)60年代，由美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司把該系統(tǒng)加以發(fā)展，成功地為阿波羅登月飛船提供電力。
堿性燃料電池的研究工作基本已在20世紀(jì)70~80年代末中止，因?yàn)閴A性電解質(zhì)液體氫氧化鉀、氫氧化鈉易與空氣中的CO 生成K CO 和Na CO 沉淀，嚴(yán)重影響電池性能。而要除去CO ，這在常規(guī)環(huán)境中有很大的困難。現(xiàn)在堿性燃料電池基本已被PEMFC取代。
90年代后期，德國(guó)西門子公司在原有的AFC基礎(chǔ)上，將8個(gè)6kW氫/氧AFC電堆組合在一起構(gòu)成的48kW的AFC電堆，該電堆輸出電壓192V，輸出電流250A，該公司還用AFC電堆裝備了一艘德國(guó)潛艇?，F(xiàn)在，西門子公司用PEMFC裝備德國(guó)U31潛艇。20世紀(jì)90年代，德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心研制了以AFC作為動(dòng)力的汽車，這是德國(guó)第一輛用燃料電池作動(dòng)力的汽車，現(xiàn)陳列于德國(guó)奧海姆技術(shù)博物館。德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心的AFC研制工作現(xiàn)已停止。堿性燃料電池在地面上的應(yīng)用幾乎全部停止。其最輝煌的歷史記錄是曾在航天飛行中得到應(yīng)用。
常見的低溫燃料電池的基本情況見圖2。
圖2 常見低溫燃料電池
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