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和氢相关的燃料电池居然也有这么多种类?

 更新时间:2023-11-07    点击量:651

燃料电池是一种生物以及电化学系统,根据所使用的电解质和制造过程进行分类。通过电化学过程,这些燃料电池产生各种形式的能量,或用于产生基于热的能量或电力,而不需要燃烧或气化等过程。目前有几种燃料电池技术处于原型开发或研究阶段,其中一些突出的技术在使用的电解质、发生的化学反应、涉及的催化剂、工作温度和用作原料的燃料类型方面有所不同。下面就目前已知的燃料电池分类以及特点给您简单科普。下面1用图片的方式简单呈现了各类型燃料电池所用的燃料以及简单结构释义和工作温度等;图2用表格方式给各位看官呈现了各类型燃料电池所需的电解质、工作温度、燃料、以及优缺点。

 

图1:一些常见类型的基于燃料电池的系统示意图

 

 

图2:一些常见类型的基于燃料电池的系统以及工作特点

 

一、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC——Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)

 

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的高功率密度和轻重量使其成为比其他类型的燃料电池更受欢迎的选择,也是我们目前最常见和商业化应用推广的技术路线。该名称可与质子交换膜燃料电池互换使用,这里也具体也可指为低温燃料电池(LT—PEM)。固体聚合物电解质和带有铂或铂合金催化剂的碳电极使这些燃料电池可以只使用氢、氧(空气)。通常,PEMFC使用来自储罐或重整器的纯氢(99.99%以上)作为燃料。这些燃料电池的工作温度较低,约为80°C(176°F),因此启动时间更快,对系统组件的磨损更少,这意味着更好的耐用性。然而,使用铂等贵金属催化剂会增加系统成本。虽然PEMFC主要用于运输目的,但它们也可以用于固定式发电热电联供应用。它们特别适合于公共汽车、轿车和重型卡车等车辆应用。代表性的企业非常多,如日本丰田、韩国现代、巴拉德等等,国内企业更是不胜枚举。具体结构原理如下图3所示:
图3:PEMFC原理结构示意图

 

二、直接甲醇燃料电池(DMFC——Direct Methanol Fuel Cells)

大多数燃料电池的动力来自氢气,氢气可以直接供应给系统,也可以通过重整富氢燃料(如甲醇、乙醇或碳氢化合物)产生。但是,DMFC(直接甲醇燃料电池)的运行基于100%的甲醇,在直接注入燃料电池阳极之前,甲醇通常与水混合。DMFC不会遇到其他燃料电池系统常见的燃料储存困难,因为甲醇比氢具有更高的能量密度(尽管低于汽油或柴油燃料)。此外,甲醇是一种液体,很像汽油,这使得它更容易通过现有的基础设施运输和分销。DMFC通常用于便携式燃料电池应用,如手机和笔记本电脑。目前有一些企业在做商业化推广,尤其在基站等场景。结构原理如下图4所示:

 

图4:直接甲醇燃料电池(DMFC)结构原理示意图

 

三、碱性燃料电池(AFC——Alkaline Fuel Cells)

 

碱性电解水(AEC)被大家熟知,但碱性燃料电池(AFC)大家可能比较生疏,但AFC是最早发明的燃料电池技术之一,被广泛应用于美国太空计划,在航天器上生产电能和水。使用氢氧化钾和水的溶液作为电解液,这反过来又给了在阳极和阴极使用大量非贵金属催化剂的自由。最近,使用聚合物膜作为电解液的新型AFCs已经出现。这些燃料电池与传统的PEM燃料电池类似,但使用碱性膜而不是酸性膜。碱性燃料电池(AFCs)的主要障碍之一是它们对二氧化碳(CO2)中毒的脆弱性。即使是空气中微量的二氧化碳也会产生碳酸盐沉积,从而严重影响电池的效率和寿命。虽然带有液体电解质的AFC可以以再循环模式运行,以再生电解质并减少碳酸盐的形成,但这种模式会带来分流电流和其他问题,如润湿性、腐蚀和差压处理。碱性膜燃料电池(AMFC)解决了这些问题,并且比使用液体电解质的AFCs更不容易受到二氧化碳中毒的影响。然而,二氧化碳仍然会影响它们的性能,目前它们在性能和耐用性方面都落后于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。目前正在研究AMFC在数瓦到数千瓦范围内的潜在用途。然而,在实际应用中,需要解决一些挑战,如对二氧化碳的耐受性、膜的导电性和耐久性。商业化推广较弱,企业未知。下图5是AFC的结构原理示意图。
图5:碱性燃料电池(AFC)结构原理示意图

 

四、磷酸燃料电池(PAFCs——Phosphoric Acid Fuel Cells)

磷酸燃料电池(PAFCs)是一种将液态磷酸作为电解液的电池,它被包裹在碳化硅基体中,并由聚四氟乙烯键(PTFE)合而成。电极由含有铂催化剂的多孔碳组成,电池中发生的电化学反应可以在右侧的图1中找到。PAFC通常被称为“第一代”现代燃料电池,被认为是成熟的电池类型之一,已经在商业上使用了一段时间。它们主要用于固定发电,但也有PAFCs为大型车辆(如城市公交车)供电的实例。与质子交换膜(PEM)电池相比,PAFCs在耐受转化为氢的化石燃料中的杂质方面具有优势。PEM电池很容易被一氧化碳“中毒”,因为一氧化碳会与阳极的铂催化剂结合,从而降低燃料电池的效率。相比之下,PAFCs对杂质有一定的容忍度,在热电联产时效率超过85%。然而,它们单独发电时效率较低,效率范围为37%-42%。这一效率水平仅略好于以燃烧为基础的发电厂,燃料为基础的发电效率通常在33%左右。此外,与同等重量和体积的其他燃料电池相比,PAFC的功率更小,体积更大,这使得它们的生产成本更高。制造这些燃料电池需要大量昂贵的铂催化剂,这导致了更高的成本。代表性的企业如韩国斗山(DOOSAN)等,主要用于固定式发电以及无人机等。具体结构原理示意图如下图6(实在没找到更好的图片)。

 

图6:磷酸燃料电池(PAFC)结构原理示意图,其中电解质为包裹于碳化硅基体中的磷酸

 

五、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC——Molten Carbonate Fuel Cells)

 

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的开发目前正在进行中,其目的是将其用于天然气和煤基发电厂,用于电力公用事业,工业和军事部门的各种应用。这些燃料电池被设计在大约650°C(或1200°F)的高温下工作,被认为是高温燃料电池。MCFC中使用的电解质是熔融碳酸盐盐,悬浮在多孔惰性陶瓷锂铝氧化物基体中。在高温下操作的好处之一是,非贵金属可以用作阳极和阴极的催化剂,这有助于降低成本。由于效率的提高,MCFC可以显著降低成本。当与涡轮机结合使用时,这些燃料电池的效率可以达到65%,远远超过磷酸燃料电池的37%到42%的效率。此外,当余热被捕获和利用时,整体燃料效率可以超过85%。与碱性、磷酸和PEM燃料电池不同,MCFC不需要外部重整器将天然气和沼气等燃料转化为氢气。相反,燃料电池本身通过内部重整将甲烷和其他轻烃转化为氢,从而降低了成本,以目前的技术,MCFC在耐久性方面面临着一个重大缺陷。高温下的恶劣操作条件和腐蚀性电解质的使用加速了组件的腐蚀和分解,最终降低了电池的使用寿命。研究人员正在积极研究耐腐蚀材料的使用,并开发燃料电池设计,以期在不牺牲性能的情况下,将目前4万小时(约5年)的使用寿命提高一倍。代表性企业如美国Fuel Cell Energy等,结果原理图如下图7所示。
图7:MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)结构原理示意图

 

六:高温固体氧化物电池(SOFC——Solid Oxide Fuel Cells)

 

固体氧化物燃料电池(SOFC)利用一种坚硬的无孔陶瓷化合物作为电解质,在将燃料转化为电能方面效率很高,效率约为60%。在热电联产应用中,捕获和利用系统的废热,整体燃料使用效率可超过~84%。这些燃料电池在非常高的温度下工作,最高可达1830°F。

 

这种高温操作不需要贵金属催化剂,从而降低了成本。此外,SOFC可以在内部改造燃料,允许使用各种燃料,并减少与系统中添加转化器相关的费用。固体氧化物燃料电池(SOFC)与其他类型的燃料电池相比具有明显的优势。例如,它们可以比其他类型的电池忍受更多的硫,而且它们对一氧化碳中毒不敏感,这意味着它们可以使用各种燃料,如天然气、沼气和煤衍生气体。此外,高温操作消除了对贵金属催化剂的需求,使其更便宜。然而,高温操作带来了挑战,包括启动缓慢和热屏蔽要求,这使得它们不适合运输。此外,由于高温下的恶劣条件,耐久性是一个关键问题。因此,开发能够承受这些条件的低成本材料至关重要。一种很有前景的方法是开发温度较低的SOFC,其耐久性问题较少,操作成本也较低。虽然这些低温SOFC还没有达到与高温系统相同的性能,但科学工作者们目前正在开发可以在这种较低温度范围内工作的堆叠材料。目前相关企业国内外也比较多。具体工作以及结构原理如下图8。

 

图8:SOFC结构原理示意图

 

七、可逆燃料电池(RFC——Reversible Fuel Cells)

 

可逆燃料电池严格意义来说并不特指某一技术路线,目前常见的有碱性可逆、PEM可逆、SOC可逆(是指电解水和燃料电池可逆),其工作原理与其他燃料电池相似,因为它们从氢和氧中产生电力和热量和水的副产品。然而,可逆燃料电池系统具有额外的能力,可以使用太阳能和风能等可再生能源的电力进行电解并生产氢和氧燃料。这意味着可逆燃料电池不仅在需要时提供电力,而且当可再生能源技术产生的能量超过目前所需时,它还能以氢的形式储存多余的能量。这种能量储存潜力对于使间歇性可再生能源更加有效和可靠至关重要。

 

文章来源:氢眼所见

注:以获得转载权


 

 

 

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