Environment 版 (精华区)

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标  题: 21世纪的绿色能源
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Oct 25 17:45:15 2002) , 转信

燃料电池(FuelCell)是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效的转化为
电能的发电装置。根据所使用的电解质种类的不同,燃料电池可分为:(1)低温燃料电
池,诸如固态高聚物电解质燃料电池(PEMFC)及碱性燃料电池(AFC);(2)磷酸盐
酸性燃料电池(PAFC);(3)熔盐碳酸盐燃料电池(MCFC);(4)固体氧化物燃料电
池(SOFC)等。SOFC是继PAFC、MCFC之后的能量转换效率最高的第三代燃料电池系统,
被认为是最有效率的和万能的发电系统,特别是作为分散的电站,目前正在引起各国科
学家的广泛兴趣。它是将燃料和氧化剂气体,通过一种离子传导陶瓷并产生电能的全固
态能量转换装置,所以又被称为陶瓷燃料电池。
  SOFC主要包括电解质和两个电极。在阴极,空气中的氧离解转换成氧离子,通过两
个电极间的固体电解质膜迁移,与阳极/电解质界面上的燃料反应。在外电路,从阳极
到阴极的电子流产生直流电。固体电解质是SOFC的最核心的部件。它的性能不但直接影
响电池的工作温度及电能转换效率,还决定了所需的相匹配的电极材料及其相应制备技
术的选择。目前发现的可能用于SOFC的氧离子导体主要有萤石相结构的ZrO2基、CeO2
基、Bi2O3基材料和钙钛矿型结构的LaGaO3基材料等。
  除了燃料电池的一般优点外,SOFC还具有以下特点:对燃料的适应性强,能在多种
燃料包括碳基燃料的情况下运行;不需要使用贵金属催化剂;使用全固态组件,不存在
对漏液、腐蚀的管理问题;积木性强,规模和安装地点灵活等。这些特点使总的燃料发
电效率在单循环时有潜力超过60%,而对总的来说体系效率可高达85%,SOFC的功率密
度达到1MW/M3,对块状设计来说有可能高达3MW/M3。事实上,SOFC可用于发电、热电
回用、交通、空间宇航和其他许多领域,被称为21世纪的绿色能源。
  SOFC今后的研究开发主要集中在以下几个方面:
  新型电极材料和其他电池构件的开发。
  修饰SOFC的其他部件,使系统结构达到最佳化,以配合燃料电池的中温操作;开发
中温条件下有一定活性同时与电解质在性能上相匹配的电极材料;改善电极的微结构。
其中纳米电极是一个可行的路线。它颗粒小,可增加三相界(催化活性中心)的长度和
电极/电解质的接触面积,大大降低了界面电阻;也可降低电极厚度,使气体更容易扩
散到三相界面处,减小由于电极浓差极化造成的电池效率的降低。
  质子导体及质子-离子混合导体电解质的开发。
  由质子导体作电解质,水将在氧化剂的一侧产生,因此将不会出现用氧离子导体作
电解质那样,经过燃料电池反应后须将水从燃料中除去。当使用甲烷等碳氢气体时,只
有这些燃料热解得到的氢可认为是质子导体燃料电池的燃料,而其余部分可作为有用的
重整产物而保留下来,例如乙烷经电池反应重整后可得到乙烯。某些电化学反应必须使
用质子导体材料。如:工业中H2S废气用这种燃料电池来处理,可以在发电的同时,得到
有用的副产品S
  2。研究质子传导
  的机理并开发在中温下具有足够电导率的质子导体,是一个很有希望的研究方向。
应该说,质子-离子混合导体是一种崭新的固体电解质,寻找这种材料本身就是一个新
的挑战,这对于深化我们设计新型SOFC,具有特别重要的意义。
  新概念和新方法。
  最近出现的单腔体燃料电池就是一个新的概念。尽管它还有很多的缺点,但它却不
失为一个有意义的研究方向。其主要意义还在于对我们今后进行的电池的设计,给予了
有益的启发。对于电极材料结构,传统的电极大多数为不对称电极,即阴极和阳极所使
用的材料不同。如果使用对称电极,电池的性能将会如何?这就值得研究。对于电池的
制备方法,目前采用的方法大多昂贵,成品率低。开发研究软化学制备路线,引入温和
条件的材料制备方法,势必具有较强的竞争力。
《科技日报》2000-8-25第一版


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