碱性燃料电池.doc

碱性燃料电池（AFC）是第一个燃料电池技术的发展，最初由美国航空航天局的太空计划，同时生产电力和水的航天器上。AFCS继续使用NASA航天飞机上的整个程序中，除了数量有限的商业应用原理：使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（-OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。负极反应：2H2 + 4OH- 4 H2O + 4e-正极反应：O2 + 2H2O + 4 e- 4OH-碱性燃料电池的工作温度大约80。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。如同质子交换膜燃料电池一样，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，其原料不能含有二氧化碳，因为二氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）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。反应原理如下：放电：正 极：O2+2CO2+4e-=2co-3 负 极： 2H2 + 2CO32- -4e- 2CO2 + 2H2O总反应： O2 + 2H2 2H2O熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）是一种高温电池（600700），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，是下一世纪的绿色电站。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）也可使用NiO作为多孔阴极，但由于NiO溶于熔融的碳酸盐后，会被H2、CO还原为Ni，容易造成短路磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。电池中采用的是100%磷酸电解质，其常温下是固体，相变温度是42。氢气燃料被加入到阳极，在催化剂作用下被氧化成为质子。氢质子和水结合成水合质子，同时释放出两个自由电子。电子向阴极运动，而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动。因此，在阴极上，电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。具体的电极反应表达如下。阳极反应：H2 + 2H2O 2H2O+ 2e-阴极反应：O2 + 4H2O + 4e- 6H2O总反应：O2 + 2H2 2H2O磷酸燃料电池一般工作在200左右，采用铂作为催化剂，效率达到40%以上。由于不受二氧化碳限制，磷酸燃料电池可以使用空气作为阴极反应气体，也可以采用重整气作为燃料，这使得它非常适合用作固定电站。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)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高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。优点：SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池，简称PAFC)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池，简称MCFC)相比它有如下优点：(1)较高的电流密度和功率密度；(2)阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；(4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；(5)能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80%左右，是一种清洁高效的能源系统；(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；(7)陶瓷电解质要求中、高温运行(6001000)，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度最高，属于高温燃料电池。近些年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。常压运行的小型SOFC发电效率能达到45%-50%。高压SOFC与燃气轮机结合，发电效率能达到70%。国外的公司及研究机构相继开展了SOFC电站的设计及试验，100kW管式SOFC电站己经在荷兰运行。Westinghouse公司不但试验了多个kW级SOFC，而且正在研究MW级SOFC与燃气轮机发电系统。日本的三菱重工及德国的Siemens公司都进行了SOFC发电系统的试验研究2。一般的SOFC发电系统包括燃料处理单元、燃料电池发电单元以及能量回收单元。图一是一个以天然气为燃料、常压运行的发电系统。空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入预热器预热，然后通入电池的阴极天然气经过压缩机压缩后，克服系统阻力进入混合器，与蒸汽发生器中产生的过热蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例为，混合后的燃料气体进入加热器提升温度后通入燃料电池阳极。阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳