未来可能被应用于汽车领域的新能源 新技术(1)

2008-02-29 17:24:06 【大 中 小】 查看评论

    
    一、固体氧化物燃料电池
    
    燃料电池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：
    
    1.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。
    
    2.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S2 。
    
    3.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。
    
    4.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。
    
    

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