青少年喜欢的科技前研:率先登月的燃料电池发电技术

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率先登月的燃料电池发电技术是什么?

青少年喜欢的科技前研:率先登月的燃料电池发电技术插图

在1969年随同美国阿波罗飞船登上了月球的电源装置,是以其独特性能而引起世人瞩目的“燃料电池”。随后,到70年代初这种电源才逐步转为民用,并得到了突飞猛进的发展。到90年代,燃料电池发电技术在美、日等国已进入到商业化阶段,并已制成1万千瓦级的大容量电池,同时还出现了燃料电池一燃气轮机-汽轮发电机联合运转的发电厂。

所谓“燃料电池”,从原理上讲,和传统的化学电池基本相同,也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是:传统电池的内部物届事先充填好,化学反应结束后,不能再供电;而燃料电池进行化学反应所用的物质是由外部不断充填的,因此,它能够源源不断地发电。这是燃料电池最显著的特征。

燃料电池的工作原理是,作为反应物的原燃料,天然气、石油、甲醇等,经过“燃料改质装置”分离出氢后,进入电池本体,另一端的空气中氧也进入电池本体,分别供给电池的电极,通过电解质使氧氧发生电化学反应,产生电位差,而形成低压直流电输出。

由于燃料电池是将物质的化学能直接转变为电能,因此其效率较高,按理论计算可以达到90%。但实际上燃料电池在进行化学反应中还有“费功”损耗,因此,最高只能达到60%~70%。

燃料电池主要由燃料、氧化剂、电极、电解液等组成。它所使用的燃料十分广泛,例如,天然气、石油、甲醇、液氨、肼、烃、氢等。这种电池可以根据需要设计不同的容量,主要取决于“单片电池”的数量。单片电池由正极(接空气极板)、负极(接燃料极板)和电解质容器以及上下绝缘隔械4部分组成。根据需要,把单片电池串联起来,就可得到所需电压和功率数。

这种电池的化学反应过程简单地说就是:在负极(氢极)一侧,依靠催化剂(白金电极)使氢(H2)离子化,成为易于反应的(H离子)状态,这些分离出的氢离子通过电解液:例如苛性钾(KOH)等输送到正极(氧极即空气极),而被分离开的电子则经过外部电路也移到正极上,电子移动的过程就是产生电流过程,而在正极上氧分子和氢离子化合,产生水-这样一个过程就完成了产生电能的过程。

负极和正极分别由外部连续不断地供应氢(燃料)和氧(空气),这种反应连续不断地进行,在外部电路中电子也不断地流动,这就是我们所需要的电流。

说起来,燃料电池的基本原理和化学反应机理虽不难懂,但真正作为系统工作,其工艺设计自然也是非常复杂的。

燃料电池所用的电解质对燃料电池的发电性能,特别是效率影响很大。目前最多用的是磷酸质,其发电效率为40%左右。这是被划为第一代燃料电池的代表型产品。目前正在研究的新的电解质有碳酸盐,被划为第二代,即2000年前后可正式投入使用的燃料电池;还有一种以氧化错、氢氧化钾作电解质的,被划为第三代。据预测,第二代和第三代电池的发电效率可达到45%~60%。燃料电池种类如表所示。

燃料电池种类表

青少年喜欢的科技前研:率先登月的燃料电池发电技术插图(1)

青少年喜欢的科技前研:率先登月的燃料电池发电技术插图(2)

作为将化学能直接转换成电能的新型发电技术的应用,燃料电池具有许多独特优点:

一是热损耗小,发电效率高,一般可达到40%~50%,最高可望达到60%-70%,而且不受负荷变动的影响。目前,国际上火电厂的效率不超过40%,在我国的燃煤电厂效率才27%~28%。

二是低污染,燃料电池在发电过程中,既不需要锅炉、燃烧器等燃烧设备,也不需要汽轮机等高速旋转设备,因此,既不排放温室效应物质和有毒物质,也没有噪音干扰。

三是原燃料适应性强,燃料电池所用燃料可以多种多样,它都能“消化”,煤、油、气等都可以。

四是用途广,可用于宇宙航天、航空和地面动力供电,适于布置在城乡、海岛、居民区和企业内部热电负荷区。

目前,除单独采用燃料电池发电外,还多采取燃料电池-燃气轮机-汽轮发电机联合运行,组成三合一的燃料电池发电站,从而提高经济性和可靠性。所谓联合运行,就是将用于发电的原燃料先后通过燃料电池、燃气轮机和汽轮发电机的锅炉装置,实现燃料能量的系列转换,三种发电设备同时发电。当燃料电池的燃料利用率为55%时,三种发电装置的功率输出最佳比例为35%,47%,17%。这种联运形式是各国燃料电池应用的重要趋势。

另外,由于燃料电池在工作中还要产生大量热水、热蒸汽,为充分利用这些热能,目前也多采取“热电联用”,这样,能源利用率大为提高,热电综合效率最佳时可达87%。

回顾燃料电池的发展历程,也是既古老又年轻,既坎坷又迅速。这种先进的发电技术原理,早在19世纪前半叶就由英国科学家格劳勃发明了,但由于技术和经济原因,长期未能应用于实际。到本世纪60年代,随着航天技术发展的需要,为解决其电源问题而开发应用了这种发电技术,才由美国公司研制成功,随后就首先随阿波罗登月船上了月球。与此同时,1967美国煤气公司还制订了燃料电池民用计划,开始进行研究开发。随后,日本、欧洲-些国家也参与了这项高技术的研究工作。

国是发展燃料电池最快的国家,到1990年时已有23台燃料电池机组在运行,总装机容量已达11万千瓦。美国发展燃料电池的技术重点是提高燃料利用率,降低燃料电池的生产费用和发电成本,并注重多途径开发技术。

1990年初,美国贝尔实验室采用制造半导体所用的类似技术研制成功了微芯片式燃料电池,它能将混合气体(煤气)做燃料直接转化成电,每公斤煤气可发电1千瓦。这种燃料电池是由一个不到5000亿分之一米厚的可渗透煤气的氧化铝薄膜夹在两个薄铂片之间组成。其优点是重量轻,成本低,充电方便,只需更换煤气胶囊。可取代目前使用的蓄电池和便携式发电器。美国西屋公司已建成磷酸型1500千瓦级的燃料电油电站,现正建造7500千瓦级的新电站。美国还开发成功3千瓦固体燃料电池,正在研制25千瓦级固体电池。

美国能源部最近又研制成功一种陶瓷燃料电池,这种电池是将液体或气体燃料放在两块波纹状陶瓷片里面,使燃料同氧化剂直接进行化学反应获得电能,因而它可不需要一般燃料电池所需的燃料箱。它同其他燃料电池相比,释放的功率高2倍,发电效率已达55%~60%。

日本对燃料电池的开发也比较早,从1961年日本富士电机公司开始研制,到1972年制成10千瓦的碱性电池,1973年又转入磷酸型电池开发,发展也很快。80年代初,日本就将发展燃料电池列人“月光计划”,1986年起在某些地区就已推广燃料电池发电。1991年5月12日,日本东京电力公司在千叶县五井发电厂成功地建成了目前世界上最大功率的磷酸型燃料电池发电装置,输出功率达1.1万千瓦。发电效率为41%。该燃料电池为磷酸水冷式,属第一代产品。据估算,这套燃料电池组进入实用阶段后,至少可满足5000户民用住宅的电力需求,因此,有人把它视为燃料电池步入商业化的第一步,具有较高开发价值。

1989年日本已建成200千瓦的这类电站,正着手建造4500千瓦级的电站。

第二代燃料电池是熔融碳酸盐燃料电池,也已进入工业试验阶段。日本已在30千瓦级水平上获得了成功。第三代燃料电池是固体电解质燃料电池,日本已在1千瓦级水平上试验成功。1991年末,日本各电力公司和城市燃气公司在大阪组成了磷酸型燃料电池发电技术研究合作社,计划在1991年底前建成功率为5000千瓦和1000千瓦的新型燃料电池,1992年,日、美又决定联合共同研制燃料电池,是以气化媒作燃料的加高压反应的类型,目标是在21世纪初,使30万千瓦级电池达到实用化。

日本政府已在实施一项长期的推进燃料电池计划,要在20世纪90年代初在商业区、医院、体育场所等部门大面积地使用燃料电池;90年代中、后期,在工业企业推广;21世纪初达到全国发电总量的13%,使燃料电池成为未来的重要新能源。目前正在筹建5000千瓦级燃料电池电站,能连续运行8000小时,动力效率为40%,混合热效率80%,预计2005年,日本将有1000万千瓦的燃料电池广泛应用于各个领域。

90年代初,日本还开始研制一种超微型“生物燃料电池”,它的原理同以氢为燃料的电池一样,但它是以人的血液中的葡萄糖为主要燃料的。它的主要用途是为人造胰脏器官提供动力,将其埋藏于病人体内。它可产生的最高电压估计为1.1伏特,电流强度为0.1安培。

专家们预测,随着燃料电池发电技术的进一步突破,作为新型电源供应系统,到21世纪中期,有可能取代火力发电,形成强大的燃料电池发电网络,成为重要的二次能源。

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