一、概况
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能,直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。依据电解质的不同,可将燃料电池分为碱性燃料电池(afc)、磷酸型燃料电池(pafc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、固体氧化物燃料电池(sofc)及质子交换膜燃料电池(pemfc)等。
燃料电池具有以下优点:
1.不受卡诺循环限制,能量转换效率高;
2.洁净、无污染、噪声低;
3.模块结构、积木性强,比功率高。既可以集中供电,也适合分散供电。
4.高温型燃料电池可实现热电连供。
我国的燃料电池研究始于1958年,电子工业部天津电源研究所最早开展了mcfc研究。70年代在航天事业的推动下,中国科学院大连化学物理研究所研制成功千瓦级afc。“七五”期间,中国科学院长春应用化学研究所1990承担了中科院pemfc研究任务;1993开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池(dmfc)的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的mcfc原理性电池。“八五”期间,中科院大连化物所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所及清华大学等国内十几个单位进行了与sofc有关的研究。
我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展,积累了一定经验。但是,由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少,就燃料电池技术的总体水平来看,尚与发达国家有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视,1996年和1998年两次香山科学会议对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论,强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。
二、燃料来源与资源评估
从理论上讲,任何能发生电化学氧化还原反应的气体均可作为燃料电池的燃料或氧化剂。氢气是燃料电池常用的燃料气。氧是燃料电池中常用的氧化剂,它能很方便地从空气中获取。在地球周围单质氢是极少的,在地壳中的某些特定条件下虽然也有氢气存在,但都难于开采与回收。然而,氢具有高的电化学反应活性,可以从石油、天然气、甲醇、烃类或煤等通用燃料中转化而得。生物质能也是氢的重要来源,如:细菌制氢、发酵制氢及沼气回收等。工业副产氢也是燃料电池获得燃料的有效途径。据统计我国在合成氨工业中氢的年回收量可达标14&:acute:108m3;在氯碱工业中有87&:acute:106m3的氢可供回收利用。此外,在冶金工业、发酵制酒厂及丁淳溶剂厂等生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量,估计可达标15亿立方米以上。
除氢气之外,还有一些气体如co也可作为mcfc与sofc的燃料。这样,天然气、管道煤气均是大型燃料电池发电站可资利用的丰富燃料资源。从长远发展看,高温型mcfc和sofc系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径,因此,我国丰富的煤炭资源也是燃料电池所需燃料的巨大来源。
未来大规模推广使用燃料电池仍需要解决氢源问题。从石油、天然气和煤等化石燃料中制取氢气,从长远考虑仍存在着资源枯竭问题。众所周知,水是由氢和氧组成,因此大量的氢可从水中提取,特别是海水,真是取之不尽,用之不竭。我们将这一美好理想,寄希望于太阳光能制氢的实现。