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今日之燃料电池
发布时间:2015-07-17     作者:Dick Caro CMC 联合公司
摘要:几十年以来我们一直听说关于燃料电池承诺在使用的时候可以提供清洁可靠的电能。这项技术最早在19世纪30年代被提及,其方法是将化学能直接转化为直流电能,而不需要燃烧过程。

 激发科技发展
  几十年以来我们一直听说关于燃料电池承诺在使用的时候可以提供清洁可靠的电能。这项技术最早在19世纪30年代被提及,其方法是将化学能直接转化为直流电能,而不需要燃烧过程。
  能量是在氢气和氧化剂混合之后,通过一个阴极、一个阳极和众多可用的中间电解质材料产生的。我们的星球上几乎没有纯的氢气,因此最常用的氢分子来源是天然气。有些其他的燃料也可以作为氢气使用,包括沼气、柴油燃料或丙烷。
  起源于太空计划
  我们是在20世纪60年代的太空计划中听到燃料电池的应用的,当时很乐观的预测认为在不久的将来燃料电池就会成为我们社会的主要能源。这些预测当然是乐观的有点疯狂。对于太空飞船来说,小尺寸的能源输入既实用又必要,而对于家用、商用或工业使用,从经济角度来看没有发展规模。
  近年来的发展见证了燃料电池终于成为令人关注的主流应用的选择。对于远距离通讯站点,它们可以作为备用供电,甚至某些场合的主要供电方式。它们成功的一个关键因素是有广泛分布的天然气经济可用。由垃圾填埋和沼气池产生的沼气不断增加,使燃料电池作为一种替代燃料成为发电行业令人关注的应用。
  第二个关键因素是将氢气从来源中以更高的效率提取出来的氢气转化炉得到了发展。转化炉可以作为外部设备将氢气注入到燃料电池,也可以设计在燃料电池自身内部。
  第三,新类型的燃料电池已经被研制出来,相比老的技术,更加简单、电解质寿命更长。经过研发,燃料电池使用的电解质包括融熔碳酸盐、质子交换膜(PEM)、磷酸以及不断增加的固态氧化剂设计。
  多电池组合
  有些系统具有单独电池,所产生的电压和直流电流能量相对较低。通过堆叠多个单独电池并将多个堆叠并列运行,会获得高得多的输出。对于输出在数百甚至数千千瓦的系统,通常会将直流输出电流转化为交流电流。
  燃料电池发电经常会伴随着很高的热量输出,可以用在家庭或甚至工业用途。如果充分利用热能副产品,可以实现系统的效率高达90%。然而,要想完全实现这样的高效率,必须具有与燃料电池运行模式相匹配的热能副产品应用装置。可是对于使用燃料电池的偏远地区的电力装置、或很多工业的、商业的或公共机构装置,这往往不太可能。特别是在这些情况下,发电效率是人们格外关注的。

 固态氧化电解质方式
  如上文所提,一种新型的引起关注的燃料电池电解质是固态氧化剂燃料电池。这些电池有望实现比许多其它系统类型获得更高的电气效率和更长的运行寿命,且对于制作精良的电解质保护壳机构的需求更少。
  各个生产商都有其自有的电解质设计,而且绝大多数都为阳极和电解质采用陶瓷衬底,与电解质混合或对其进行处理的化合物包含了各种不同形式和组合的稀有金属,例如钇、镧、钆。其目标是在不会过度缩短电池寿命的温度下实现最大效率。大多数固态氧化剂燃料电池的内部运行温度都在500℃到1000℃(932F到1832F)之间。
  陶瓷电解质
  如今最著名的燃料电池生产商之一是位于加利福尼亚州森尼韦尔市的布鲁姆能源公司,它在新泽西州的纽瓦克有生产中心。布鲁姆燃料电池的特点是陶瓷电解质,并具有为支持发电化学反应而特别处理的表面。每一个电池产生25瓦的电能,数千个电池堆叠起来,这些堆叠经过组合构成了多个100kW/AC和200kW/AC的发电单元。
  根据布鲁姆公司的发言人Alanna Gino所说,他们的系统的发电效率比较高,因此不需要依赖副产品热能回收来使其系统更加经济更加有吸引力。Gino表示,“布鲁姆能源公司的燃料电池为现场发电提供了一种清洁的、可靠的、经济有效的解决方案,并且消除了依赖传统电网所带来的运行方面、环境方面以及经济方面的风险。用户的获益包括其项目的可预测性以及长期成本节省,除此以外还减少了温室气体的排放以及用水量。”

 模块化方式
  布鲁姆能源公司的产品被设计为“能源服务器”,所提供的每个单元的大小分为100kWe及200kWe。能源服务器经常组合在多单元的包装中。Gino表示,“布鲁姆能源服务器是模块化并可扩展的,很容易适应各种地理和工厂类型的现场安装。它们服务的行业和领域广泛,包括零售业、物流、科技、制造业、金融服务、食品饮料、数据中心、生物科技、安全健康以及政府机构和非营利组织。”
  安装数量不断增加
  Gino指出,经济的可靠的天然气和沼气资源为扩大燃料电池的使用提供了稳定的供给以及有吸引力的经济的方案。迄今为止,在美国和日本一共装备了超过140MWe的容量。大规模的单体安装包括犹他州的易趣公司的6MWe,北卡罗来纳州的苹果公司的10MWe, 以及特拉华州德玛瓦半岛的30MWe。
  一个值得考虑的选项
  专家们对于过度夸大燃料电池在我们未来的能源计划中所发挥的作用表示必要的谨慎态度。我们在过去犯过这样的错误。不过随着电池单元效率的提高、电解质生命的延长以及经济的天然气供给都使得模块化燃料电池成为一个值得考虑的选项。如今的时代面临严格的排放控制以及可选的能源方式变得有限,燃料电池正在发挥其自己的作用。