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廉价柴油供氢固体酸燃料电池

光电技术研究所 免费考研网/2016-01-18

北欧能源系统公司(Nordic Power Systems),是挪威一家专为军队生产发电机的公司,目前正在开发基于新型燃料电池的无声柴油发电机。该公司已经成功测试了一款输出功率为250 W的固体酸燃料电池,该款电池是由美国加州理工学院SAFCell公司开发的。目前,这两家公司正在联合攻克1.2 kW的发电系统。

虽然固体燃料电池还处于初期开发阶段,但SAFCell公司表示,这种电池比传统的燃料电池更简单,其中的关键组成,如电解质,可以从相对廉价的材料中获取。开发这项技术的研究人员认为,这种固体燃料电池成本低廉,足以取代高效发电厂使用的涡轮机。

新型发电机运行时,需要利用柴油产生氢气,这一过程被称为重整化(燃料被加热,但不燃烧,而是与空气和水蒸气混合)。随后,氢气输入燃料电池进行发电。和已经在汽车中试用的燃料电池不一样,这种新型燃料电池会融入一氧化碳等杂质,这些杂质会混杂在由柴油产生的氢气之中。SAFCell公司的首席执行官Calum Chisolm表示,如果进行大规模生产,这种新型燃料电池的生产成本要廉价许多,低于BloomEnergy公司出售的高温固体氧化物燃料电池(SOFC),因为新型燃料电池操作温度更低,不需要使用昂贵的耐热材料。右图是SAFCell公司的两种燃料电池组样品(均由10个燃料电池单体组成),所用氢来自柴油燃料,其中最高甚至可以掺杂高达20%的一氧化碳。

新型发电机其燃料供应可以是生物柴油或普通柴油,由于该装置效率比较高,与传统内燃机相比,该重整过程产生的CO2会低些;同时不会产生柴油颗粒、碳烟灰、NOx、CO等,也不会产生烟和气味。所以相当环保。

十年前,固体酸燃料电池第一次在实验室中测试。这种电池是基于固体酸,善于传导氢离子或质子,这一类化合物是在上世纪80年代被发现的,当时被认为不适用于燃料电池,因为它们会溶解于水,水的产生是因为燃料电池会使氢和氧结合。加州理工学院材料科学和化学工程专业的教授Sossina Haile和同事找到了一个简单的方法来解决这个问题:升高燃料电池的操作温度,使水变为蒸汽,这就不会使固体酸溶解。

这样产生的固体酸燃料电池兼具聚合物电解质燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的优点。PEMFC可以在低温下运行,使用起来很方便。但在低温条件下,一氧化碳会富集在催化剂上,阻碍催化剂正常发挥作用。因此,这种电池需要使用的精制氢燃料无法广泛获取。而新型固体酸燃料电池则可在较高温度下运行(250℃而不是90℃),所使用的氢燃料就可以现场取自天然气或其他相对较“污染”的燃料,比如柴油。比起氢气来,这些燃料的获取要方便许多。

在燃料的适用范围上,新型燃料电池与SOFC相差无几,但后者的操作温度通常高达800-1000℃,需要使用昂贵的材料。Chisolm表示,一旦进入商业化生产,新型燃料电池的成本有望与Bloom Energy出售的SOFC持平,但随着一系列成本削减技术的开发和实施,他们的电池成本将会很快降低至Bloom的固体氧化物电池的十分之一。

凯斯西储大学的化学工程学教授Robert Savinell认为,关键的挑战在于减少铂催化剂的使用量。Haile和SAFCell公司的研究人员已经确认了一种铂-钯催化剂和催化剂沉积方法,这种方法既可以减少铂的使用量又能提高输出功率,但目前铂的使用量依然需要进一步减少。该研究小组正在开发新型催化剂,可利用的优势是,电池系统工作温度可相对较低。

对铂进行回收利用是另一种可选方案。Chisolm认为,这种方法相对简单。结合良好的融资规划,这一方案会使燃料电池降到每千瓦1000美元的成本关口,众多分析人士认为,一旦突破这个关口,燃料电池就有望被大规模采用。

关于该发电机的市场,NPS总经理Engebretsen指出由于该项技术极具拓展性,其未来可以应用于电动车。但是NPS目前将其应用划分为几个阶段来完成。其最初的市场定位是在国防业。据悉,NPS已经与挪威皇家武装部队达成了一份技术开发协议,同时其也与英国Marshall Land Systems公司签署了一份产品协议,将为英国武装部队提供发电机。如果一切按计划进展顺利的话,这一装置将于2011年中期面向市场发布,而固体酸燃料电池将晚些时候引入市场。另外,其在挪威的一个装配厂计划于2012年早些时候建成,挪威工业发展公司作为承包商。


小电池输出功率30 W, 大电池输出功率200 W

编译自:http://www.technologyreview.com/energy/26594/

检索时间:2010年10月28日
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