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美国西北太平洋国家实验室开发出小规模高效固体氧化物燃料电池  

2012-06-12 20:24:01|  分类: 科学与生活 |  标签: |举报 |字号 订阅

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研究人员采用的微通道设计工艺

 

    风力发电没有条件,太阳能电池效率太低,燃油发电机太不环保……如果这些能源都无法满足你的需求,固体氧化物燃料电池(SOFC)或许是一个不错的选择。据物理学家组织网报道,美国西北太平洋国家实验室日前开发出一种高效率的小规模固体氧化物燃料电池,能源转化效率可达57%,其试验系统可产生2千瓦的电力,非常适合家庭使用。加之其高效环保的优势,有望让每家都拥有一个“发电站”成为现实。

    什么是SOFC

    在了解固体氧化物燃料电池之前,我们需要先知道什么是燃料电池。从外观上看起来,燃料电池就像是一个蓄电池,有阴极、阳极也有电解质。但它们最大的不同之处在于,蓄电池是一个储电装置,燃料电池是一个发电装置,它能够让具有可燃性的燃料与氧反应产生电。因此只要有持续的燃料供应,燃料电池就能源源不断地产生电力。

    燃料电池最大的优势是高效和环境友好。目前普通燃油发电机只能把18%的化学能转化为电能,如果是汽车发动机,其最终转化率还不足15%。相比之下,不少燃料电池都可以实现30%到50%的转化率。高效率意味着燃料电池能够在消耗更少燃料、产生更少污染的情况下,产生与传统发电厂相同的电量。

    固体氧化物燃料电池是新一代燃料电池,能够在高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能。无论是氧气、沼气、氢气还是柴油、汽油,都可以作为其发电的燃料。与其他燃料电池相比,固体氧化物燃料电池还具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点。

    着眼于小放眼于大

    固体氧化物燃料电池是一种很有前途的技术,能够提供清洁高效的能源。到目前为止,大多数人都将注意力集中在能产生1兆瓦或更多电力的、可取代传统发电站的较大系统的研究上,以期产生突破性的成果。为何西北太平洋国家实验室的科学家非要剑走偏锋,将注意力集中在小系统的研发上呢?

    该实验室固体氧化物燃料电池项目首席工程师文森特·斯普瑞克解释说:“因为小系统也有优势,有时候甚至还能胜过大系统。”家庭和社区用户就是这样一个实例:如果安置大型系统,其产生的电力将超过附近地区的耗电量,如此一来就必须通过输电线路将其输送到其他地方。而这一过程必然会造成一些电力的损耗。另一方面,小系统更加轻便灵活,安装位置可以更靠近用户,输送成本和损耗会更低,如果需要的话还能将其集成起来形成更大的系统。

    为此,科学家们提出了一个设想,这个小型发电系统既要在效率上超过50%,又要在需要时能够轻松扩展进行分布式发电。

    两项创新解难题

    为了实现这一目标,让小型系统产生接近甚至高于大型系统的效率,研究人员采用了两项名为微通道和燃料循环的工艺。

    固体氧化物燃料电池由陶瓷材料制成,分为正极、负极和电解液三个层次。工作时,经过压缩的空气预热后首先被泵入作为负极的外层,空气中的氧气会变成带负电荷的超氧阴离子。而后负极和内部的电解质层相接,氧离子穿过电解液达到正极层,在那里氧离子与燃料发生反应产生电及副产品蒸汽和二氧化碳。4

    但此前的方法是让蒸汽直接暴露于燃料电池之中,这会导致燃料电池中的陶瓷层受热不均甚至损坏。新研究中,科学家们采用了一种微通道技术,让蒸汽从外部完成和燃料电池的初步反应,不但减少了电池的损坏,还增加了反应的表面积,提高了反应效率。通过该技术,反应过程中的余热和废气也能重新得到利用,又进一步减少了燃料的消耗。

    实验显示,经过优化后的系统在2.2千瓦时、1.7千瓦时的效率分别可以达到48.2%和56.6%。研究小组预计,只需再进行几个小的调整,他们还能将系统效能提高到60%。这不但高于内燃机15%的效率,也远高于同等体积的其他燃料电池30%到50%的效率。他们制造的单个试验系统已能产生2千瓦的电力,这与一个典型的美国家庭的耗电量大体相当。经过扩展后,该系统还能升级到100千瓦至250千瓦之间,能够满足50个至100个美国家庭的用电需求。

    斯普瑞克对这一结果十分满意。他说:“虽然这种小型固体氧化物燃料电池成本较高,目前还无法大规模推广,但这项工作向人们证实了这种技术的可行性,说明在增加发电量的同时减少二氧化碳排放并不是痴心妄想。”他希望这项技术能尽快在单个家庭或公司获得应用。

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