- 管式固體氧化物燃料電池的數(shù)值分析優(yōu)化
- 于子冬 孔為 陳代芬等
- 1029字
- 2019-01-04 21:14:43
1.2 燃料電池發(fā)展歷程
燃料電池（Fuel Cells）是一種避開燃燒過程而直接把燃料內的化學能轉變?yōu)殡娔艿脑O備，更精確的名稱應為化學發(fā)動機[15，16]。與傳統(tǒng)內燃機不同，燃料沒有經(jīng)過先燃燒釋放熱量再轉化為機械能或電能，而是一種以化學反應的方式將燃料中儲存的能量直接轉為電能的裝置，其能量轉換效率不受卡諾循環(huán)的限制[17]；與普通電池（Battery）的區(qū)別在于，雖然二者都依賴于電化學原理工作，但燃料電池的活性物質是由外部輸入，輸出電時本身并不被消耗，而普通電池的容量是由其內部的活性物質總量決定。由于這種裝置的結構和電池相近，均具有陰極、陽極和電解質等組成部分，因此俗稱燃料電池。
燃料電池的發(fā)展始于1839年，英國科學家Grove首次用鉑黑電極和硫酸電解質組裝了世界上第一個燃料電池，即氫-氧燃料電池，輸入氫氣和氧氣后，內部的化學能轉化為電能[18]，是我們熟悉的水的電解反應的逆過程，如圖1.1所示為一個簡單的燃料電池示意圖。
圖1.1 一個簡單的燃料電池[18]
Figure 1.1 A simple device of fuel cell [18]
半個多世紀后，燃料電池裝置走向實用化。1889年，英國人Mond用工業(yè)煤氣作燃料制造出電流密度為0.2A/cm2的燃料電池[18]。隨后德國化學家Ostwald使用熱力學理論，奠定了燃料電池的電化學理論基礎[19]。
20世紀50年代之后，燃料電池發(fā)展提速，英國科學家Bacon設計制造出了千瓦（kW）級的可供電焊使用的燃料電池，60～70年代成功地為航天飛機和Appollo宇宙飛船提供電力，見圖1.2（a）和（b），但由于造價昂貴，這個時期燃料電池只用于軍事和航天領域[20]。
圖1.2 燃料電池的運用實例[21]
Figure 1.2 Application examples of fuel cell[21]
20世紀80年代以來，燃料電池的發(fā)展邁向了民用推廣，應用在便攜裝置、分布式電站、交通工具等方面[18]。2000年5月，Siemens-Westinghouse電力公司在美國建成世界上第一臺燃料電池發(fā)電站，功率達到220kW，發(fā)電效率58%，安全運行至今無故障[22]，如圖1.3所示。
圖1.3 西屋電力公司220kW燃料電池電站[22]
Figure 1.3 Westinghouse Electric Company 220kW fuel cell power plant[22]
2007年General Motors公司的一款雪弗蘭汽車由燃料電池提供動力，它不排放任何尾氣，其唯一的排放物就是水，燃料電池組由440塊電池串聯(lián)組成，電力輸出可達93kW，0～100km/h的加速只要12s，最高時速可達每小時160km[23]，如圖1.4所示。
圖1.4 裝備燃料電池的汽車[23]
Figure 1.4 Car equipped with fuel cells[23]
燃料電池發(fā)展至今，出現(xiàn)了許多類型。按電解質材料的不同來劃分，燃料電池可分為五大類：固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、堿性燃料電池（AFC）和磷酸鹽燃料電池（PAFC）[24]，每一種類型的燃料電池都有其各自的優(yōu)缺點，分別應用于不同的領域。表1.1列出了它們的主要區(qū)別。
表1.1 五類燃料電池的區(qū)別[24]
Table 1.1 The difference of 5 types fuel cells[24]
①1atm=101325Pa。