商用可行的燃料電池.doc

商用可行的燃料電池柏克莱实验室的研究人员开发出一种可望如最具效率之燃气涡轮机(gasturbine)一样廉价产生电力的固态氧化物燃料电池(SOFC)。该可为服务社区及工业区之无污染电力产生装置铺路的新方法在於使用较坚固、更易於制造及(最重要)更廉价之不锈钢支撑的电极来取代陶瓷电极。不锈钢电极的优点标志了推动开发商用可行之燃料电池(fuelcell)的转捩点。与材料科学部研究同仁CraigJacobson及LutgardDeJonghe合作开发SOFC技术的SteveVisco表示每千瓦400美元是美能源部由政府、工业界及科学团体等竭力於开发以燃料电池为基础之廉价电力产生装置的固态能源转换联盟所确认且令人信服的障壁。燃料电池藉由利用氢与氧结合形成水的强烈倾向将化学能转变成电能。不像燃气涡轮机此过程不会排出诸如氧化亚氮(nitrousoxide)及二氧化硫等空气污染物。燃料电池比燃气涡轮机更具效率且排放少很多的温室气体`二氧化碳。SOFC是由夹於具渗透性的阴极与阳极层间不透气的电解质层所组成。来自空气的氧流经阴极而含有氢的燃料气体(诸如甲烷)流过阳极。带负电荷的氧离子移越电解质薄膜与氢形成水而与甲烷燃料形成二氧化碳及氢。此电化学反应产生从阳极流向外部负载而後回到阴极的电子。为增加电压输出几个燃料电池能被堆叠在一齐。这是形成洁净电力产生装置核心而被称为燃料电池堆(fuelcellstack)的一种组态。Visco与其同仁设计廉价燃料电池的尝试开始於几年前当他们研发将燃料电池运作温度降至800。C且不会折损效率的方法时。当时燃料电池於1000。C运作最具效率不过在此高温下既减损电池寿命且阻碍了金属元件的使用。因而他们研发了一种能於800。C而与较厚电极於1000。C同样迅速传导离子的极薄陶瓷电极。不过Visco宣称CraigJacobson怀疑支撑自身的电极能否由坚固、廉价且立即可资使用的金属来制造。心系於此他们研发出一种氧化锆为基础的电解质而以10到15微米成层堆积於10到20微米以镍为基础之电极上为特色的燃料电池。此些聚在一齐是藉由密接於约略2毫米具渗透性的高强度合金来支撑。该合金是利用被用来制造应用於高温之金属过滤装置的相同过程所制造粉状的钢铁於会产生具渗透性金属之无氧环境中被烧制。此种不锈钢合金比陶瓷制品更坚固且不像陶瓷制品其能进行熔接、铜焊、鎚打及加压密封。此外不锈钢的成本每磅约2美元而氧化锆每磅介於30到60美元间。整体说来以燃料电池为基础的电力产生装置其成本1/3在於实际的燃料电池堆其他2/3在於诸如绝缘材料与交直流转换器等外部`配电设备(plumbing)`。这意味倘若整体装置迎合了每千瓦400美元的目标该燃料电池堆每千瓦不应超出130美元。为迎合400美元之电力产生装置的目标柏克莱实验室的燃料电池目前必须研发为在同一平面及管状的堆叠设计且与低成本的转换器及其他支撑技术配对成组。最後此类技术在迎合国家对於在空气污染上不会招致相对跃升之日益成长的电力需求上可能扮演关键角色。根据美能源部最近一份报告每年的能源需求2020年时将从目前3亿6千3百万千瓦增加到7亿5千万瓦。使用燃料电池的分散式电力产生装置可提供解决方案。此方案中小型的电力产生装置能为医院、住宅区及制造业的工厂提供服务。这与当今散乱的电力配电网截然不同於配电网中大型电厂经由到达客户前就耗损1/3所产电力的数哩电力线来馈送。而这种产生3到10兆瓦的电力产生装置却能安置於或靠近用户的地方。虽然大型燃气涡轮机及最佳的燃料电池两者皆夸称拥有50%的能量转换效能不过小型燃气涡轮机会降低其效能而燃料电池的电力产生装置无论大小为何其效能如故这意味理论上其适合作为分散式及可移式的小型发电厂。