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谢峰1(), 孟海军2, 雷宪章3, 李新中4, 丁飞5, 邵志刚1(
)
收稿日期:
2025-04-01
修回日期:
2025-04-29
通讯作者:
邵志刚
E-mail:xiefeng0794@dicp.ac.cn;zhgshao@dicp.ac.cn
作者简介:
谢峰(1987—),男,博士,副研究员,从事燃料电池系统研究,E-mail:xiefeng0794@dicp.ac.cn;
Feng XIE1(), Haijun MENG2, Xianzhang LEI3, Xinzhong LI4, Fei DING5, Zhigang SHAO1(
)
Received:
2025-04-01
Revised:
2025-04-29
Contact:
Zhigang SHAO
E-mail:xiefeng0794@dicp.ac.cn;zhgshao@dicp.ac.cn
摘要:
甲醇具有成本低、易储运、获取便捷等特点,“液态阳光”甲醇是我国能源结构绿色低碳发展的重要载体。基于甲醇的燃料电池在便携式电源、移动/固定式电站、车船动力等领域有广泛应用前景。本文介绍了各类甲醇燃料电池的类型与特点,从电效率角度分析了甲醇制氢与燃料电池的温度匹配、反应余热利用及发电效率的研究和应用进展。直接甲醇燃料电池功率密度较低、工作温度低、贵金属催化剂载量高,适用于便携式电源。甲醇重整制氢经纯化接氢燃料电池,因重整制氢难以充分利用氢燃料电池的副产热,系统综合电效率受限,但该技术路线成熟度高、小型化前景好,适用于各类电站。甲醇重整高温质子交换膜燃料电池电堆反应温度约200℃,改进传热结构可提高发电余热利用率,从而有望提升系统电效率,但仍需提高高温质子交换膜的寿命,降低催化剂用量。甲醇固体氧化物燃料电池的电堆反应温度高,余热可充分用于甲醇水溶液汽化和重整制氢,具有最高的理论电效率,研究重点在阳极抗积碳和改进高温热传导结构。最后本文总结各类甲醇燃料电池的热利用特点,提出了“定温度、调效率、强耦合”的燃料电池系统设计原则,以提高甲醇燃料电池的综合系统电效率。
中图分类号:
谢峰, 孟海军, 雷宪章, 李新中, 丁飞, 邵志刚. 高效甲醇燃料电池技术研究进展[J]. 储能科学与技术, doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0314.
Feng XIE, Haijun MENG, Xianzhang LEI, Xinzhong LI, Fei DING, Zhigang SHAO. Research Progress of High-Efficiency Methanol Fuel Cell Technology[J]. Energy Storage Science and Technology, doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0314.
表1
各类甲醇燃料电池技术比较"
原理 | 电化学反应温度 | 综合电效率 | 特点 | 适用领域 | |
---|---|---|---|---|---|
直接甲醇燃料电池 | 通过电化学反应将甲醇水溶液的化学能转化为电能 | 室温~80 ℃ | 25~35% | 装置结构简单、比能量高、启动快;贵金属催化剂用量高、电流密度低 | 便携式电源 |
甲醇重整纯化质子交换膜燃料电池 | 甲醇经重整、纯化制备高纯氢气,通过质子交换膜燃料电池发电 | 室温~100 ℃ | 35~45% | 纯化技术多样,装置向小型化轻量化发展;发电余热难被制氢利用; | 各类电站 |
甲醇重整高温质子交换膜燃料电池 | 甲醇重整气不经纯化进入高温质子交换膜燃料电池发电 | 160~200 ℃ | 35~45% | 产氢无需纯化,装置集成度较高,发电余热可部分被制氢利用 | 十千瓦级以内电站、增程器 |
甲醇固体氧化物燃料电池 | 甲醇在SOFC中内重整再发电 | 700-1000 ℃ | 30~60% | 启动慢、启停次数受限,发电余热易被重整利用 | 长时持续供电电源 |
表2
甲醇重整制氢反应类型及特点"
重整反应 | 反应式 | 反应温度 | 特点 | |
---|---|---|---|---|
甲醇水蒸气重整 | CH3OH + H2O H2 + CO2 | ~ 260℃或~400 ℃ | 启动较慢,H2含量高,需要外部供热 | |
甲醇裂解制氢 | CH3OH | ~ 260 ℃ | 反应快,需要外部供热,易积碳、H2含量低 | |
部分氧化制氢 | CH3OH + 1/2O2 | ~ 350 ℃ | 易启动、反应迅速,局部过热积碳、产物中H2含量低 | |
自热重整制氢 | CH3OH + (1-2a)H2O + aO2 | 0 | ~ 500 ℃[ | 易启动、反应快;局部过热积碳、H2含量低; |
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