燃料电池 百科内容来自于: 百度百科

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 2014年2月19日据物理学家组织网报道,美国科学家开发出一种直接以生物质为原料的低温燃料电池。这种燃料电池只需借助太阳能或废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有机肥料转化为电能,能量密度比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍。

技术原理

燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。
燃料电池
燃料电池其原理是一种电化学装置,其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部,因此,限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给,进行反应。原则上只要反应物不断输入,反应产物不断排除,燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池
氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为: 负极:H2 +2OH-→2H2O +2e-
正极:1/2O2 H2O 2e-→2OH-
电池反应:H2 1/2O2==H2O
另外,只有燃料电池本体还不能工作,
燃料电池
必须有一套相应的辅助系统,包括反应剂供给系统、排热系统排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极(阳极)和空气极(阴极)、及两侧气体流路构成,气体流路的作用是使燃料气体和空气(氧化剂气体)能在流路中通过。
在实用的燃料电池中因工作的电解质不同,经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子(H )相关,发生的反应为:
燃料极:H2=2H 2e-(1)
空气极:2H 1/2O2 2e-=H2O(2)
全体:H2 1/2O2=H2O(3)
氢氧燃料电池组成和反应循环图
在燃料极中,供给的燃料气体中的H2分解成H 和e-,H 移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路,再反回到空气极侧,参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路,因而就构成了发电。并且从上式中的反应式(3)可以看出,由H2和O2生成的H2O,除此以外没有其他的反应,H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上,伴随着电极的反应存在一定的电阻,会引起了部分热能产生,由此减少了转换成电能的比例。 引起这些反应的一组电池称为组件,产生的电压通常低于一伏。因此,为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离,采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件,PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定,电流与电池中的反应面积成比。
PAFC的电解质为浓磷酸水溶液,而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体,为了促进反应,以Pt作为触媒,燃料气体中的CO将造成中毒,降低电极性能。为此,在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量,特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。
磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是:燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器,把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物,CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极),同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应,借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。
相对PAFC和PEMFC,高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒,以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用,而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。
MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质(通常是为Li与K混合的碳酸盐)和上下与其相接的2块电极板(燃料极与空气极),以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等,电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体,形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体,气室的形成采用抗蚀金属。
MCFC工作原理。空气极的O2(空气)和CO2与电相结合,生成CO23-(碳酸离子),电解质将CO23-移到燃料极侧,与作为燃料供给的H 相结合,放出e-,同时生成H2O和CO2。化学反应式如下:
燃料极:H2 CO23-=H2O 2e- CO2(4)
空气极:CO2 1/2O2 2e-=CO23-(5)
全体:H2 1/2O2=H2O(6)
在这一反应中,e-同在PAFC中的情况一样,它从燃料极被放出,通过外部的回路反回到空气极,由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外,MCFC的最大特点是,必须要有有助于反应的CO23-离子,因此,供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且,在电池内部充填触媒,从而将作为天然气主成份的CH4在电池内部改质,在电池内部直接生成H2的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下,其主成份CO和H2O反应生成H2,因此,可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力,隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。
SOFC是以陶瓷材料为主构成的,电解质通常采用ZrO2(氧化锆),它构成了O2-的导电体Y2O3(氧化钇)作为稳定化的YSZ(稳定化氧化锆)而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷,空气极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同,电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等,开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外,还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下:
燃料极:H2 O2-=H2O 2e-(7)
空气极:1/2O2 2e-=O2-(8)
全体:H2 1/2O2=H2O(9)
燃料极,H2经电解质而移动,与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中,因其属于高温工作型,因此,在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用,并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。

基本特点

燃料电池涉及化学热力学电化学电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论,具有发电效率高、环境污染少等优点。
总的来说,燃料电池具有以下特点:能量转化效率高;它直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%~60%,而火力发电和核电的效率大约在30%~40%。安装地点灵活;燃料电池电站占地面积小,建设周期短,电站功率可根据需要由电池堆组装,十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站,或是作为小区工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。负荷响应快,运行质量高;燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。
由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能,因此,它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉汽轮机、发电机的能量形态变化,可以避免中间的转换的损失,达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点:
不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率;
不管装置规模大小均能保持高发电效率;
具有很强的过负载能力;
通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛;
发电出力由电池堆的出力和组数决定,机组的容量的自由度大;
电池本体的负荷响应性好,用于电网调峰优于其他发电方式;
用天然气和煤气等为燃料时,NOX及SOX等排出量少,环境相容性优。
如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。
燃料电池的优势,科技手段中,尚没有一项能源生成技术能如燃料电池一样将诸多优点集合于一身。
能源安全性。自1970年代的石油危机后,各大工业国对石油的依赖仍有增无减,而且主要靠石油输出国的供应。美国载客车辆每日可消耗约600万桶油,占油料进口量之85%。若有20%的车辆采用燃料电池来驱动,每日便可省下120万桶油。
国防安全性。燃料电池发电设备具有散布性的特质,它可让地区摆脱中央发电站式的电力输配架构。长距离、高电压的输电网络易成为军事行动的攻击目标。燃料电池设备可采集中也可采分散性配置,进而降低了敌人欲瘫痪国家供电系统的风险。
高可靠度供电。燃料电池可架构于输配电网络之上作为备援电力,也可独立于电力网之外。在特殊的场合下,模块化的设置(串联安装几个完全相同的电池组系统以达到所需的电力)可提供极高的稳定性。
燃料多样性。现代种类繁多的电池中,虽然仍以氢气为主要燃料,但配备「燃料转化器(或译重组器,fuel reformer)」的电池系统可以从碳氢化合物或醇类燃料中萃取出氢元素来利用。此外如垃圾掩埋场、废水处理场中厌氧微生物分解产生的沼气也是燃料的一大来源。利用自然界的太阳能及风力等可再生能源提供的电力,可用来将水电解产生氢气,再供给至燃料电池,如此亦可将「水」看成是未经转化的燃料,实现完全零排放的能源系统。只要不停地供给燃料给电池,它就可不断地产生电力。
高效能。由于燃料电池的原理系经由化学能直接转换为电能,而非产生大量废气与废热的燃烧作用,现今利用碳氢燃料的发电系统电能的转换效率可达40~50%;直接使用氢气的系统效率更可超过50%;发电设施若与燃气涡轮机并用,则整体效率可超过60%;若再将电池排放的废热加以回收利用,则燃料能量的利用率可超过85%。用于车辆的燃料电池其能量转换率约为传统内燃机的3倍以上,内燃引擎的热效率约在10~20%之谱。
环境亲和性。科学家们已认定空气污染是造成心血管疾病、气喘及癌症的元凶之一。最近的健康研究显示,市区污染性的空气对健康的威胁如同吸入二手烟。燃料电池运用能源的方式大幅优于燃油动力机排放大量危害性废气的方案,其排放物大部份是水份。某些燃料电池虽亦排放二氧化碳,但其含量远低于汽油之排放量(约其1/6)。
燃料电池发电设备产生1000仟瓦-小时的电能,排放之污染性气体少于1盎斯;而传统燃油发电机则会产生25磅重的污染物。因此,燃料电池不仅可改善空气污染的情况,甚可能许给人类未来一片洁净的天空。
可弹性设置 / 用途广。燃料电池的迷人之处在于其多样风貌。除了前述的集中分散两相宜的特点外,它还具有缩放性。利用黄光微影技术可制作微型化的燃料电池;利用模块式堆栈配置可将供电量放大至所欲的输出功率。单一发电元所产生的电压约为0.7伏特,刚好能点亮一只灯。将发电元予以串接,便构成燃料电池组,其电压则增加为0.7伏特乘以串联的发电元个数。
燃料电池的劣势主要是价格和技术上存在一些瓶颈,摘列如下:
燃料电池造价偏高:车用PEMFC之成本中质子交换隔膜(USD300/m2)约占成本之35%;铂触媒约占40%,二者均为贵重材料。
反应/启动性能:燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。反应性可藉增加电极活性、提高操作温度及反应控制参数来达到,但提高稳定性则必须避免副反应的发生。反应性与稳定性常是鱼与熊掌不可兼得。
碳氢燃料无法直接利用:除甲醇外,其它的碳氢化合物燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后,方可供现今的燃料电池利用。这些设备亦增加燃料电池系统之投资额。
氢气储存技术:FCV的氢燃料是以压缩氢气为主,车体的载运量因而受限,每次充填量仅约2.5~3.5公斤,尚不足以满足现今汽车单程可跑480~650公里的续航力。以-253℃保持氢的液态氢系统虽已测试成功,但却有重大的缺陷:约有1/3的电能必须用来维持槽体的低温,使氢维持于液态,且从隙缝蒸发而流失的氢气约为总存量的5%。
氢燃料基础建设不足:氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模,但全世界充氢站仅约70站,仍值示范推广阶段。此外,加气时间颇长,约需时5分钟,尚跟不上工商时代的步伐。

组成结构

燃料电池的主要构成组件为:电极(Electrode)、电解质隔膜(Electrolyte Membrane)与集电器(Current Collector)等。
  1、电极
  燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所,其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。
  电极主要可分为两部分,其一为阳极(Anode),另一为阴极(Cathode),厚度一般为200-500mm;其结构与一般电池之平板电极不同之处,在于燃料电池的电极为多孔结构,所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体(例如氧气、氢气等),而气体在电解质中的溶解度并不高,为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用,故发展出多孔结构的的电极,以增加参与反应的电极表面积,而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。
  目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成,例如固态氧化物燃料电池(简称SOFC)的Y2O3-stabilized-ZrO2(简称YSZ)及熔融碳酸盐燃料电池(简称MCFC)的氧化镍电极等,而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成,例如磷酸燃料电池(简称PAFC)与质子交换膜燃料电池(简称PEMFC)的白金电极等。
  2、电解质隔膜
  电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂,并传导离子,故电解质隔膜越薄越好,但亦需顾及强度,就现阶段的技术而言,其一般厚度约在数十毫米至数百毫米;至于材质,目前主要朝两个发展方向,其一是先以石棉(Asbestos)膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂(LiAlO3)膜等绝缘材料制成多孔隔膜,再浸入熔融锂-钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中,使其附着在隔膜孔内,另一则是采用全氟磺酸树脂(例如PEMFC)及YSZ(例如SOFC)。
  3、集电器
  集电器又称作双极板(Bipolar Plate),具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用,集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。

主要类型

按其工作温度是不同,把碱性燃料电池(AFC,工作温度为100℃)、固体高分子型质子膜燃料电池(PEMFC,也称为质子膜燃料电池,工作温度为100℃以内)和磷酸型燃料电池(PAFC,工作温度为200℃)称为低温燃料电池;把熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC,工作温度为650℃)和固体氧化型燃料电池(SOFC,工作温度为1000℃)称为高温燃料电池,并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的,把PAFC称为第一代燃料电池,把MCFC称为第二代燃料电池,把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。
按燃料的处理方式的不同,可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中有光、电、热、放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同,可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。
碱性燃料电池
碱性燃料电池(AFC)是第一个燃料电池技术的发展,最初由美国航空航天局的太空计划,同时生产电力和水的航天器上。AFCS继续使用NASA航天飞机上的整个程序中,除了数量有限的商业应用。
由于这些细胞的化学反应发生率比较高的燃料,电力的转换效率,在某些应用中高达60%。
血糖燃料电池
美国麻省理工学院的工程师最新研制一种微型电池原型,从人体自然血糖分子中产生电能。
血糖燃料电池
这种电池将用于驱动治疗癫痫、瘫痪以及帕金森氏症患者的大脑植入器。据悉,当前植入人体的装置通常是由锂电池提供动力,但是这种电池使用时间非常有限,必须进行更换。再次进入人体组织更换电池并不是医生所喜欢做的事情,如果更换大脑植入器的电池就变得更加棘手了。
当大脑组织中的血糖分子流经铂催化剂,伴随其氧化过程,电子和氢离子将分离开来。在电池另一端,当氧分子与单壁碳纳米管接触时,与氢离子混合形成水,该电池最多可产生180微瓦功率的电能,足以驱动一个大脑植入器发送信号绕开受损大脑组织,或者刺激大脑组织(用于治疗帕金森氏症的方法)。
血糖电池是一个较早的概念,最早出现于上世纪70年代,2010年,法国科学家设计了一种类似的电池用于驱动起搏器。这种电池混合了石墨和酶,能够从血糖中分离电子。但这种电池的问题在于酶动力电池无法提供像锂电池一样的电能输出。
简称 燃料电池类型 电解质
工作温度
(℃)
电化学效率
燃料、
功率输出
AFC
氢氧化钾溶液
室温-90
60-70%
-氢气、氧气
300W-
5KW
PEMFC
室温-80
40-60%
氢气、氧气(或空气)
1KW
PAFC
160-220
55%
天然气、沼气、双氧水、空气
200KW
MCFC
熔融碳酸盐
碱金属碳酸盐熔融混合物
620-660
65%
天然气、沼气、煤气、双氧水、空气
2MW-
10MW
SOFC
固体氧化物
氧离子
800-1000
60-65%
天然气、沼气、煤气、双氧水、空气
100KW

历史沿革

1839年英国的Grove发明了燃料电池,并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称,并获得200mA/m2电流密度
对于大型电站,火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率,但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户,因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要,电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰,有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急,这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉汽轮发电机这些庞大的设备上,燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电,是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,没有转动部件,理论上能量转换率为100%,装置无论大小实际发电效率可达40%~60%,可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用,没有输电输热损失,综合能源效率可达80%,装置为积木式结构,容量可小到只为手机供电、大到和火力发电厂相比,非常灵活。

主要设备

天然气发电
利用天然气的发电系统
MCFC需要供给的燃料气体是H2,它可由天然气中的CH4改质生成。空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2,空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2外,燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份,一起输送到改质器的燃烧器侧,天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下,排出的燃料气体会含有过多的H2O,将影响发热量,为此通常是先将排出燃料气体冷却,将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。
在使用PAFC的情况下,若以煤炭为燃料发电时就不容易了,采用天然气时,其构成类似于MCFC机组,基本上是由电池本体发电。原因是PAFC排出气体温度较低,与其进行附加发电不如作为热电联产电源
SOFC能和较高温度的排气体构成附加发电系统,由于SOFC不需要CO2的再循环等,结构简单,其发电效率可以达到50-60%。
煤炭发电
利用煤炭的发电系统
以MCFC为例进行介绍。煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用燃料的CO及H2,并在进入MCFC前除去其中含有的杂质(微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响),这种供给MCFC精制煤气,其压力通常高于MCFC的工作压力,在进入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体,经与部分来自燃料极(阳极)排出的高温气体(约700℃)相混合,调整为对电池的适宜温度(约600℃)。该阳极气体的再循环是,将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用,借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给O2和CO2是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是,碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2及CO变换成H2O和CO2后供给的。
排热回收系统(末级循环),是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合,其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生,形成汽水循环。
这种机组的发电效率,因煤气化方式和煤气精制方式等的不同而有若干差异。利用煤系统SOFC其构成是复杂的。但若用管道气就简单多了,主要的是采用煤炭气化系统造成的,其效率为45~55%。

应用领域

燃料电池用途广泛,既可应用于军事、空间、发电厂领域,也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。早期燃料电池发展焦点集中在军事空间等专业应用以及千瓦级以上分散式发电上。电动车领域成为燃料电池应用的主要方向,市场已有多种采用燃料电池发电的自动车出现。另外,透过小型化的技术将燃料电池运用于一般消费型电子产品也是应用发展方向之一,在技术的进步下,未来小型化的燃料电池将可用以取代现有的锂电池或镍氢电池等高价值产品,作为用于笔记本电脑、无线电电话、录像机、照相机等携带型电子产品的电源。近20多年来,燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段,燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。在所有燃料电池中,碱性燃料电池(AFC)发展速度最快,主要为空间任务,包括航天飞机提供动力和饮用水;质子交换膜燃料电池(PEMFC)已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用;磷酸燃料电池(PAFC)作为中型电源应用进入了商业化阶段,是民用燃料电池的首选;熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)也已完成工业试验阶段;起步较晚的固态氧化物燃料电池(SOFC)作为发电领域最有应用前景的燃料电池,是未来大规模清洁发电站的优选对象。
多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式,而燃料电池就是比较理想的发电技术。燃料电池十分复杂,涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等众多学科相关理论,具有发电效率高、环境污染少等优点。
电力
固定燃料电池被用于商业工业及住宅和备用电源。
热电联产
热电联产(CHP)燃料电池系统,包括微型热电联产(Micro combined heat and power , MicroCHP)系统。
燃料电池车(FCEVs)

发展前景

燃料电池运行时必须使用流动性好的气体燃料。低温燃料电池要用氢气,高温燃料电池可以直接使用天然气、煤气。我国的天然气储量是十分丰富的,现已探明陆地上储量为1.9万亿m3,专家认为我国已探明天然气储量为30万亿m3。中国还将利用丰富的邻国天然气资源,俄罗斯西西伯利亚已探明天然气储量为38.6万亿m3,可向我国年供气200~300亿m3;俄罗斯的东西伯利亚已探明天然气储量3.13万亿m3,可向我国年供气100~200亿m3;俄远东地区、萨哈林岛探明天然气储量1万亿m3,可向我国东北年供气100亿m3以上。中亚地区的哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和土库曼斯坦三国探明的天然气储量6.77万亿m3,可向外供气300亿m3。我国规划在2010年以前铺设天然气管线9000km,届时有望在全国形成“两纵、两横、四枢纽、五气库”的格局,形成可靠的供气系统。其中的两纵是南北的输气干线,即萨哈林岛--大庆--沈阳干线和伊尔库茨克--北京--日照--上海输气干线。目前我国的生产能力约为300亿m3/a,2010年为700亿m3,2020年为1000~1100亿m3。天然气主要成分为CH4(占90%左右),热值高(每立方米天然气热值为8600~9500千卡),便于运输,在3000公里的距离内运用管道输送都是十经济的。
燃料电池是一种正在逐步完善的能源利用方式。其投资正在不断的降低,PEMFC的中国国外商业价格为$1500/kW,PAFC的价格为$3000/kW。中国国内富源公司公布其PEMFC接受订货的价格为10000元/kW。其他燃料电池国内暂无商业产品。
燃料电池发电与常规的火电投资比较不能单考虑电源投资,还应将长距离输电、配电投资与厂用电、输电能耗和两种能源转换装置的效率考虑在内。

现状

国内现状

燃料电池
在中国的燃料电池研究始于1958年,原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下,中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统(千瓦级AFC)均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务,1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMFC)的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间,中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期,由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动,中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。
燃料电池
中国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展,积累了一定经验。但是,由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少,就燃料电池技术的总体水平来看,与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视,1996年和1998年两次在香山科学会议上对中国燃料电池技术的发展进行了专题讨论,强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方面的研究力度。 2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布,2001年将提供40kW的中巴燃料电池,并接受订货。科技部副部长徐冠华在EVS16届大会上宣布,中国将在2000年装出首台燃料电池电动车。此前参与燃料电池研究的有关概况如下:
1:PEMFC的研究状况
燃料电池
中国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所,该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC,工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。 中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多工作,现已研制成工作面积为140cm2的单体电池,其输出功率达0.35W/cm2。
复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇PEMFC,主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门大学香港大学和美国的CaseWesternReserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究。
1994年,上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC(“八五”攻关项目),主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备
燃料电池
工艺。
北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究,单体电池的电流密度为150mA/cm2。
中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC,主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较,提出改进的传热和传质方案。
天津电源研究所1997年开始PEMFC的研究,拟从国外引进1.5kW的电池,在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。
1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发,5kW的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。
2:MCFC的研究简况
燃料电池
在中国开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC,90年代初停止了这方面的研究工作。
1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究,自制LiAlO2微粉,用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜,组装了单体电池,其性能已达到国际80年代初的水平。
90年代初,中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究,在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。
北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究,主要研究电极材料与电解质的相互作用,提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。
3:SOFC的研究简况
燃料电池
最早开展SOFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在1971年就开展了SOFC的研究,主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究。80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究,系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等,已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究组装成单体电池,通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助,先后研究了电
燃料电池
极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V,电流密度400mA/cm2,4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。
1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究,从研制材料着手制成了管式和平板式的单体电池,功率密度达0.09W/cm2~0.12W/cm2,电流密度为150mA/cm2~180mA/cm2,工作电压为0.60V~0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W~30W块状叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上,设计了六面体式新型结构,该结构吸收了管式不密封的优点,电池间组合采用金属毡柔性联结,并可用常规陶瓷制备工艺制作。
华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究,组装的管状单体电池,用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2,电流密度为17mA/cm2,连续运转140h,电池性能无明显衰减。

国际现状

发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目,企业界也纷纷斥以巨资,从事燃料电池技术的研究与开发,已取得了许多重要成果,使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题,2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产,各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命,也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命,又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今,在北美、日本和欧洲,燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段,将成为21世纪继火电水电核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视,它已是能源、电力行业不得不正视的课题。
磷酸型燃料电池(PAFC)
燃料电池
受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响,日本决定开发各种类型的燃料电池,PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构(NEDO)进行开发。自1981年起,进行了1000kW现场型PAFC发电装置的研究和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发,以适用于边远地区或商业用的PAFC发电装置。 富士电机公司是日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年,该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置,富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设备投入使用。下表所示为富士电机公司已交货的发电装置运行情况,到1998年止有的已超过了目标寿命4万小时。
东芝公司从70年代后半期开始,以分散型燃料电池为中心进行开发以后,将分散电源用11MW机以及200kW机形成了系列化。11MW机是世界上最大的燃料电池发电设备,从1989年开始在东京电力公司五井火电站内建造,1991年3月初发电成功后,直到1996年5月进行了5年多现场试验,累计运行时间超过2万小时,在额定运行情况下实现发电效率43.6%。在小型现场燃料电池领域,1990年东芝和美国IFC公司为使现场用燃料电池商业化,成立了ONSI公司,以后开始向全世界销售现场型200kW设备"PC25"系列。PC25系列燃料电池从1991年末运行,到1998年4月,共向世界销售了174台。其中安装在美国某公司的一台机和安装在日本大阪梅田中心的大阪煤气公司2号机,累计运行时间相继突破了4万小时。从燃料电池的寿命和可靠性方面来看,累计运行时间4万h是燃料电池的长远目标。东芝ONSI已完成了正式商用机PC25C型的开发,早已投放市场。PC25C型作为21世纪新能源先锋获得日本通商产业大奖。从燃料电池商业化出发,该设备被评价为具有高先进性、可靠性以及优越的环境性设备。它的制造成本是$3000/kW,将推出的商业化PC25D型设备成本会降至$1500/kW,体积比PC25C型减少1/4,质量仅为14t。2001年,在中国就将迎来第一座PC25C型燃料电池电站,它主要由日本的MITI(NEDO)资助的,这将是我国第一座燃料电池发电站。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)
著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技术上全球领先,它的应用领域从交通工具到固定电站,其子公司BallardGenerationSystem被认为在开发、生产和市场化零排放质子交换膜燃料电池上处于世界领先地位。BallardGenerationSystem最初产品是250kW燃料电池电站,其基本构件是Ballard燃料电池,利用氢气(由甲醇、天然气或石油得到)、氧气(由空气得到)不燃烧地发电。Ballard公司正和世界许多著名公司合作以使BallardFuelCell商业化。BallardFuelCell已经用于固定发电厂:由BallardGenerationSystem,GPUInternationalInc.,AlstomSA和EBARA公司共同组建了BallardGenerationSystem,共同开发千瓦级以下的燃料电池发电厂。经过5年的开发,第一座250kW发电厂于1997年8月成功发电,1999年9月送至IndianaCinergy,经过周密测试、评估,并提高了设计的性能、降低了成本,这导致了第二座电厂的诞生,它安装在柏林,250kW输出功率,也是在欧洲的第一次测试。很快Ballard公司的第三座250kW电厂也在2000年9月安装在瑞士进行现场测试,紧接着,在2000年10月通过它的伙伴EBARABallard将第四座燃料电池电厂安装在日本的NTT公司,向亚洲开拓了市场。在不同地区进行的测试将大大促进燃料电池电站的商业化。第一个早期商业化电厂将在2001年底面市。下图是安装在美国Cinergy的Ballard燃料电池装置,正在测试。
图是安装在柏林的250kW PEMFC燃料电池电站:
在美国,PlugPower公司是最大的质子交换膜燃料电池开发公司,他们的目标是开发、制造适合于居民和汽车用经济型燃料电池系统。1997年,PlugPower模块第一个成功地将汽油转变为电力。PlugPower公司开发出它的专利产品PlugPower7000居民家用分散型电源系统。商业产品在2001年初推出。家用燃料电池的推出将使核电站、燃气发电站面临挑战,为了推广这种产品,1999年2月,PlugPower公司和GEMicroGen成立了合资公司,产品改称GEHomeGen7000,由GEMicroGen公司负责全球推广。此产品将提供7kW的持续电力。GE/Plug公司宣称其2001年初售价为$1500/kW。他们预计5年后,大量生产的燃料电池售价将降至$500/kW。假设有20万户家庭各安装一个7kW的家用燃料电池发电装置,其总和将接近一个核电机组的容量,这种分散型发电系统可用于尖峰用电的供给,又因分散式系统设计增加了电力的稳定性,即使少数出现了故障,但整个发电系统依然能正常运转。 在Ballard公司的带动下,许多汽车制造商参加了燃料电池车辆的研制,例如:Chrysler(克莱斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda(本田)、Nissan(尼桑)、VolkswagenAG(大众)和Volvo()等,它们许多正在使用的燃料电池都是由Ballard公司生产的,同时,它们也将大量的资金投入到燃料电池的研制当中,克莱斯勒公司给Ballard公司注入4亿5千万加元用于开发燃料电池汽车,大大的促进了PEMFC的发展。1997年,Toyota公司就制成了一辆RAV4型带有甲醇重整器的跑车,它由一个25kW的燃料电池和辅助干电池一起提供了全部50kW的能量,最高时速可以达到125km/h,行程可达500km。这些大的汽车公司均有燃料电池开发计划,虽然燃料电池汽车商业化的时机还未成熟,但几家公司已确定了开始批量生产的时间表,Daimler-Benz公司宣布,到2004年将年产40000辆燃料电池汽车。因而未来十年,极有可能达到100000辆燃料电池汽车。
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
50年代初,熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)由于其可以作为大规模民用发电装置的前景而引起了世界范围的重视。在这之后,MCFC发展的非常快,它在电池材料、工艺、结构等方面都得到了很大的改进,但电池的工作寿命并不理想。到了80年代,它已被作为第二代燃料电池,而成为实现兆瓦级商品化燃料电池电站的主要研究目标,研制速度日益加快。MCFC的主要研制者集中在美国、日本和西欧等国家。预计2002年将商品化生产。
美国能源部(DOE)2000年已拨给固定式燃料电池电站的研究费用4420万美元,而其中的2/3将用于MCFC的开发,1/3用于SOFC的开发。美国的MCFC技术开发一直主要由两大公司承担,ERC(EnergyResearchCorporation)(现为FuelCellEnergyInc.)和M-CPower公司。他们通过不同的方法建造MCFC堆。两家公司都到了现场示范阶段:ERC1996年已进行了一套设于加州圣克拉拉的2MW的MCFC电站的实证试验,正在寻找3MW装置试验的地点。ERC的MCFC燃料电池在电池内部进行无燃气的改质,而不需要单独设置的改质器。根据试验结果,ERC对电池进行了重新设计,将电池改成250kW单电池堆,而非原来的125kW堆,这样可将3MW的MCFC安装在0.1英亩的场地上,从而降低投资费用。ERC预计将以$1200/kW的设备费用提供3MW的装置。这与小型燃气涡轮发电装置设备费用$1000/kW接近。但小型燃气发电效率仅为30%,并且有废气排放和噪声问题。与此同时,美国M-CPower公司已在加州圣迭戈的海军航空站进行了250kW装置的试验,计划在同一地点试验改进75kW装置。M-CPower公司正在研制500kW模块,计划2002年开始生产。
日本对MCFC的研究,自1981年"月光计划"时开始,1991年后转为重点,每年在燃料电池上的费用为12-15亿美元,1990年政府追加2亿美元,专门用于MCFC的研究。电池堆的功率1984年为1kW,1986年为10kW。日本同时研究内部转化和外部转化技术,1991年,30kW级间接内部转化MCFC试运转。1992年50-100kW级试运转。1994年,分别由日立和石川岛播磨重工完成两个100kW、电极面积1m2,加压外重整MCFC。另外由中部电力公司制造的1MW外重整MCFC正在川越火力发电厂安装,预计以天然气为燃料时,热电效率大于45%,运行寿命大于5000h。由三菱电机与美国ERC合作研制的内重整30kWMCFC已运行了10000h。三洋公司也研制了30kW内重整MCFC。石川岛播磨重工有世界上最大面积的MCFC燃料电池堆,试验寿命已达13000h。日本为了促进MCFC的开发研究,于1987年成立了MCFC研究协会,负责燃料电池堆运转、电厂外围设备和系统技术等方面的研究,它已联合了14个单位成为日本研究开发主力。
欧洲早在1989年就制定了1个Joule计划,目标是建立环境污染小、可分散安装、功率为200MW的"第二代"电厂,包括MCFC、SOFC和PEMFC三种类型,它将任务分配到各国。进行MCFC研究的主要有荷兰、意大利、德国、丹麦和西班牙。荷兰对MCFC的研究从1986年已经开始,1989年已研制了1kW级电池堆,1992年对10kW级外部转化型与1kW级内部转化型电池堆进行试验,1995年对制气与天然气为燃料的2个250kW系统进行试运转。意大利于1986年开始执行MCFC国家研究计划,1992-1994年研制50-100kW电池堆,意大利Ansodo与IFC签定了有关MCFC技术的协议,已安装一套单电池(面积1m2)自动化生产设备,年生产能力为2-3MW,可扩大到6-9MW。德国MBB公司于1992年完成10kW级外部转化技术的研究开发,在ERC协助下,于1992年-1994年进行了100kW级与250kW级电池堆的制造与运转试验。现在MBB公司拥有世界上最大的280kW电池组体。
资料表明,MCFC与其他燃料电池比有着独特优点:
a.发电效率高比PAFC的发电效率还高;
b.不需要昂贵的白金作催化剂,制造成本低;
c.可以用CO作燃料;
d.由于MCFC工作温度600-1000℃,排出的气体可用来取暖,也可与汽轮机联合发电。若热电联产,效率可提高到80%;
e.中小规模经济性与几种发电方式比较,当负载指数大于45%时,MCFC发电系统成本最低。与PAFC相比,虽然MCFC起始投资高,但PAFC的燃料费远比MCFC高。当发电系统为中小规模分散型时,MCFC的经济性更为突出;
f.MCFC的结构比PAFC简单。
固体氧化物燃料电池(SOFC)
SOFC由用氧化钇稳定氧化锆(YSZ)那样的陶瓷给氧离子通电的电解质和由多孔质给电子通电的燃料和空气极构成。空气中的氧在空气极/电解质界面被氧化,在空气燃料之间氧的分差作用下,在电解质中向燃料极侧移动,在燃料极电解质界面和燃料中的氢或一氧化碳反应,生成水蒸气二氧化碳,放出电子。电子通过外部回路,再次返回空气极,此时产生电能。
SOFC的特点如下:
由于是高温动作(600-1000℃),通过设置底面循环,可以获得超过60%效率的高效发电。
由于氧离子是在电解质中移动,所以也可以用CO、煤气化的气体作为燃料。
由于电池本体的构成材料全部是固体,所以没有电解质的蒸发、流淌。另外,燃料极空气极也没有腐蚀。l动作温度高,可以进行甲烷等内部改质。
与其他燃料电池比,发电系统简单,可以期望从容量比较小的设备发展到大规模设备,具有广泛用途。
在固定电站领域,SOFC明显比PEMFC有优势。SOFC很少需要对燃料处理,内部重整、内部热集成、内部集合管使系统设计更为简单,而且,SOFC与燃气轮机及其他设备也很容易进行高效热电联产。下图为西门子-西屋公司开发出的世界第一台SOFC和燃气轮机混合发电站,它于2000年5月安装在美国加州大学,功率220kW,发电效率58%。未来的SOFC/燃气轮机发电效率将达到60-70%。
被称为第三代燃料电池的SOFC正在积极的研制和开发中,它是正在兴起的新型发电方式之一。美国是世界上最早研究SOFC的国家,而美国的西屋电气公司所起的作用尤为重要,现已成为在SOFC研究方面最有权威的机构。 早在1962年,西屋电气公司就以甲烷为燃料,在SOFC试验装置上获得电流,并指出烃类燃料在SOFC内必须完成燃料的催化转化与电化学反应两个基础过程,为SOFC的发展奠定了基础。此后10年间,该公司与OCR机构协作,连接400个小圆筒型ZrO2-CaO电解质,试制100W电池,但此形式不便供大规模发电装置应用。80年代后,为了开辟新能源,缓解石油资源紧缺而带来的能源危机,SOFC研究得到蓬勃发展。西屋电气公司将电化学气相沉积技术应用于SOFC的电解质及电极薄膜制备过程,使电解质层厚度减至微米级,电池性能得到明显提高,从而揭开了SOFC的研究崭新的一页。80年代中后期,它开始向研究大功率SOFC电池堆发展。1986年,400W管式SOFC电池组在田纳西州运行成功。
燃料电池
另外,美国的其它一些部门在SOFC方面也有一定的实力。位于匹兹堡的PPMF是SOFC技术商业化的重要生产基地,这里拥有完整的SOFC电池构件加工、电池装配和电池质量检测等设备,是目前世界上规模最大的SOFC技术研究开发中心。1990年,该中心为美国DOE制造了20kW级SOFC装置,该装置采用管道煤气为燃料,已连续运行了1700多小时。与此同时,该中心还为日本东京和大阪煤气公司、关西电力公司提供了两套25kW级SOFC试验装置,其中一套为热电联产装置。另外美国阿尔贡国家实验室也研究开发了叠层波纹板式SOFC电池堆,并开发出适合于这种结构材料成型的浇注法和压延法。使电池能量密度得到显著提高,是比较有前途的SOFC结构。 在日本,SOFC研究是“月光计划”的一部分。早在1972年,电子综合技术研究所就开始研究SOFC技术,后来加入"月光计划"研究与开发行列,1986年研究出500W圆管式SOFC电池堆,并组成1.2kW发电装置。东京电力公司与三菱重工从1986年12月开始研制圆管式SOFC装置,获得了输出功率为35W的单电池,当电流密度为200mA/cm2时,电池电压为0.78V,燃料利用率达到58%。1987年7月,电源开发公司与这两家公司合作,开发出1kW圆管式SOFC电池堆,并连续试运行达1000h,最大输出功率为1.3kW。关西电力公司、东京煤气公司与大阪煤气公司等机构则从美国西屋电气公司引进3kW及2.5kW圆管式SOFC电池堆进行试验,取得了满意的结果。从1989年起,东京煤气公司还着手开发大面积平板式SOFC装置,1992年6月完成了100W平板式SOFC装置,该电池的有效面积达400cm2。现Fuji与Sanyo公司开发的平板式SOFC功率已达到千瓦级。另外,中部电力公司与三菱重工合作,从1990年起对叠层波纹板式SOFC系统进行研究和综合评价,研制出406W试验装置,该装置的单电池有效面积达到131cm2。
欧洲早在70年代,联邦德国海德堡中央研究所就研究出圆管式或半圆管式电解质结构的SOFC发电装置,单电池运行性能良好。80年代后期,在美国和日本的影响下,欧共体积极推动欧洲的SOFC的商业化发展。德国的Siemens、DomierGmbH及ABB研究公司致力于开发千瓦级平板式SOFC发电装置。Siemens公司还与荷兰能源中心(ECN)合作开发开板式SOFC单电池,有效电极面积为67cm2。ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦级SOFC发电装置,这种电池为金属双极性结构,在800℃下进行了实验,效果良好。现正考虑将其制成25~100kW级SOFC发电系统,供家庭或商业应用。

前景

便携式电子设备厂家多年来受LIB的困扰,苦于没有出路,汽车领域里燃料电池的曙光激发出开发小巧燃料电池,一发不可收拾。最先投入研究与开发的是欧美风险企业,日本便携式电子设备制造商跟随其后,紧追不舍,这些厂家参与燃料电池开发,**澎湃,各自大胆采用新材料,并且相继获得突破性进展,于 2001年里分别发表小巧燃料电池试制品。日本便携式电子机器厂家普遍认为,小巧燃料电池已经达到可以取代LIB的水平。
技术
燃料电池研究与开发集中在四大技术方面:(1)电解质膜;(2)电极;(3)燃料;(4)系统结构。日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池,尤其重视(1)~(3)方面的材料研究与开发,图2列出一些重要的燃料电池研究课题。
燃料电池中仅次于电解质膜的构件材料便是电极材料,通过它可提取出由甲醇溶液经过分解反应生成的H+(质子)和电子。在电极处的反应,Pt发挥催化作用。反应速度是与Pt粒子的表面成正比,所以力求Pt的粒子直径要小,争取每单位重量有更大的表面积。实践证明,Pt粒子的直径一小下来,会出现多个Pt颗粒凝聚而降低催化能力的问题。 NEC公司基础研究所发现碳原子纳米锥状结构(Carbon Nano-horn)上可附着2nm直径的Pt颗粒(Pt原子直径为0.3~0.4nm),并且Pt不含凝聚。于是,NEC利用Carbon Nano-horn材料作为电极试制出以甲醇为燃料的燃料电池。
燃料电池汽车的车用储氢器必须具有较高的单位质量储氢密度。美能源部认为,车用高压储氢的单位质量密度至少应为6%,即每立方米储存60公斤氢气。为了满足汽车480公里续航能力的要求,一次需储氢大约4到7公斤。目前小型汽车的车用储氢方式大多采用高压储氢,工作压力为70兆帕(Mpa)的碳纤维储氢瓶是目前家用汽车的最佳选择,其售价大约为3000美元。研究人员正在致力于开发新的材料和制造工艺,以进一步降低储氢气瓶成本。目前正在进行的另一研究方向是,通过采用高表面积材料研究低压吸附储存氢气。

技术标准

2013年8月,欧盟联合研究中心(JRC)同美国能源部阿尔贡国家实验室(ANL)签署聚合物电解质燃料电池(PEMFC) 测试程序协议,标志着双方迈出了燃料电池技术标准国际化的第一步。近年来,全球燃料电池与燃料电池堆栈(Stacks)技术发展迅速,已展现出在道路交通电动汽车行业广泛应用的前景。协议的签署,有利于双方在燃料电池测试技术与测试方法上的相互协调与标准化,扩大双方间燃料电池技术的信息交流与数据交换,加速燃料电池技术的商业化应用进程。
根据燃料电池国际专家组最新提供的研究报告,“从国际视角看燃料电池测试协议”显示,签署国际协议的重要性和必要性显而易见。目前,世界上燃料电池主要存在两大类性能(Performance)测试方法和五大类负荷曲线,包括占空比(Duty Cycles)的耐久性(Durability)测试方法。其中,美国以动态应力测试法(DST)为主,而欧盟以新欧洲驾驶循环模拟汽车功率测试法 (NEDC)为主。暂且不论不同测试方法提供的数据参数准确性与误差率,仅不同测试方法很可能导致的不同技术发展路线,包括国际间燃料电池技术参数的对比交换,必将造成延迟燃料电池技术商业化应用的严重后果。
双方代表在测试程序协议签字仪式后表示,欧盟美国将加强燃料电池这一战略能源新兴技术领域的科技合作,积极推动燃料电池技术标准的国际化。

研究进展

科学家研发尿动力燃料电池:替代铂进行催化
韩国高丽大学的一个科学家组概述了一个用人尿内的碳原子制造廉价电力的计划。这些研究人员称,他们会用天然存在于人尿中的碳取代燃料电池内昂贵的铂。燃料电池是一项通过氢氧反应把化学能变成电能的很有发展前途的技术。
根据这项技术,把氢气送到燃料电池一侧、带有负电荷的阳极上,同时氧被送到燃料电池另一侧、带有正电荷的阴极上。在阳极上,一种通常是铂的催化剂把氢原子的电子分离出来,留下带正电荷的氢离子和自由电子。阳极和阴极之间的一张膜只允许氢离子通过。这意味着电子只有沿着外电路移动,继而产生电流。
科学家希望燃料电池将来有机会得到广泛应用,为汽车和住宅提供电力。问题是燃料电池内的催化剂过于昂贵,而且它的高成本现已抑制这项技术的商业发展。但通过用具有相似特性的碳代替铂,韩国研究人员认为他们可能大幅降低燃料电池的成本。
生物质燃料低温电池
2014年2月9日,美国科学家开发出一种直接以生物质为原料的低温燃料电池。这种燃料电池只需借助太阳能废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有机肥料转化为电能,能量密度比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍。
这种技术,在室温下就能对生物质进行处理,对原材料的要求极低,几乎适用于所有生物质,如淀粉、纤维素、木质素,甚至柳枝稷、锯末、藻类以及禽类加工的废料都能被用来发电。如果缺乏上述原料,水溶性生物质或悬浮在液体中的有机材料也没有问题。该设备既可以在偏远地区以家庭为单位小规模使用,也可以在生物质原料丰富的城市大规模使用。
实验显示,这种燃料电池的运行时间长达20小时,这表明POM催化剂能够再利用而无需进一步的处理。研究人员报告称,这种燃料电池的最大能量密度可达每平方厘米0.72毫瓦,比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍,接近目前效能最高的微生物燃料电池。邓玉林认为,在对处理过程进行优化后应该还有5倍到10倍的提升空间,未来这种生物质燃料电池的性能甚至有望媲美甲醇燃料电池。
直接甲酸燃料电池
科研人员通过向普通的碳黑中掺杂磷化镍(Ni2P)获得了一种简单廉价的复合载体,然后将钯负载在该复合载体上得到直接甲酸燃料电池用阳极电催化剂。
据介绍,该类催化剂在酸性环境中的活性、寿命、抗中毒能力及长效工作稳定性方面均优于商业催化剂和其他已经报道的催化剂。其中,利用该体系中的Pd-Ni2P/C作为DFAFC催化剂时其功率密度高达550mW/cm2,较商业性能提高2.5倍,是目前所见文献报道的DFAFC的最高性能,相关研究成果发表于日前的《德国应用化学》上。
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