燃料電池（化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置）
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燃料電池
化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱(chēng)電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為同時(shí)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故沒(méi)有噪原料，排放出的有害氣體極少；聲污染。由此可見(jiàn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。
基本信息
| 中文名 | 燃料電池 |
| 外文名 | fuel cell |
| 本質(zhì) | 化學(xué)能 轉(zhuǎn)換為電能的裝置 |
| 學(xué)科 | 電力工程 |
簡(jiǎn)介
將燃料與氧化劑的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運(yùn)行，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。目前實(shí)際運(yùn)行的各種燃料電池，由于種種技術(shù)因素的限制，再考慮整個(gè)裝置系統(tǒng)的耗能，總的轉(zhuǎn)換效率多在45%～60%范圍內(nèi)，如考慮排熱利用可達(dá)80%以上。此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組安靜。另外電化學(xué)反應(yīng)清潔、完全，很少產(chǎn)生有害物質(zhì)。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發(fā)展前途的能源動(dòng)力裝置。
燃料電池是一種電化學(xué)的發(fā)電裝置，等溫的按電化學(xué)方式，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不必經(jīng)過(guò)熱機(jī)過(guò)程，不受卡諾循環(huán)限制，因而能量轉(zhuǎn)化效率高，且無(wú)噪音，無(wú)污染，正在成為理想的能源利用方式。同時(shí)，隨著燃料電池技術(shù)不斷成熟，以及西氣東輸工程提供了充足天然氣源，燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用存在著廣闊的發(fā)展前景。
原理和發(fā)展
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學(xué)原理，即原電池工作原理，等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實(shí)際過(guò)程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成，即陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽(yáng)極和陰極通入。燃料氣在陽(yáng)極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場(chǎng)作用下，通過(guò)電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。同時(shí)，由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽(yáng)兩極除傳導(dǎo)電子外，也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔?/a>時(shí)，陽(yáng)極要求有更高的催化活性。陰、陽(yáng)兩極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路，電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。
技術(shù)原理
正極：1/2O2+H2O+2e→2OH
電池反應(yīng)：H2+1/2O2==H2O
另外，只有燃料電池本體還不能工作，
必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。
燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽(yáng)極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過(guò)。
在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類(lèi)也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：
燃料極：H2==2H+2e（1）
空氣極：2H+1/2O2+2e==H2O（2）
全體：H2+1/2O2==H2O（3）
在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H和e，H移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒(méi)有其他的反應(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。引起這些反應(yīng)的一組電池稱(chēng)為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱(chēng)之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應(yīng)面積成比。
PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進(jìn)反應(yīng)，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應(yīng)用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是對(duì)于低溫工作的PEMFC更應(yīng)嚴(yán)格地加以限制。
磷酸燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)過(guò)如此處理后的燃料氣體進(jìn)入燃料堆的負(fù)極(燃料極)，同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。
相對(duì)PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應(yīng)用，而且還具有易于利用其高質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點(diǎn)。
MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)（通常是為L(zhǎng)i與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。
MCFC工作原理?？諝鈽O的O2（空氣）和CO2與電相結(jié)合，生成CO3（碳酸離子），電解質(zhì)將CO3移到燃料極側(cè)，與作為燃料供給的H相結(jié)合，放出e，同時(shí)生成H2O和CO2。化學(xué)反應(yīng)式如下：
燃料極：H2+CO3==H2O+CO2+2e（4）
空氣極：CO2+1/2O2+2e==CO3（5）
全體：H2+1/2O2==H2O（6）
在這一反應(yīng)中，e同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過(guò)外部的回路反回到空氣極，由e在外部回路中不間斷的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點(diǎn)是，必須要有有助于反應(yīng)的CO3離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)部直接生成H2的方法也已開(kāi)發(fā)出來(lái)了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應(yīng)生成H2，因此，可以等價(jià)地將CO作為燃料來(lái)利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來(lái)制作。
SOFC是以陶瓷材料為主構(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構(gòu)成了O的導(dǎo)電體Y2O3（氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同，電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開(kāi)發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開(kāi)發(fā)出了為避免應(yīng)力集中的圓筒型。SOFC的反應(yīng)式如下：
燃料極：H2+O==H2O+2e（7）
空氣極：1/2O2+2e==O（8）
全體：H2+1/2O2==H2O（9）
燃料極，H2經(jīng)電解質(zhì)而移動(dòng)，與O反應(yīng)生成H2O和e?？諝鈽O由O2和e生成O。全體同其他燃料電池一樣由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無(wú)其他觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)成H2加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。
組成結(jié)構(gòu)
1、電極
燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，其性能的好壞關(guān)鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。
電極主要可分為兩部分，其一為陽(yáng)極（Anode），另一為陰極（Cathode），厚度一般為200－500mm；其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應(yīng)的電極表面積，而此也是燃料電池當(dāng)初所以能從理論研究階段步入實(shí)用化階段的重要關(guān)鍵原因之一。
目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料制成，例如固態(tài)氧化物燃料電池（簡(jiǎn)稱(chēng)SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（簡(jiǎn)稱(chēng)YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡(jiǎn)稱(chēng)MCFC）的氧化鎳電極等，而低溫燃料電池則主要是由氣體擴(kuò)散層支撐一薄層觸媒材料而構(gòu)成，例如磷酸燃料電池（簡(jiǎn)稱(chēng)PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡(jiǎn)稱(chēng)PEMFC）的白金電極等。
2、電解質(zhì)隔膜
電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強(qiáng)度，就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質(zhì)，目前主要朝兩個(gè)發(fā)展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內(nèi)，另一則是采用全氟磺酸樹(shù)脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。
3、集電器
集電器又稱(chēng)作雙極板（Bipolar Plate），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場(chǎng)設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。
優(yōu)點(diǎn)
燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。從理論上來(lái)講，只要連續(xù)供給燃料，燃料電池便能連續(xù)發(fā)電，已被譽(yù)為是繼水力、火力、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。
發(fā)電效率高
燃料電池發(fā)電不受卡諾循環(huán)的限制。理論上，它的發(fā)電效率可達(dá)到85% ～90%,但由于工作時(shí)各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%～ 60%。若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。
環(huán)境污染小
燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時(shí)，二氧化碳的排放量比熱機(jī)過(guò)程減少40%以上，這對(duì)緩解地球的溫室效應(yīng)是十分重要的。另外，由于燃料電池的燃料氣在反應(yīng)前必須脫硫，而且按電化學(xué)原理發(fā)電，沒(méi)有高溫燃燒過(guò)程，因此幾乎不排放氮和硫的氧化物，減輕了對(duì)大氣的污染。
噪音低
燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，工作時(shí)噪聲很低。即使在11MW級(jí)的燃料電池發(fā)電廠附近，所測(cè)得的噪音也低于55dB。
負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活
當(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動(dòng)時(shí)，它會(huì)很快響應(yīng)。無(wú)論處于額定功率以上過(guò)載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受且效率變化不大。由于燃料電池的運(yùn)行高度可靠，可作為各種應(yīng)急電源和不間斷電源使用。
易于建設(shè)
應(yīng)用研究進(jìn)展
堿性燃料電池(AFC)是最早開(kāi)發(fā)的燃料電池技術(shù)，在20世紀(jì)60年代就成功的應(yīng)用于航天飛行領(lǐng)域。磷酸型燃料電池(PAFC)也是第一代燃料電池技術(shù)，是目前最為成熟的應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用和批量生產(chǎn)。由于其成本太高，目前只能作為區(qū)域性電站來(lái)現(xiàn)場(chǎng)供電、供熱。熔融碳酸型燃料電池(MCFC)是第二代燃料電池技術(shù)，主要應(yīng)用于設(shè)備發(fā)電。固體氧化物燃料電池(SOFC)以其全固態(tài)結(jié)構(gòu)、更高的能量效率和對(duì)煤氣、天然氣、混合氣體等多種燃料氣體廣泛適應(yīng)性等突出特點(diǎn)，發(fā)展最快，應(yīng)用廣泛，成為第三代燃料電池。
目前正在開(kāi)發(fā)的商用燃料電池還有質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。它具有較高的能量效率和能量密度，體積重量小，冷啟動(dòng)時(shí)間短，運(yùn)行安全可靠。另外，由于使用的電解質(zhì)膜為固態(tài)，可避免電解質(zhì)腐蝕。燃料電池技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)已取得了重大進(jìn)展，技術(shù)逐漸成熟，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。作為21世紀(jì)的高科技產(chǎn)品，燃料電池已應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、能源發(fā)電、船舶工業(yè)、航空航天、家用電源等行業(yè)，受到各國(guó)政府的重視。
我國(guó)燃料電池研究始于20世紀(jì)50年代末,70年代國(guó)內(nèi)的燃料電池研究出現(xiàn)了第一次高峰，主要是國(guó)家投資的航天用AFC,如氨/空氣燃料電池、肼/空氣燃料電池、乙二醇/空氣燃料電池等.80年代我國(guó)燃料電池研究處于低潮,90年代以來(lái)，隨著國(guó)外燃料電池技術(shù)取得了重大進(jìn)展，在國(guó)內(nèi)又形成了新一輪的燃料電池研究熱潮.1996年召開(kāi)的第59次香山科學(xué)會(huì)議上專(zhuān)門(mén)討論了“燃料電池的研究現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展”,鑒于PAFC在國(guó)外技術(shù)已成熟并進(jìn)入商品開(kāi)發(fā)階段，我國(guó)重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)PEMFC、MCFC和SOFC.中國(guó)科學(xué)院將燃料電池技術(shù)列為“九五”院重大和特別支持項(xiàng)目，國(guó)家科委也相繼將燃料電池技術(shù)包括DAFC列入“九五”、“十五”攻關(guān)、“ 863”、“973”等重大計(jì)劃之中。燃料電池的開(kāi)發(fā)是一較大的系統(tǒng)工程,“官、產(chǎn)、研”結(jié)合是國(guó)際上燃料電池研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，也是必由之路。目前，我國(guó)政府高度重視，研究單位眾多，具有多年的人才儲(chǔ)備和科研積累，產(chǎn)業(yè)部門(mén)的興趣不斷增加，需求迫切，這些都為我國(guó)燃料電池的快速發(fā)展帶來(lái)了無(wú)限的生機(jī).
另一方面，我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤和燃煤大國(guó)，煤的總消耗量約占世界的25%左右，造成煤燃料的極大浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國(guó)汽車(chē)的擁有量(包括私人汽車(chē))迅猛增長(zhǎng)，致使燃油的汽車(chē)越來(lái)越成為重要的污染源。所以開(kāi)發(fā)燃料電池這種潔凈能源技術(shù)就顯得極其重要，這也是高效、合理使用資源和保護(hù)環(huán)境的一個(gè)重要途徑。
典型燃料電池
固體氧化物燃料
固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，具有一般燃料電池的結(jié)構(gòu)。固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質(zhì)，在高溫800～ 1 000℃下操作，反應(yīng)氣體不直接接觸,因此可以使用較高的壓力以縮小反應(yīng)器的體積而沒(méi)有燃燒或爆炸的危險(xiǎn)。
目前正在研制開(kāi)發(fā)的新一代固體氧化物燃料電池，其特征是基于薄膜化制造技術(shù)，是典型的高溫陶瓷膜電化學(xué)反應(yīng)器，我們可稱(chēng)其為陶瓷膜燃料電池。這種提法不同于燃料電池的一般命名法，更著眼于電解質(zhì)材料和構(gòu)型的設(shè)計(jì)。我國(guó)已成功研制了中溫(500～ 750℃)陶瓷膜燃料電池的關(guān)鍵材料，發(fā)展了多種薄膜化技術(shù)(流延法、絲網(wǎng)印刷法、懸浮粒子法、靜電噴霧法、化學(xué)氣相淀積法等),獲得了厚度5～ 20μm的薄層固體電解質(zhì)，比傳統(tǒng)工藝制造的150～ 200μm電解質(zhì)薄板減薄了一個(gè)數(shù)量級(jí)，單電池的輸出功率達(dá)到了500～ 600mW /cm 2。燃料氣除氫氣以外，還可以直接以天然氣、生物質(zhì)氣為原料。最近，西門(mén)子-西屋公司已經(jīng)完成了以天然氣為燃料，內(nèi)重整的100kW級(jí)管狀電池的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)電系統(tǒng)，試運(yùn)行了4 000h,電池輸出功率達(dá)127kW,電效率為53%。
隨著對(duì)固體氧化物燃料電池基礎(chǔ)研究的深入，其在各領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了開(kāi)發(fā)。在發(fā)展大型電站技術(shù)的同時(shí)，固體氧化物燃料電池還用于分布式電站和備用電源技術(shù)。固體氧化物燃料電池可作為移動(dòng)式電源，為大型車(chē)輛提供輔助動(dòng)力源。第一輛裝有固體氧化物燃料電池輔助電源系統(tǒng)(APU)的汽車(chē)，由巴伐利亞發(fā)動(dòng)機(jī)公司與德?tīng)柛Ｆ?chē)系統(tǒng)公司合作推出，已于2001年2月16日在德國(guó)慕尼黑問(wèn)世。固體氧化物燃料電池還可以作為輪船、艦艇用電源以及宇航等特殊用途的發(fā)電系統(tǒng)。另外，利用固體氧化物燃料電池系統(tǒng)作為碳?xì)錃怏w的重整裝置以制備純氫，再配合質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用也將有著廣闊的發(fā)展前景。 2004年5月，美國(guó)能源部投資240萬(wàn)美元用于固體氧化物燃料電池再生能源項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。固體氧化物燃料電池的廣泛應(yīng)用前景使其成為目前發(fā)展的熱點(diǎn)。美國(guó)政府部門(mén)在燃料電池方面的研究投資重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向了固體氧化物燃料電池。
氫燃料電池
氫燃料電池以氫氣為燃料，與氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后透過(guò)質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能。氫和氧反應(yīng)生成水，不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物，無(wú)污染，發(fā)電效益高。60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域?！鞍⒉_”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。 70年代至今，隨著制氫技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池在發(fā)電、電動(dòng)車(chē)和微型電池方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)取得了許多成果。
目前，氫燃料電池的發(fā)電熱效率可達(dá)65%～ 85%,重量能量密度500～ 700Wh/kg,體積能量密度1 000～ 1 200Wh/L,發(fā)電效率高于固體氧化物燃料電池。氫燃料電池在30～ 90℃下運(yùn)行，啟動(dòng)時(shí)間很短,0～ 20s內(nèi)即可達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷工作，壽命可以達(dá)到10年，無(wú)震動(dòng)，無(wú)廢氣排放，大批量生產(chǎn)成本可降到100～ 200美元/kW 。將氫燃料電池用于電動(dòng)車(chē)，與燃油汽車(chē)比較，除成本外，各方面性能均優(yōu)于現(xiàn)有的汽車(chē)。只要進(jìn)一步降低成本，預(yù)計(jì)不久就會(huì)有實(shí)用的電動(dòng)車(chē)問(wèn)世。
基于以上情況，各國(guó)都在加緊對(duì)氫氣作燃料的燃料電池開(kāi)發(fā)。德國(guó)已陸續(xù)推出了各種燃?xì)淦?chē)。在冰島政府的支持下，原戴姆勒-克萊斯勒公司和殼牌公司于1999年初公布了把這個(gè)島國(guó)變?yōu)槭澜缟系谝粋€(gè)“氫經(jīng)濟(jì)”的國(guó)家計(jì)劃———最終用無(wú)污染的氫能源取代所有小轎車(chē)、公共汽車(chē)上使用的柴油和汽油。
我國(guó)在廣東汕頭南澳島建立了電動(dòng)汽車(chē)試驗(yàn)區(qū)，有近20輛電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)投入試驗(yàn)。從總體水平上看，我國(guó)的氫能和氫燃料電池的研究開(kāi)發(fā)工作與國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一定差距。
氫燃料電池還未完全實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的原因主要有兩方面。首先，如何制造氫氣。制氫的方式是多種多樣的，既可通過(guò)化學(xué)方法對(duì)化合物進(jìn)行重整、分解、光解或水解等方式獲得，也可通過(guò)電解水制氫，或是利用產(chǎn)氫微生物進(jìn)行發(fā)酵或光合作用來(lái)制得氫氣。其中，電解水制氫是一種完全清潔的制氫方式，但這種方法能耗量較大，在現(xiàn)場(chǎng)制氫方面的應(yīng)用受到了一些限制，目前還在進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。生物制氫法采用有機(jī)廢物為原料，通過(guò)光合作用或細(xì)菌發(fā)酵進(jìn)行產(chǎn)氫。但目前對(duì)這種方法的產(chǎn)氫機(jī)理了解得尚不深入，在菌種培育、細(xì)菌代謝路徑、細(xì)菌產(chǎn)氫條件等方面的許多問(wèn)題還有待研究，總的說(shuō)來(lái)還不成熟。目前主要的大規(guī)模產(chǎn)氫方式是以煤、石油、天然氣為原料加熱制氫，需要800℃
以上的高溫，轉(zhuǎn)化爐等設(shè)備需要特殊材料，且不適合小規(guī)模制氫。近來(lái)發(fā)展了甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫，這種制氫方式反應(yīng)溫度低(260～ 280℃),工藝條件緩和，能耗約為前者的50%。甲醇還具有宜于攜帶運(yùn)輸，可以像汽油一樣加注等優(yōu)點(diǎn)。因此，甲醇轉(zhuǎn)化氫氣已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。另外，金屬氫化物儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫技術(shù)的研究也對(duì)車(chē)載儲(chǔ)氫和制氫提供了途徑。
甲醇燃料電池
直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池通常稱(chēng)為直接甲醇燃料電池(DMFC)。膜電極主要由甲醇陽(yáng)極、氧氣陰極和質(zhì)子交換膜(PEM)構(gòu)成。陽(yáng)極和陰極分別由不銹鋼板、塑料薄膜、銅質(zhì)電流收集板、石墨、氣體擴(kuò)散層和多孔結(jié)構(gòu)的催化層組成。其中，氣體擴(kuò)散層起支撐催化層、收集電流及傳導(dǎo)反應(yīng)物的作用，由具有導(dǎo)電功能的碳紙或碳布組成；催化層是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，常用的陽(yáng)極和陰極電極催化劑分別為PtRu/C和Pt/C。
直接甲醇燃料電池?zé)o須中間轉(zhuǎn)化裝置，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積能量密度高，還具有起動(dòng)時(shí)間短、負(fù)載響應(yīng)特性佳、運(yùn)行可靠性高，在較大的溫度范圍內(nèi)都能正常工作，燃料補(bǔ)充方便等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要分為
(2)50～ 1 000kW的固定式發(fā)電設(shè)備;
(3)未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力源;
(4)移動(dòng)通訊設(shè)備電源。
由于意識(shí)到DMFC是潛在的移動(dòng)式電源并有可能替代部分軍用電池，各國(guó)的多個(gè)科研機(jī)構(gòu)對(duì)此展開(kāi)了深入研究。 2002年，以色列特拉維夫大學(xué)首先開(kāi)發(fā)成功了甲醇直接方式的手機(jī)燃料電池。2003年日本東芝公司宣布開(kāi)發(fā)出一種可用于手機(jī)和小型信息終端的以高濃甲醇為發(fā)電原料的燃料電池，這種電池的大小像手掌一樣，輸出的電能卻是現(xiàn)在手機(jī)用鋰電池的6倍[2]。德國(guó)SFC燃料電池公司宣稱(chēng)已開(kāi)發(fā)出甲醇電池設(shè)備的初期生產(chǎn)樣品，該設(shè)備可創(chuàng)造出40W的電源，未來(lái)將被應(yīng)用于筆記本電腦、打印機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)品。
近年來(lái)，微型DMFC及軍用燃料電池已接近實(shí)用，但陽(yáng)極催化劑活性差，陽(yáng)極催化劑層中缺乏合理的甲醇和二氧化碳分流通道以及阻止甲醇從陽(yáng)極向陰極穿透等方面還存在很多技術(shù)難題。針對(duì)這些問(wèn)題，也提出了一些解決的途徑。在催化劑活性方面，利用貴金屬二元、三元合金催化劑來(lái)提高抗CO中毒的能力或?qū)ふ曳?/span>貴金屬催化劑以提高催化劑的活性。對(duì)于部分CH3OH穿過(guò)PEM直接與O2反應(yīng)不產(chǎn)生電流的問(wèn)題，可通過(guò)降低CH3OH在PEM中的擴(kuò)散系數(shù)、改進(jìn)或研制新型PEM的方法減少甲醇擴(kuò)散，提高電池效率。隨著DMFC的燃料轉(zhuǎn)換效率、功率密度、可靠性的提高和成本的降低,DMFC將會(huì)成為未來(lái)理想的燃料電池。
現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
在中國(guó)的燃料電池研究始于1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開(kāi)展了MCFC的研究。70年代在航天事業(yè)的推動(dòng)下，中國(guó)燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制成功的兩種類(lèi)型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級(jí)AFC）均通過(guò)了例行的航天環(huán)境模擬試驗(yàn)。1990年中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所承擔(dān)了中科院PEMFC的研究任務(wù)，1993年開(kāi)始進(jìn)行直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備研究所于1991年研制出由7個(gè)單電池組成的MCFC原理性電池。“八五”期間，中科院大連化學(xué)物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所、清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)十幾個(gè)單位進(jìn)行了與SOFC的有關(guān)研究。到90年代中期，由于國(guó)家科技部與中科院將燃料電池技術(shù)列入"九五"科技攻關(guān)計(jì)劃的推動(dòng)，中國(guó)進(jìn)入了燃料電池研究的第二個(gè)高潮。
在中國(guó)科學(xué)工作者在燃料電池基礎(chǔ)研究和單項(xiàng)技術(shù)方面取得了不少進(jìn)展，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。但是，由于多年來(lái)在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來(lái)看，與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大差距。我國(guó)有關(guān)部門(mén)和專(zhuān)家對(duì)燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學(xué)會(huì)議上對(duì)中國(guó)燃料電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了專(zhuān)題討論，強(qiáng)調(diào)了自主研究與開(kāi)發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年中國(guó)加強(qiáng)了在PEMFC方面的研究力度。 2000年大連化學(xué)物理研究所與中科院電工研究所已完成30kW車(chē)用用燃料電池的全部試驗(yàn)工作。科技部副部長(zhǎng)徐冠華在EVS16屆大會(huì)上宣布，中國(guó)將在2000年裝出首臺(tái)燃料電池電動(dòng)車(chē)。此前參與燃料電池研究的有關(guān)概況如下：
燃料電池
1：PEMFC的研究狀況
燃料電池
復(fù)旦大學(xué)在90年代初開(kāi)始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制備和電極制備工藝。廈門(mén)大學(xué)與香港大學(xué)和美國(guó)的CaseWesternReserve大學(xué)合作開(kāi)展了直接甲醇PEMFC的研究。
1994年，上海大學(xué)與北京石油大學(xué)合作研究PEMFC(“八五”攻關(guān)項(xiàng)目)，主要研究催化劑、電極、電極膜集合體的制備
工藝。
燃料電池
中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所于1994年開(kāi)始研究PEMFC，主營(yíng)使用計(jì)算傳熱和計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)各種供氣、增濕、排熱和排水方案進(jìn)行比較，提出改進(jìn)的傳熱和傳質(zhì)方案。
天津電源研究所1997年開(kāi)始PEMFC的研究，擬從國(guó)外引進(jìn)1.5kW的電池，在解析吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)展研究。
1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進(jìn)行PEMFC的研制與開(kāi)發(fā)，5kW的PEMFC樣機(jī)現(xiàn)已研制成功并開(kāi)始接受訂貨。
2：MCFC的研究簡(jiǎn)況
燃料電池
1993年中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在中國(guó)科學(xué)院的資助下開(kāi)始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滾壓法和帶鑄法制備出MCFC用的隔膜，組裝了單體電池，其性能已達(dá)到國(guó)際80年代初的水平。
90年代初，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所也開(kāi)始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制備方法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽(yáng)極材料等方面取得了很大進(jìn)展。
北京科技大學(xué)于90年代初在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下開(kāi)展了MCFC的研究，主要研究電極材料與電解質(zhì)的相互作用，提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。
3：SOFC的研究簡(jiǎn)況
最早開(kāi)展SOFC研究的是中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所他們?cè)?971年就開(kāi)展了SOFC的研究，主要側(cè)重于SOFC電極材料和電解質(zhì)材料的研究。80年代在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下又開(kāi)始了SOFC的研究，系統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽(yáng)極材料、單體SOFC結(jié)構(gòu)等，已初步掌握了濕化學(xué)法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術(shù)。吉林大學(xué)于1989年在吉林省青年科學(xué)基金資助下開(kāi)始對(duì)SOFC的電解質(zhì)、陽(yáng)極和陰極材料等進(jìn)行研究組裝成單體電池，通過(guò)了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計(jì)委和國(guó)家計(jì)委450萬(wàn)元人民幣的資助，先后研究了電
極、電解質(zhì)、密封和聯(lián)結(jié)材料等，單體電池開(kāi)路電壓達(dá)1.18V，電流密度400mA/cm，4個(gè)單體電池串聯(lián)的電池組能使收音機(jī)和錄音機(jī)正常工作。
燃料電池
1991年中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所在中國(guó)科學(xué)院資助下開(kāi)展了SOFC的研究，從研制材料著手制成了管式和平板式的單體電池，功率密度達(dá)0.09W/cm～0.12W/cm，電流密度為150mA/cm～180mA/cm，工作電壓為0.60V～0.65V。1994年該所從俄羅斯科學(xué)院烏拉爾分院電化學(xué)研究所引進(jìn)了20W～30W塊狀疊層式SOFC電池組，電池壽命達(dá)1200h。他們?cè)诜治龆砹_斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國(guó)Westinghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國(guó)Siemens板式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了六面體式新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸收了管式不密封的優(yōu)點(diǎn)，電池間組合采用金屬氈柔性聯(lián)結(jié)，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。
華南理工大學(xué)于1992年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)李嘉誠(chéng)科研基金、廣東佛山基金共一百多萬(wàn)元的資助下開(kāi)始了SOFC的研究，組裝的管狀單體電池，用甲烷直接作燃料，最大輸出功率為4mW/cm，電流密度為17mA/cm，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)140h，電池性能無(wú)明顯衰減。
4：潔凈、高效、無(wú)污染特點(diǎn)
國(guó)際現(xiàn)狀
發(fā)達(dá)國(guó)家都將大型燃料電池的開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車(chē)上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題，2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級(jí)的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國(guó)家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運(yùn)算繪圖及文書(shū)處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。燃料電池的高效率、無(wú)污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國(guó)外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。
磷酸型燃料電池(PAFC)
燃料電池
東芝公司從70年代后半期開(kāi)始，以分散型燃料電池為中心進(jìn)行開(kāi)發(fā)以后，將分散電源用11MW機(jī)以及200kW機(jī)形成了系列化。11MW機(jī)是世界上最大的燃料電池發(fā)電設(shè)備，從1989年開(kāi)始在東京電力公司五井火電站內(nèi)建造，1991年3月初發(fā)電成功后，直到1996年5月進(jìn)行了5年多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)2萬(wàn)小時(shí)，在額定運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率43.6%。在小型現(xiàn)場(chǎng)燃料電池領(lǐng)域，1990年?yáng)|芝和美國(guó)IFC公司為使現(xiàn)場(chǎng)用燃料電池商業(yè)化，成立了ONSI公司，以后開(kāi)始向全世界銷(xiāo)售現(xiàn)場(chǎng)型200kW設(shè)備"PC25"系列。PC25系列燃料電池從1991年末運(yùn)行，到1998年4月，共向世界銷(xiāo)售了174臺(tái)。其中安裝在美國(guó)某公司的一臺(tái)機(jī)和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號(hào)機(jī)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相繼突破了4萬(wàn)小時(shí)。從燃料電池的壽命和可靠性方面來(lái)看，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間4萬(wàn)h是燃料電池的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。東芝ONSI已完成了正式商用機(jī)PC25C型的開(kāi)發(fā)，早已投放市場(chǎng)。PC25C型作為21世紀(jì)新能源先鋒獲得日本通商產(chǎn)業(yè)大獎(jiǎng)。從燃料電池商業(yè)化出發(fā)，該設(shè)備被評(píng)價(jià)為具有高先進(jìn)性、可靠性以及優(yōu)越的環(huán)境性設(shè)備。它的制造成本是$3000/kW，將推出的商業(yè)化PC25D型設(shè)備成本會(huì)降至$1500/kW，體積比PC25C型減少1/4，質(zhì)量?jī)H為14t。2001年，在中國(guó)就將迎來(lái)第一座PC25C型燃料電池電站，它主要由日本的MITI（NEDO）資助的，這將是我國(guó)第一座燃料電池發(fā)電站。
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)
著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技術(shù)上全球領(lǐng)先，它的應(yīng)用領(lǐng)域從交通工具到固定電站，其子公司BallardGenerationSystem被認(rèn)為在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和市場(chǎng)化零排放質(zhì)子交換膜燃料電池上處于世界領(lǐng)先地位。BallardGenerationSystem最初產(chǎn)品是250kW燃料電池電站，其基本構(gòu)件是Ballard燃料電池，利用氫氣（由甲醇、天然氣或石油得到）、氧氣（由空氣得到）不燃燒地發(fā)電。Ballard公司正和世界許多著名公司合作以使BallardFuelCell商業(yè)化。BallardFuelCell已經(jīng)用于固定發(fā)電廠：由BallardGenerationSystem，GPUInternationalInc.，AlstomSA和EBARA公司共同組建了BallardGenerationSystem，共同開(kāi)發(fā)千瓦級(jí)以下的燃料電池發(fā)電廠。經(jīng)過(guò)5年的開(kāi)發(fā)，第一座250kW發(fā)電廠于1997年8月成功發(fā)電，1999年9月送至IndianaCinergy，經(jīng)過(guò)周密測(cè)試、評(píng)估，并提高了設(shè)計(jì)的性能、降低了成本，這導(dǎo)致了第二座電廠的誕生，它安裝在柏林，250kW輸出功率，也是在歐洲的第一次測(cè)試。很快Ballard公司的第三座250kW電廠也在2000年9月安裝在瑞士進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，緊接著，在2000年10月通過(guò)它的伙伴EBARABallard將第四座燃料電池電廠安裝在日本的NTT公司，向亞洲開(kāi)拓了市場(chǎng)。在不同地區(qū)進(jìn)行的測(cè)試將大大促進(jìn)燃料電池電站的商業(yè)化。第一個(gè)早期商業(yè)化電廠將在2001年底面市。下圖是安裝在美國(guó)Cinergy的Ballard燃料電池裝置，正在測(cè)試。
圖是安裝在柏林的250kW PEMFC燃料電池電站：
在美國(guó)，PlugPower公司是最大的質(zhì)子交換膜燃料電池開(kāi)發(fā)公司，他們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)、制造適合于居民和汽車(chē)用經(jīng)濟(jì)型燃料電池系統(tǒng)。1997年，PlugPower模塊第一個(gè)成功地將汽油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。PlugPower公司開(kāi)發(fā)出它的專(zhuān)利產(chǎn)品PlugPower7000居民家用分散型電源系統(tǒng)。商業(yè)產(chǎn)品在2001年初推出。家用燃料電池的推出將使核電站、燃?xì)獍l(fā)電站面臨挑戰(zhàn)，為了推廣這種產(chǎn)品，1999年2月，PlugPower公司和GEMicroGen成立了合資公司，產(chǎn)品改稱(chēng)GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司負(fù)責(zé)全球推廣。此產(chǎn)品將提供7kW的持續(xù)電力。GE/Plug公司宣稱(chēng)其2001年初售價(jià)為$1500/kW。他們預(yù)計(jì)5年后，大量生產(chǎn)的燃料電池售價(jià)將降至$500/kW。假設(shè)有20萬(wàn)戶(hù)家庭各安裝一個(gè)7kW的家用燃料電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個(gè)核電機(jī)組的容量，這種分散型發(fā)電系統(tǒng)可用于尖峰用電的供給，又因分散式系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)依然能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在Ballard公司的帶動(dòng)下，許多汽車(chē)制造商參加了燃料電池車(chē)輛的研制，例如：Chrysler(克萊斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda(本田)、Nissan(尼桑)、VolkswagenAG(大眾)和Volvo(富豪)等，它們?cè)S多正在使用的燃料電池都是由Ballard公司生產(chǎn)的，同時(shí)，它們也將大量的資金投入到燃料電池的研制當(dāng)中，克萊斯勒公司給Ballard公司注入4億5千萬(wàn)加元用于開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)，大大的促進(jìn)了PEMFC的發(fā)展。1997年，Toyota公司就制成了一輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車(chē)，它由一個(gè)25kW的燃料電池和輔助干電池一起提供了全部50kW的能量，最高時(shí)速可以達(dá)到125km/h，行程可達(dá)500km。這些大的汽車(chē)公司均有燃料電池開(kāi)發(fā)計(jì)劃，雖然燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的時(shí)機(jī)還未成熟，但幾家公司已確定了開(kāi)始批量生產(chǎn)的時(shí)間表，Daimler-Benz公司宣布，到2004年將年產(chǎn)40000輛燃料電池汽車(chē)。因而未來(lái)十年，極有可能達(dá)到100000輛燃料電池汽車(chē)。
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
50年代初，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由于其可以作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這之后，MCFC發(fā)展的非?？欤陔姵夭牧?、工藝、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進(jìn)，但電池的工作壽命并不理想。到了80年代，它已被作為第二代燃料電池，而成為實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)商品化燃料電池電站的主要研究目標(biāo)，研制速度日益加快。MCFC的主要研制者集中在美國(guó)、日本和西歐等國(guó)家。預(yù)計(jì)2002年將商品化生產(chǎn)。
美國(guó)能源部（DOE）2000年已撥給固定式燃料電池電站的研究費(fèi)用4420萬(wàn)美元，而其中的2/3將用于MCFC的開(kāi)發(fā)，1/3用于SOFC的開(kāi)發(fā)。美國(guó)的MCFC技術(shù)開(kāi)發(fā)一直主要由兩大公司承擔(dān)，ERC（EnergyResearchCorporation）（現(xiàn)為FuelCellEnergyInc.）和M-CPower公司。他們通過(guò)不同的方法建造MCFC堆。兩家公司都到了現(xiàn)場(chǎng)示范階段：ERC1996年已進(jìn)行了一套設(shè)于加州圣克拉拉的2MW的MCFC電站的實(shí)證試驗(yàn)，正在尋找3MW裝置試驗(yàn)的地點(diǎn)。ERC的MCFC燃料電池在電池內(nèi)部進(jìn)行無(wú)燃?xì)獾母馁|(zhì)，而不需要單獨(dú)設(shè)置的改質(zhì)器。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，ERC對(duì)電池進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將電池改成250kW單電池堆，而非原來(lái)的125kW堆，這樣可將3MW的MCFC安裝在0.1英畝的場(chǎng)地上，從而降低投資費(fèi)用。ERC預(yù)計(jì)將以$1200/kW的設(shè)備費(fèi)用提供3MW的裝置。這與小型燃?xì)鉁u輪發(fā)電裝置設(shè)備費(fèi)用$1000/kW接近。但小型燃?xì)獍l(fā)電效率僅為30%，并且有廢氣排放和噪聲問(wèn)題。與此同時(shí)，美國(guó)M-CPower公司已在加州圣迭戈的海軍航空站進(jìn)行了250kW裝置的試驗(yàn)，計(jì)劃在同一地點(diǎn)試驗(yàn)改進(jìn)75kW裝置。M-CPower公司正在研制500kW模塊，計(jì)劃2002年開(kāi)始生產(chǎn)。
日本對(duì)MCFC的研究，自1981年"月光計(jì)劃"時(shí)開(kāi)始，1991年后轉(zhuǎn)為重點(diǎn)，每年在燃料電池上的費(fèi)用為12-15億美元，1990年政府追加2億美元，專(zhuān)門(mén)用于MCFC的研究。電池堆的功率1984年為1kW，1986年為10kW。日本同時(shí)研究?jī)?nèi)部轉(zhuǎn)化和外部轉(zhuǎn)化技術(shù)，1991年，30kW級(jí)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化MCFC試運(yùn)轉(zhuǎn)。1992年50-100kW級(jí)試運(yùn)轉(zhuǎn)。1994年，分別由日立和石川島播磨重工完成兩個(gè)100kW、電極面積1m，加壓外重整MCFC。另外由中部電力公司制造的1MW外重整MCFC正在川越火力發(fā)電廠安裝，預(yù)計(jì)以天然氣為燃料時(shí)，熱電效率大于45%，運(yùn)行壽命大于5000h。由三菱電機(jī)與美國(guó)ERC合作研制的內(nèi)重整30kWMCFC已運(yùn)行了10000h。三洋公司也研制了30kW內(nèi)重整MCFC。石川島播磨重工有世界上最大面積的MCFC燃料電池堆，試驗(yàn)壽命已達(dá)13000h。日本為了促進(jìn)MCFC的開(kāi)發(fā)研究，于1987年成立了MCFC研究協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)燃料電池堆運(yùn)轉(zhuǎn)、電廠外圍設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)等方面的研究，它已聯(lián)合了14個(gè)單位成為日本研究開(kāi)發(fā)主力。
歐洲早在1989年就制定了1個(gè)Joule計(jì)劃，目標(biāo)是建立環(huán)境污染小、可分散安裝、功率為200MW的"第二代"電廠，包括MCFC、SOFC和PEMFC三種類(lèi)型，它將任務(wù)分配到各國(guó)。進(jìn)行MCFC研究的主要有荷蘭、意大利、德國(guó)、丹麥和西班牙。荷蘭對(duì)MCFC的研究從1986年已經(jīng)開(kāi)始，1989年已研制了1kW級(jí)電池堆，1992年對(duì)10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化型與1kW級(jí)內(nèi)部轉(zhuǎn)化型電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，1995年對(duì)煤制氣與天然氣為燃料的2個(gè)250kW系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。意大利于1986年開(kāi)始執(zhí)行MCFC國(guó)家研究計(jì)劃，1992-1994年研制50-100kW電池堆，意大利Ansodo與IFC簽定了有關(guān)MCFC技術(shù)的協(xié)議，已安裝一套單電池（面積1m2）自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，年生產(chǎn)能力為2-3MW，可擴(kuò)大到6-9MW。德國(guó)MBB公司于1992年完成10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，在ERC協(xié)助下，于1992年-1994年進(jìn)行了100kW級(jí)與250kW級(jí)電池堆的制造與運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)?，F(xiàn)在MBB公司擁有世界上最大的280kW電池組體。
資料表明，MCFC與其他燃料電池比有著獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：
a．發(fā)電效率高比PAFC的發(fā)電效率還高；
b．不需要昂貴的白金作催化劑，制造成本低；
c．可以用CO作燃料；
e．中小規(guī)模經(jīng)濟(jì)性與幾種發(fā)電方式比較，當(dāng)負(fù)載指數(shù)大于45%時(shí)，MCFC發(fā)電系統(tǒng)成本最低。與PAFC相比，雖然MCFC起始投資高，但PAFC的燃料費(fèi)遠(yuǎn)比MCFC高。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)為中小規(guī)模分散型時(shí)，MCFC的經(jīng)濟(jì)性更為突出；
f．MCFC的結(jié)構(gòu)比PAFC簡(jiǎn)單。
固體氧化物燃料電池(SOFC)
SOFC由用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成?？諝庵械难踉诳諝鈽O/電解質(zhì)界面被氧化，在空氣燃料之間氧的分差作用下，在電解質(zhì)中向燃料極側(cè)移動(dòng)，在燃料極電解質(zhì)界面和燃料中的氫或一氧化碳反應(yīng)，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過(guò)外部回路，再次返回空氣極，此時(shí)產(chǎn)生電能。
SOFC的特點(diǎn)如下：
由于是高溫動(dòng)作（600-1000℃），通過(guò)設(shè)置底面循環(huán)，可以獲得超過(guò)60%效率的高效發(fā)電。
由于氧離子是在電解質(zhì)中移動(dòng)，所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。
由于電池本體的構(gòu)成材料全部是固體，所以沒(méi)有電解質(zhì)的蒸發(fā)、流淌。另外，燃料極空氣極也沒(méi)有腐蝕。l動(dòng)作溫度高，可以進(jìn)行甲烷等內(nèi)部改質(zhì)。
與其他燃料電池比，發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以期望從容量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備，具有廣泛用途。
在固定電站領(lǐng)域，SOFC明顯比PEMFC有優(yōu)勢(shì)。SOFC很少需要對(duì)燃料處理，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，而且，SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)行高效熱電聯(lián)產(chǎn)。下圖為西門(mén)子-西屋公司開(kāi)發(fā)出的世界第一臺(tái)SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電站，它于2000年5月安裝在美國(guó)加州大學(xué)，功率220kW，發(fā)電效率58%。未來(lái)的SOFC/燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率將達(dá)到60-70%。
被稱(chēng)為第三代燃料電池的SOFC正在積極的研制和開(kāi)發(fā)中，它是正在興起的新型發(fā)電方式之一。美國(guó)是世界上最早研究SOFC的國(guó)家，而美國(guó)的西屋電氣公司所起的作用尤為重要，現(xiàn)已成為在SOFC研究方面最有權(quán)威的機(jī)構(gòu)。早在1962年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料，在SOFC試驗(yàn)裝置上獲得電流，并指出烴類(lèi)燃料在SOFC內(nèi)必須完成燃料的催化轉(zhuǎn)化與電化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)基礎(chǔ)過(guò)程，為SOFC的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后10年間，該公司與OCR機(jī)構(gòu)協(xié)作，連接400個(gè)小圓筒型ZrO2-CaO電解質(zhì)，試制100W電池，但此形式不便供大規(guī)模發(fā)電裝置應(yīng)用。80年代后，為了開(kāi)辟新能源，緩解石油資源緊缺而帶來(lái)的能源危機(jī)，SOFC研究得到蓬勃發(fā)展。西屋電氣公司將電化學(xué)氣相沉積技術(shù)應(yīng)用于SOFC的電解質(zhì)及電極薄膜制備過(guò)程，使電解質(zhì)層厚度減至微米級(jí)，電池性能得到明顯提高，從而揭開(kāi)了SOFC的研究嶄新的一頁(yè)。80年代中后期，它開(kāi)始向研究大功率SOFC電池堆發(fā)展。1986年，400W管式SOFC電池組在田納西州運(yùn)行成功。
燃料電池
另外，美國(guó)的其它一些部門(mén)在SOFC方面也有一定的實(shí)力。位于匹茲堡的PPMF是SOFC技術(shù)商業(yè)化的重要生產(chǎn)基地，這里擁有完整的SOFC電池構(gòu)件加工、電池裝配和電池質(zhì)量檢測(cè)等設(shè)備，是目前世界上規(guī)模最大的SOFC技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心。1990年，該中心為美國(guó)DOE制造了20kW級(jí)SOFC裝置，該裝置采用管道煤氣為燃料，已連續(xù)運(yùn)行了1700多小時(shí)。與此同時(shí)，該中心還為日本東京和大阪煤氣公司、關(guān)西電力公司提供了兩套25kW級(jí)SOFC試驗(yàn)裝置，其中一套為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。另外美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也研究開(kāi)發(fā)了疊層波紋板式SOFC電池堆，并開(kāi)發(fā)出適合于這種結(jié)構(gòu)材料成型的澆注法和壓延法。使電池能量密度得到顯著提高，是比較有前途的SOFC結(jié)構(gòu)。在日本，SOFC研究是“月光計(jì)劃”的一部分。早在1972年，電子綜合技術(shù)研究所就開(kāi)始研究SOFC技術(shù)，后來(lái)加入"月光計(jì)劃"研究與開(kāi)發(fā)行列，1986年研究出500W圓管式SOFC電池堆，并組成1.2kW發(fā)電裝置。東京電力公司與三菱重工從1986年12月開(kāi)始研制圓管式SOFC裝置，獲得了輸出功率為35W的單電池，當(dāng)電流密度為200mA/cm2時(shí)，電池電壓為0.78V，燃料利用率達(dá)到58%。1987年7月，電源開(kāi)發(fā)公司與這兩家公司合作，開(kāi)發(fā)出1kW圓管式SOFC電池堆，并連續(xù)試運(yùn)行達(dá)1000h，最大輸出功率為1.3kW。關(guān)西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機(jī)構(gòu)則從美國(guó)西屋電氣公司引進(jìn)3kW及2.5kW圓管式SOFC電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，取得了滿(mǎn)意的結(jié)果。從1989年起，東京煤氣公司還著手開(kāi)發(fā)大面積平板式SOFC裝置，1992年6月完成了100W平板式SOFC裝置，該電池的有效面積達(dá)400cm?，F(xiàn)Fuji與Sanyo公司開(kāi)發(fā)的平板式SOFC功率已達(dá)到千瓦級(jí)。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從1990年起對(duì)疊層波紋板式SOFC系統(tǒng)進(jìn)行研究和綜合評(píng)價(jià)，研制出406W試驗(yàn)裝置，該裝置的單電池有效面積達(dá)到131cm。
在歐洲早在70年代，聯(lián)邦德國(guó)海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的SOFC發(fā)電裝置，單電池運(yùn)行性能良好。80年代后期，在美國(guó)和日本的影響下，歐共體積極推動(dòng)歐洲的SOFC的商業(yè)化發(fā)展。德國(guó)的Siemens、DomierGmbH及ABB研究公司致力于開(kāi)發(fā)千瓦級(jí)平板式SOFC發(fā)電裝置。Siemens公司還與荷蘭能源中心(ECN)合作開(kāi)發(fā)開(kāi)板式SOFC單電池，有效電極面積為67cm2。ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦級(jí)SOFC發(fā)電裝置，這種電池為金屬雙極性結(jié)構(gòu)，在800℃下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，效果良好。現(xiàn)正考慮將其制成25～100kW級(jí)SOFC發(fā)電系統(tǒng)，供家庭或商業(yè)應(yīng)用。
參考資料
[1]
我國(guó)學(xué)者破解燃料電池研發(fā)中的關(guān)鍵難題 · 環(huán)球網(wǎng)[引用日期2020-07-15]
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