第一情报 ---能源与环境

燃料电池技术进展及发达国家的开发动态

现阶段,最主要也是最具前景的氢能利用方式就是燃料电池。燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力源,其主要应用途径是汽车用。过去10年西方汽车商在研究开发燃料电池上的投资高达100亿美元,其中80%用于开发车用燃料电池。预计未来5年西方在该领域的投入至少还将增加40亿美元。2002年美国政府对燃料电池研究的投入约为2.2亿美元,日本的研发预算也增加到2.2亿美元。美国Arthur D.Little公司估计,2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。美国、德国、日本在目前的燃料电池技术研发(氢能开发)领域处于领先地位。
 
燃料电池的类型主要有质子交换膜燃料电池(PEMFC,最有前途);碱性燃料电池(AFC);磷酸盐型燃料电池(PAFC);熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC);固体氧化物燃料电池(SOFC)。
   燃料电池的应用领域
 
 
 
PEMFC
AFC
PAFC
MCFC
SOFC
固定
分布式
电源
电网侧
集中式
不可能
不可能
不可能
可能
可能
分布式
不可能
不可能
不可能
可能
可能
发电功率再生
不可能
不可能
可能
可能
可能
用户侧发电
住宅
可能
研究中
不可能
研究中
可能
商用
可能
研究中
可能
可能
可能
轻工业
研究中
研究中
可能
可能
可能
重工业
不可能
不可能
可能
可能
可能
交通
动力装置       
轻型
可能
不可能
不可能
不可能
不可能
重型
可能
不可能
研究中
研究中
研究中
辅助动力
轻&重型
可能
不可能
不可能
不可能
可能
可携式
特级应用
娱乐,军事
可能
不可能
不可能
不可能
可能
微型
电子,军事
可能
不可能
不可能
不可能
不可能
资料来源:DOE  上海科技情报研究所钟婷整理
 
I.        碱性燃料电池(AFC
 
这种电池用35%~45%KOH为电解液,渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中,工作温度小于100℃。该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度比在酸性液中大,因此有较大的电流密度和输出功率。但氧化剂应为纯氧,电池中贵金属催化剂用量较大,而利用率不高。目前,此类燃料电池技术的发展已非常成熟,并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。发展碱性燃料电池的核心技术是要避免二氧化碳对碱性电解液成分的破坏,不论是空气中百万分之几的二氧化碳成分还是烃类的重整气使用时所含有的二氧化碳,都要进行去除处理,这无疑增加了系统的总体造价。此外,电池进行电化学反应生成的水需及时排出,以维持水平衡。因此,简化排水系统和控制系统也是碱性燃料电池发展中需要解决的核心技术。
 
II.     酸型燃料电池(PAFC
 
这种电池采用磷酸为电解质,工作温度200℃左右。其突出优点是贵金属催化剂用量比碱性氢氧化物燃料电池大大减少,还原剂的纯度要求有较大降低,一氧化碳含量可允许达5%。该类电池一般以有机碳氢化合物为燃料,正负电极用聚四氟乙烯制成的多孔电极,电极上涂Pt作催化剂,电解质为85%的H3PO4。在100~200℃范围内性能稳定,导电性强。磷酸电池较其他燃料电池制作成本低,已接近可供民用的程度。目前,国际上功率较大的实用燃料电池电力站均用这种燃料的电池。美国将磷酸型燃料电池列为国家级重点科研项目进行研究开发,向全世界出售200kW级的磷酸型燃料电池,日本制造出了世界上最大的(11MW)磷酸型燃料电池。到2002年初,美国已在全世界安装测试了200kW PAFC发电装置235套,累计发电470万小时。在美国和日本,有几套装置已达到连续发电1万小时的设计目标。欧洲现有5套200kW PAFC发电装置在运转。日本福日电器和三菱电器已经开发出500kW PAFC发电系统。我国魏子栋等人进行Pt3(Fe/Co)/C氧还原电催化剂的研究,并提出了Fe/Co对Pt的锚定效应。磷酸型燃料电池发电技术目前已得到高速发展,但是其启动时间较长以及余热利用价值低等发展障碍导致其发展速度减缓。
 
III.  熔融碳酸盐燃料电池(MCFC
 
这种电池用两种或多种碳酸盐的低融混合物为电解质,如用碱-碳酸盐低温共融体渗透进多孔性基质,电极为镍粉烧制而成,阴极粉末中含多种过渡金属元素作稳定剂,主要是在美国、日本和西欧研究和利用较多。2~5MW外公用管道型熔融碳酸盐燃料电池已经问世,在解决MCFC的性能衰减和电解质迁移方面已取得突破,美国燃料电池能源公司已在实验室测试263kW MCFC发电装置。意大利Ansaldo公司与西班牙Spanishcomp’s合作开发100kW MCFC发电装置和500kW MCFC发电装置。日本日立公司2000年开发出1M W的MCFC发电装置。东芝开发出低成本的10kW MCFC发电装置。MCFC中阴极、阳极、电解质隔膜和双极板是基础研究的四大难点,这四大部件的集成和对电解质的管理是MCFC电池组及电站模块的安装和运转的技术核心。
 
IV.  固体氧化物燃料电池(SOFC
 
电池中的电解质是复合氧化物,在高温(1000℃以下)时,有很强的离子导电功能。它是由于钙、镱或钇等混入离子价态低于锆离子的价态,使有些氧负离子晶格位空出来而导电。目前世界各国都在研制这类电池,并已有实质性的进展,但存在缺点:制造成本较高;温度太高;电介质易裂缝;电阻较大。目前已开发了管式、平板式和瓦楞式等多种结构形成的固体氧化物燃料电池,这种燃料电池被称为第三代燃料电池。美国和日本多家公司正在开发10kW平面轮机SOFC发电装置。德国西门子-西屋电器公司正在测试100kW SOFC管状工作堆,美国在测试25kW SOFC工作堆。国内大都处于SOFC的基础研究阶段。SOFC在高温下工作也给其带来一系列材料,密封和结构上的问题,如电极的烧结,电解质与电极之间的界面化学扩散以及热膨胀系数不同的材料之间的匹配和双极板材料的稳定性等。这些也在一定程度上制约着SOFC的发展,成为其技术突破的关健方面。
 
V.     质子交换膜燃料电池(PEMFC
 
它是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池,它是为航天和军用电源而开发的。在美国《时代周刊》的社会调查结果中被列为21世纪十大科技新技术之首。美国多家公司、 日本、三洋、三菱等公司也已研究开发出便携式PEMFC发电堆。加拿大电力系统公司与日本的EBARA公司合作研究开发250kW PEMFC发电设备和1kW PEMFC便携式发电系统。德国在柏林建造了一个250kW PEMFC的实验堆。质子交换膜燃料电池的核心技术是电极-膜-电极三合一组件的制备技术。为了向气体扩散,电极内加入质子导体,并改善电极与膜的接触,采用热压的方法将电极、膜、电极压合在一起,形成了电极-膜-电极三合一组件,其中,质子交换膜的技术参数直接影响着三合一组件的性能,因而关系到整个电池及电池组的运行效率。PEMFC的价格也制约着其商业化进程,因此,改进其必要组件性能,降低运行成本,是发展PEMFC的重要方向。
 
进入20世纪90年代后,由于人们对环境保护的日益重视和质子交换膜燃料电池技术的高速进步和显著优点,质子交换膜燃料电池在民用方面,尤其是电动车方面的应用引起了各国政府和企业的高度关注,并纷纷投巨资进行研究,使PEMFC技术得到了进一步的飞速发展,性能得到很大提高,成本也不断降低。在铂的使用量方面, Ballard公司通过采用一种新工艺,已经使载铂量降为0.02 mg/cm2。在质子交换膜方面,Ballard公司开发的BAM3G新型部分氟化质子交换膜,性能优于?壳捌毡槭褂玫腘afion系列膜,而成本仅是其20%左右。技术的进步使PEMFC的功率密度也大大提高,Ballard公司生产的电池组体积比功率已超过1300W/L,超过了DOE(美国能源部)制定的电动车标准。
 
随着PEMFC技术的飞速发展,实用的PEMFC已经开始应用于各个领域。德国海军已经配备了4艘用Siemens公司制造的300KW PEMFC作为动力源的潜艇,Ballard公司已经开始出售商业化的250KW PEMFC发电装置、电动车用PEMFC和各种便携式电源,日本丰田等汽车公司则已经推出商业化的燃料电池电动车。

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