燃料电池的新进展_石油与能源动力论文

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1、 燃料电池的新进展_石油与能源动力论文 石油与能源动力论文 作者: 高培德(中国科学院上海冶金研究所 ) 【摘要】由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行 和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清 洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的 普遍重视。 早在 1839 年，英国人.Grve 就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最早的氢-氧燃料 电池(F)。但直到 20 世纪 60 年代初，由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型 燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于

2、一次能源的匮乏和环境保护的 突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染 小等优点而受到世界各国的普遍重视。美国矿物能源部长助理克.西格尔说：“燃料电池技 术在 21 世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于 20 世纪上半叶内燃机所起的作用。 ”福 特汽车公司主管 PNGV 经理鲍伯.默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，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装置。 预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国 Arthur D.Little 公司最新估计，2000 年燃料电池在能源系

3、统市场将提供 1 5002 000 动力，价值超 过 30 亿美元，车辆市场将超过 20 亿美元；2007 年燃料电池在运输方面的商业价值将达到 90 亿美元。燃料电池的工作原理和分类、特点和优势 燃料电池发生电化学反应的实质 是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质， 只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化 燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化 学能转化为电能的装置。以熔融碳酸盐型燃料电池为例，图 1 为燃料电池的结构示意图。 图 1 熔融碳酸盐燃料电池单电池结构示意图

4、 在燃料电池电极上反应如下：阳极反应：H2+32-H2+2+2e-阴极反应：1/22+2+2e-32-总反应：1/22+H2H2燃料电池多种分类。按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型。按电解质种类又可 分为磷酸盐型燃料电池(PAF)-第一代 F；熔融碳酸盐型燃料电池(F)-第二代 F；固体氧化物 型燃料电池(SF)-第三代 F。表 1 列出了几种主要类型燃料电池的燃料、电解质、电极和工 作温度等基本特点。表 1 燃料电池的分类类型磷酸盐型燃料电池(PAF)融碳酸盐型燃料电 池(F)固体氧化物型燃料电池(SF)聚合物离子膜燃料电池(PEF)燃料煤气,天然气,甲醇等煤气,天 然气,甲醇等煤气,天

5、然气,甲醇等纯 H2 电解质磷酸水溶液 KLi3 溶盐 Zr2-Y23(8 YSZ)离子(Na 离 子)阳极 电极 阴极多孔质石墨 (Pt 催化剂) 含 Pt 催化剂+多孔 质石墨+Tefin 多孔质镍 (不要 Pt 催化剂) 多孔 Ni(掺锂)Ni-Zr2 金属陶瓷(不要 Pt 催化剂) LaxSr1-xn()3 多孔质石墨或 Ni (Pt 催化剂) 多孔质石墨或 Ni(Pt 催化剂)工作温度-200-650800-1000-100 近 20 多年来，燃料电池经历了碱 式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一 些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、

6、质子交换膜燃料电池电厂作为示范(表 2)。 表 2 一些国家的燃料电池电厂磷酸盐燃料电池电厂 NSI 公司建设的 200KPAF 电厂质子交 换膜燃料电池电厂 Ballard Generatin Syste 建设的 250K PE 燃料电池厂 Avista 实验室建造的 7.5 民用 PE 燃料电池电厂,它具有 60 热交换调制. Nrthest Per Syste 建设的 5K 民用 PE 燃料电池电厂 Plug Per 建造的 7K 民用 PE 燃料电池电厂熔融碳酸盐烯料电池电厂- Rer rpratin 建造的熔融 碳酸盐碳燃电孙电厂 Energy Researh rpratin 建造的

7、 250K 熔融碳酸盐燃料电池厂 Energy Researh rpratin 在加州 Santa lara 建造的 2 熔融碳酸盐燃料电池示范电厂固体氧体物 燃料电池电厂 Sieens estinghuse 建设的管状固体氧化物燃料电池电厂 燃料电池电厂所 以具有如此大的吸引力，是因为它与传统的火力发电、水力发电或核能发电相比，具有无 可比拟的特点和优势。1.能量转换效率高 燃料电池能量转换效率比热机和发电机能量转换效率高得多。目 前汽轮机或柴油机的效率最大值为 4050%，当用热机带动发电机时，其效率仅为 3540%， 而燃料电池的有效能效可达 6070%，其理论能量转换效率可达 90%。

8、其他物理电池，如 温差电池效率为 10%，太阳能电池效率为 20%，均无法与燃料电池相比。2.污染小、噪声低 燃料电池作为大、中型发电装置使用时其突出的优点是减少污染 排放(表 3)。对于氢燃料电池而言，发电后的产物只有水，可实现零污染。另外，由于燃料 电池无热机活塞引擎等机械传动部分，故操作环境无噪声污染。表 3 燃料电池与火力发 电的大气污染比较 (单位：kg.10-6(Kh)-1)污染成分天然气火力发电重油炎力发电煤火力发电燃料电池 S22.5- 230455082000-0.12Nx18003200320063-107 烃类 20-1270135-500030-10414-102 尘末

9、 0-9045- 320365-6800-0.14 3.高度可靠性 燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池 组构成。由于这种电池组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变 动时，它会很快响应，故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承 受且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为调节的储能电池使用。4.比能量或比功率高5.适用能力强燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油；也可 使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾，但需经专门装置 对它们重整制取。虽然燃料电池有上述种种优点，然而由于技术

10、问题，至今一切已有的燃 料电池均还没有达到大规模民用商业化程度。为此，美、日等国相继拨出巨资来发展燃料 电池。 燃料电池开发现状与发展趋势在燃料电池研究开发方面，美国、日本和德国处于世界领先地位。美国早在 1967 年就 制定了 TARGET 和 FG-1 燃料电池研究发展计划。近年美国能源部对燃料电池研究资助每年 均在 2 000 万美元以上。日本在 1981 年制定了“月光计划” ，进行燃料电池研究。1989 年 欧洲燃料电池集团成立。在所有燃料电池中，磷酸盐型燃料电池(PAF)由于磷酸易得，反应温和，成为发展最快、 研究最成熟的一种燃料电池。1977 年美国通用公司首先建成兆瓦级 PAF

11、 发电站。1991 年 日本电力公司在东京湾兴建的 1 PAF 发电站也已投入运行。目前美国已有少量销售，其商 品化阶段已经开始。熔融碳酸盐型燃料电池(F)正处于 10-20K 向兆瓦级发展阶段。1994 年 12 月美国已建成 迄今最大功率为 250K 的 F 电站。日本 1989 年已完成 25K 的 F 试验，按其“新阳光计划”- 1 的 F 中间试验电厂现正在实施中。聚合物电介质燃料电池(PEF)不仅是人造卫星上可靠、低成本的动力源，还可作为陆地 上市区交通车辆和水下潜艇的动力源。1996 年美国能源合作公司推出实验型的由三块薄膜 组成的以 1.5K PEF 为动力的“绿色轿车” 。德

12、国奔驰公司在前两年开发出 NEAR存储式燃 料电池驱动电车(燃料电池生产电能为 250K，一次行程为 250 公里)，并在慕尼黑、斯图加 特市作为试行公共电车之后，在 1998 年 8 月又作为世界首创，开发出 NEAR燃料电池驱 动电车。它用质子交换膜(PE)燃料电池为动力，以甲醇为原料，通过车辆后部的反应器产 生氢气，再以氢和空气中氧反应产生电能来驱动，当压下踏脚板后，在不到 2 秒的时间内 动力系统的能量将达到 90%，其最大行程为 400 公里，预期 2004 年投放市场。最近， Dailer hrysler 设计的燃料电池和电池混合引擎轿车 NEAR 4 由于具有零污染、宽阔的操作范

13、 围和良好的驾驶特性等最佳的设计而获得北美“1999 国际引擎年奖” 。新近美国 Ballard Per Syste 开发的第二代燃料电池公共客车已在芝加哥运行。美国至今已开发的具有代表性的运 输用的燃料电池公共客车、轿车已达 30 多种。第三代燃料电池 SF 正在积极研制开发中，1991 年 6 月美国能源部和威斯汀豪斯公司 投资 1.4 亿美元加速固体燃料电池的商业化。目前美国西屋公司处于 SF 领先地位，它们所 制造的一个由 576 个管式 SF 组成的 25K 发电系统已创 13 000 多小时运行的世纪记录。其 下一步计划是建立 100K 的 SF 热电联产系统交付荷兰/丹麦电力公司

14、使用。目前美国已有 5K 的 SF 产品出售。一些公司还打算把 SF 和储氢合金结合起来，用于开发汽车用燃料电池。近年因环境保护要求而新兴起的生物电池，用生物原料(包括林场杂木、稻草、麦杆、 玉米杆、青草、草垃圾、含能源的植物、动物粪便等)生产电能。即将生物原料通过反应器 转换成燃烧气体(主要是 H2、 、H4)，经加工处理后作为燃料电池的原料用于建立分散电站， 供家庭或城市用电；也可转换成 H2，用于电动汽车。据der Per Syste报道，一个以垃 圾场生产的燃料气体为燃料的燃料电池厂正在美国康涅狄州格罗顿镇运行，它生产国际燃 料电池公司的 200K 磷酸燃料电池。该电池厂装有燃料洁净系

15、统，使垃圾场的燃气在进入燃 料电池堆之前已被去除掉其中的氯化合物、硫化合物和共它污染物。目前德国巴伐利亚州 的 Bad Brukenan 正在建造一个生物能源-氢气工程。燃料电池中另一亮点是细菌电池。其基本原理是通过细菌发酵，把酸或糖类转化为氢 气，再将氢导入磷酸燃料电池后发电。美国 1984 年设计出一种供遨游太空用的细菌电池， 原料是宇航员的尿液和活细菌。日本也研制过用特制糖浆作原料的细菌电池。燃料电池今后的发展方向除了电动车辆(包括工交车辆、拖拉机、叉式装卸机、高尔夫 车和军事车辆等)和热电站外，另一方向是使燃料电池小型化。燃料电池替代普通电池在膝 上电脑、便携式电子器件等方面的应用列于

16、表 4。据科学美国人报道，美国洛斯阿拉 芙斯国家实验室罗伯特.G.霍克最近研制成功微型燃料电池，其电池尺寸和价格可与传统的 镍隔电池相比，重量仅为镍隔电池的一半，但供电能力为镍隔电池的 50 倍。预期这种微型 燃料电池用于移动电话，可连续待机 40 天，而仅消耗不到 2 盎司的甲醇。霍克目前正把微 电子技术引入微型燃料电池制作中，准备制作 25 厚的微型电池。另外，还有把燃料电池 用于电子广告牌和电动自行车的报道。表 4 燃料电池替代普通小电池在膝上电脑、便携 式电子器件等方面应用便携式烯料电池 arsitz 制作的便携式燃料民池电源替代电池用的燃 料电池 Ballard 的燃料电池膝上电脑 An H Per 燃料电池电源公司提供的美国新泽西州高速公路广告牌 An H Per 燃料电池电源公司提供的职业电神摄像机Fraunise ISE 发展的峰窝电话用微型燃料电池教学用烯料电池美国木醇研究所提供的教学用 木醇燃料电池 Esul 提供的再生燃料电池教学用具 H-Te