燃料电池技术进展及发达国家的开发动态.docx

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燃料电池技术进展及发达国家的开发动态

燃料电池技术进展及发达国家的开发动态

现时期，最要紧也是最具前景的氢能利用方式确实是燃料电池。

燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有持续工作和积木化的动力源，其要紧应用途径是汽车用。

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。

估量以后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亿美元，日本的研发预算也增加到亿美元。

美国Arthur公司估量，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。

燃料电池的类型要紧有质子互换膜燃料电池（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）。

表燃料电池的应用领域

PEMFC

AFC

PAFC

MCFC

SOFC

固定

散布式

电源

电网侧

集中式

不可能

不可能

不可能

可能

可能

散布式

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℃。

该种电池的优势是氧在碱液中的电化学反映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进展已超级成熟，并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。

进展碱性燃料电池的核心技术是要幸免二氧化碳对碱性电解液成份的破坏，不论是空气中百万分之几的二氧化碳成份仍是烃类的重整气利历时所含有的二氧化碳，都要进行去除处置，这无疑增加了系统的整体造价。

另外，电池进行电化学反映生成的水需及时排出，以维持水平稳。

因此，简化排水系统和操纵系统也是碱性燃料电池进展中需要解决的核心技术。

II.酸型燃料电池（PAFC）

这种电池采纳磷酸为电解质，工作温度200℃左右。

其突出优势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，一氧化碳含量可许诺达5%。

该类电池一样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℃范围内性能稳固，导电性强。

磷酸电池较其他燃料电池制作本钱低，已接近可供民用的程度。

目前，国际上功率较大的有效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200kWPAFC发电装置235套，累计发电470万小时。

在美国和日本，有几套装置已达到持续发电1万小时的设计目标。

欧洲现有5套200kWPAFC发电装置在运转。

日本福日电器和三菱电器已经开发出500kWPAFC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取得高速进展，可是其启动时刻较长和余热利用价值低等进展障碍致使其进展速度减缓。

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固剂，主若是在美国、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冲破，美国燃料电池能源公司已在实验室测试263kWMCFC发电装置。

意大利Ansaldo公司与西班牙Spanishcomp’s合作开发100kWMCFC发电装置和500kWMCFC发电装置。

日今日立公司2000年开发出1MW的MCFC发电装置。

东芝开发出低本钱的10kWMCFC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治理是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种电池，并已有实质性的进展，但存在缺点：

制造本钱较高；温度太高；电介质易裂痕；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100kWSOFC管状工作堆，美国在测试25kWSOFC工作堆。

国内多数处于SOFC的基础研究时期。

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和热膨胀系数不同的材料之间的匹配和双极板材料的稳固性等。

这些也在必然程度上制约着SOFC的进展，成为其技术冲破的关健方面。

V.质子互换膜燃料电池（PEMFC）

它是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC以后正在迅速进展起来的温度最低、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《时期周刊》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250kWPEMFC发电设备和1kWPEMFC便携式发电系统。

德国在柏林建造了一个250kWPEMFC的实验堆。

质子互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，采纳热压的方式将电极、膜、电极压合在一路，形成了电极-膜-电极三合一组件，其中，质子互换膜的技术参数直接阻碍着三合一组件的性能，因此关系到整个电池及电池组的运行效率。

PEMFC的价钱也制约着其商业化进程，因此，改良其必要组件性能，降低运行本钱，是进展PEMFC的重要方向。

进入20世纪90年代后，由于人们对环境爱惜的日趋重视和质子互换膜燃料电池技术的高速进步和显著优势，质子互换膜燃料电池在民用方面，尤其是电动车方面的应用引发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技术取得了进一步的飞速进展，性能取得专门大提高，本钱也不断降低。

在铂的利用量方面，Ballard公司通过采纳一种新工艺，已经使载铂量降为mg/cm2。

在质子互换膜方面，Ballard公司开发的BAM3G新型部份氟化质子互换膜，性能优于目前普遍利用的Nafion系列膜，而本钱仅是其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技术的飞速进展，有效的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300KWPEMFC作为动力源的潜艇，Ballard公司已经开始出售商业化的250KWPEMFC发电装置、电动车用PEMFC和各类便携式电源，日本丰田等汽车公司那么已经推出商业化的燃料电池电动车。