燃料电池发展现状与应用前景摘要: 介绍了各种类型燃料电池( 碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池及质子交换膜燃料电池) 的技术进展、电池性能及其特点。

其中着重介绍了当今国际上应用较广泛、技术较为成熟的磷酸燃料电池和质子交换膜燃料电池。

对燃料电池的应用前景进行探讨, 并对我国的燃料电池研究提出了一些建议。

关键词: 燃料电池; 磷酸燃料电池; 质子交换膜燃料电池燃料电池有多种类型, 按使用的电解质不同来分类, 主要有碱性燃料电池(AFC) 、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、固体氧化物燃料电池( SOFC) 、磷酸燃料电池( PAFC) 及质子交换膜燃料电池( PEMFC) 等。

1 各种燃料电池发展状况1. 1 碱性燃料电池(AFC)20 世纪50 年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究, 并在60 年代中期成功地用于Apollo 登月飞行。

AFC 的优点在于除贵金属外, 银、镍以及一些金属氧化物都可以作电极催化剂, 它的阴极性能也比酸性体系要好, 而且电池的结构材料也较便宜。

缺点在于对CO2 和N2 十分敏感, 故不适用于地面。

在国外, 将AFC 用于潜艇及汽车的尝试已不再继续, 目前AFC 主要用作短期飞船和航天飞机的电源。

中科院长春应用化学研究所1958 年就开始研究培根型燃料电池。

60 年代初开展碱性石棉膜型燃料电池的研究, 1968 年承担航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制。

中科院大连化学物理研究所在60 年代初也开始研究碱性石棉膜型燃料电池。

70年代初承担了航天用碱性石棉膜型燃料电池的研制, 研制成两种类型的电池。

80 年代初, 研制了潜艇用20kW的大功率碱性石棉模型燃料电池样机。

1. 2 熔融碳酸盐燃料电池( MCFC)MCFC 的电解质由Li2CO3 和K2CO3 组成, 工作温度在650 e 左右, 阴极、阳极电化学反应快, 无需贵金属催化剂。

由于在较高温度工作, 可以对天然气、煤炭气化燃料进行内部重整, 直接加以利用。

不需要复杂昂贵的外重整设备。

另外, 燃料转换效率高, 余热利用效率也较高。

但MCFC 在高温下长期工作时电解质损失造成的电池失效、隔板腐蚀对电池寿命的影响, 以及镍电极缓慢溶解所造成的性能下降都是有待解决的课题。

由美国能源研究公司(ERC) 建造, 使用内部重整的2MWMCFC 装置已经安装在加利福尼亚并入电网运行了720h, 供电1710MWh, 1997 年3 月停运,为建造和运行这类电站提供了宝贵经验。

日本熔融碳酸盐研究协会在日本月光计划和新日光计划的支持下, 一个1000kW系统正在组装以评价此技术。

长春应用化学研究所于90 年代初开始研究MCFC, 在LiAlO2 微粉的制备方法和利用金属间化合物作MCFC 的阳极材料等方面取得了很大的进展。

大连化学物理所从1993 年起在中科院资助下开始研制, 自制LiAlO2 微粉制造的MCFC 单体电池性能已达国际80 年代初的水平。

1. 3 固体氧化物燃料电池( SOFC)SOFC 工作温度高达1000 e , 反应速度快, 不需要贵重金属做催化剂, 不存在电解质腐蚀金属问题。

碳氢化合物燃料可自动在燃料电池内部重整, 并迅速地在电极上被氧化, 燃料中杂质对电池的性能、寿命影响均很小。

其燃料转换效率高, 高温余热可很好利用, 从而提高燃料的总利用效率。

SOFC 可以与燃气轮机相结合, 即用燃料电池的动力代替燃气轮机的燃烧段, 总效率可望达到60%~ 70% 。

SOFC 的主要问题是固体氧化物电解质所用的陶瓷材料脆性大, 目前仍很难制造出大面积的固体电解质膜, 这严重制约了建造大功率SOFC。

另外, SOFC 还存在诸如电流密度小、电压降高、制造工艺复杂、成膜设备昂贵等问题。

美国、丹麦、荷兰、日本等国都很重视SOFC, 其中美国西屋(Westinghouse) 公司的研究工作较为突出, 研制的25kW的SOFC 电池组已经通过了长期示范试验, 建造在荷兰的100kW示范装置也已于1997年启用, 250kW至7MW发电装置的建设正规划中。

中科院上海硅酸盐研究所1971 年就开始进行了SOFC 电极材料和电解质材料的研究。

吉林大学于1995 年在吉林省计委和国家计委的资助下进行SOFC的研究, 研制成功的单体电池电压达到1.18V, 电流密度400mA/ cm2。

1. 4 磷酸燃料电池( PAFC)磷酸燃料电池采用H3PO4 液体做电解质, 发电效率为35% ~ 43%, 工作温度180 e 。

由于工作温度降低, 反应速度慢, 因此需要使用贵重金属Pt 做催化剂。

PAFC 基本元件有阳极、阴极和电解质, 单电池之间由隔板连接。

磷酸燃料电池的特点如下:( 1) 发电效率在35% ~ 43% 之间, 大容量电站效率较高些。

热电联供时, 总效率为71%~ 85% 。

( 2) 洁净、对环境污染小, 没有( 或很小) 转动部件, 振动和噪声污染也很小。

( 3) 随着技术不断改进, PAFC 电站, 特别是50kW和200kW 电站, 其无故障连续运行时间不断加长。

例如美国ONSI 公司的200kWPC225 发电装置投运时间已超过37000h, 可用率超过95% , 接近商业化目标要求的40000h。

( 4) 满负荷运行可达到40000h, 电池的输出电压的降低不大于10%。

( 5) 装置紧凑, 检修空间小, 维修困难。

( 6) PAFC 电站可以使用各种气态或液态燃料,主要是使用天然气或液化天然气, 也可以使用液化石油气、甲醇、煤油、沼气等。

(7) 降低造价与技术的改进、标准化和大规模生产分不开。

ONSI 公司1995 年推出的PC25C 型PAFC 装置的制造成本为3000$ / kW, 而后推出的PC25D型的成本降至1500$ / kW, 体积减小1/ 4, 重量仅为14t。

但PAFC 电站造价的进一步降低仍需长期努力。

美国最早在60 年代后期就开始对PAFC 进行评价研究, 是最早发展PAFC 电站技术的国家, 而日本是PAFC 电站技术发展最快的国家, 它仅用10~15a 时间就与美国并驾齐驱。

1991 年东京电力公司在五井火力发电厂内建成了当时世界上功率最大的12MW PAFC 发电站。

目前PAFC 技术已公认为可用于热电联供的、具有高度可靠性的发电装置, 特别在象医院、监狱、旅馆等对安全供电要求特别高的场合有着很好的应用前景。

而在国内PAFC 的研究工作目前尚处于空白状态。

1. 5 质子交换膜燃料电池( PEMFC)PEMFC是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC 之后迅猛发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的新一代燃料电池。

但在历史上,PEMFC实际上是最先得到应用的燃料电池。

早在60 年代初, 美国航空航天局曾7 次成功地将PEMFC用于双子座飞船。

但由于稳定性及导电性均差, 使用寿命仅500h。

虽以后采用全氟磺酸膜(Nafion) ,解决了电池寿命和水污染的问题, 但仍让位于碱性燃料电池(AFC) , 导致其研究长时间处于低谷。

直至80 年代, 加拿大Ballard 公司注意到PEMFC 可在室温下快速启动, 作为移动动力电源的潜力, 又开始进行PEMFC 的研究。

在美国、加拿大等国科学家们的努力下,PEMFC 取得了突破性进展。

质子交换膜燃料电池( PEMFC) 由若干单电池串联而成。

单电池由表面涂有催化剂的多孔阳极、多孔阴极和置于其间的固体聚合物电解质构成, 其工作原理如图1 所示。

图1 质子交换膜燃料电池工作原理PEMFC之所以成为当前国际上燃料电池研制、开发的热点, 是基于以下几个突出的优点: 工艺结构简单, 开发投入相对较少; 可室温下快速起动投入运行; 不使用腐蚀性电解液,安全可靠; 按负载要求, 系统规模可大可小; 比功率高, 特别适用于军用或民用的可移动电源及电动车辆; 发电时无噪声, 而且红外信号很弱, 在军事领域有着极其重要的用途。

目前在PEMFC 研究中存在的主要技术关键为:¹Pt/ C 催化剂的制备: 制备Pt 高度分散的电催化剂是减少Pt 用量和降低电池成本的重要途径; º电极、膜三合一制备工艺: 电极与膜采用热压合减小接触电阻, 电极内全氟磺酸树脂与膜熔合, 提供H+通道, 提高Pt 利用率; » 电极扩散层的制备工艺;¼电池组内平衡与热平衡: 对于高电流密度PEMFC电池组, 是实现稳定运行的关键; ½氢的安全储存、供给以及富氢燃料的转化。

国际上有多家公司和科研机构对PEMFC 进行研究, 如加拿大的Ballard 公司、德国的Siemens 公司、意大利的DeNor 公司以及美国的Los Alamos 国家实验室等。

目前PEMFC 本体技术已趋于成熟, 其关键部分) ) ) 质子交换膜已达到商品化阶段。

加拿大的Ballard 公司为加拿大国防部建造的45kW质子交换膜燃料电池潜水艇已于1996 年底完成, 并计划在2003 年建成一艘212 级300kW 质子交换膜燃料电池潜水艇, 能提供8 节的巡航速度。

此外该公司成功开发了以天然气为燃料的35kWPEMFC 热电联供系统。

大连化学物理所从1994 年起, 开始PEMFC 的电极研究工作, 现已成功地将电极Pt 含量降至0.08mg/ cm2。

采用自制电极与Nafion 112 膜组装的单电池性能远远优于美国E2TEK 公司的电极Pt 催化剂。

该所利用多年AFC 研究的技术积累, 在研究了Pt/ C 电催化剂与电极制备工艺, 膜电极三合一组件制备和其间水分布与传递, 在电池组内增湿、密封与组装工艺基础上, 于1998 年组装了kW级PEMFC 电池组。

该电池组输出功率为1kV 时, 电池放电电流密度为308mA/ cm2, 平均电压为0. 75V, 输出功率为1. 5kW时, 放电电流达到480mA/ cm2, 电池平均电压达0. 7V。

1999 年9 月大连化学物理所研制成功了5kW的PEMFC 电池组, 该电池组由74 节单电池组装而成。

2 加速发展我国的燃料电池技术目前燃料电池虽然由于成本昂贵、技术尚未完全成熟而无法得以广泛应用, 但以其具清洁、高效、无污染等优点必将拥有广泛的应用前景。

尤其是质子交换膜燃料电池( PEMFC) 具有高功率、低温运行、快速启动、无噪声等特点, 使其在电动汽车、航天、军事等领域有着极其重要的应用。

与国外相比, 我国的燃料电池研究水平还比较低, 其原因有: ¹ 70 年代我国研制的航天用AFC 与国外的差距还很小, 但此后由于种种原因停止了对燃料电池的研究工作, 直到90 年代初才重新开展燃料电池的研究工作, 致使我国燃料电池的研究水平大大落后于国外;º现在对燃料电池的研究的投入还不够, 大多仅依靠国家自然科学基金会的少量资助。