燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景 小議

1、燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景摘 要: 介紹了各種類型燃料電池( 堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池) 的技術(shù)進(jìn)展、電池性能及其特點(diǎn)。其中著重介紹了當(dāng)今國際上應(yīng)用較廣泛、技術(shù)較為成熟的磷酸燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。對(duì)燃料電池的應(yīng)用前景進(jìn)行探討, 并對(duì)我國的燃料電池研究提出了一些建議。關(guān) 鍵 詞: 燃料電池; 磷酸燃料電池; 質(zhì)子交換膜燃料電池燃料電池有多種類型, 按使用的電解質(zhì)不同來分類, 主要有堿性燃料電池(AFC) 、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 、固體氧化物燃料電池( SOFC) 、磷酸燃料電池( PAFC) 及質(zhì)子交換膜燃料電池(

2、PEMFC) 等。1 各種燃料電池發(fā)展?fàn)顩r1. 1 堿性燃料電池(AFC)20 世紀(jì)50 年代起美國就開始對(duì)堿性燃料電池進(jìn)行研究, 并在60 年代中期成功地用于Apollo 登月飛行。AFC 的優(yōu)點(diǎn)在于除貴金屬外, 銀、鎳以及一些金屬氧化物都可以作電極催化劑, 它的陰極性能也比酸性體系要好, 而且電池的結(jié)構(gòu)材料也較便宜。缺點(diǎn)在于對(duì)CO2 和N2 十分敏感, 故不適用于地面。在國外, 將AFC 用于潛艇及汽車的嘗試已不再繼續(xù), 目前AFC 主要用作短期飛船和航天飛機(jī)的電源。中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所1958 年就開始研究培根型燃料電池。60 年代初開展堿性石棉膜型燃料電池的研究, 1968 年承擔(dān)

3、航天用堿性石棉膜型燃料電池的研制。中科院大連化學(xué)物理研究所在60 年代初也開始研究堿性石棉膜型燃料電池。70年代初承擔(dān)了航天用堿性石棉膜型燃料電池的研制, 研制成兩種類型的電池。80 年代初, 研制了潛艇用20kW的大功率堿性石棉模型燃料電池樣機(jī)。 1. 2 熔融碳酸鹽燃料電池( MCFC)MCFC 的電解質(zhì)由Li2CO3 和K2CO3 組成, 工作溫度在650 e 左右, 陰極、陽極電化學(xué)反應(yīng)快, 無需貴金屬催化劑。由于在較高溫度工作, 可以對(duì)天然氣、煤炭氣化燃料進(jìn)行內(nèi)部重整, 直接加以利用。不需要復(fù)雜昂貴的外重整設(shè)備。另外, 燃料轉(zhuǎn)換效率高, 余熱利用效率也較高。但MCFC 在高溫下長期工

4、作時(shí)電解質(zhì)損失造成的電池失效、隔板腐蝕對(duì)電池壽命的影響, 以及鎳電極緩慢溶解所造成的性能下降都是有待解決的課題。由美國能源研究公司(ERC) 建造, 使用內(nèi)部重整的2MWMCFC 裝置已經(jīng)安裝在加利福尼亞并入電網(wǎng)運(yùn)行了720h, 供電1710MWh, 1997 年3 月停運(yùn),為建造和運(yùn)行這類電站提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。日本熔融碳酸鹽研究協(xié)會(huì)在日本月光計(jì)劃和新日光計(jì)劃的支持下, 一個(gè)1000kW系統(tǒng)正在組裝以評(píng)價(jià)此技術(shù)。長春應(yīng)用化學(xué)研究所于90 年代初開始研究MCFC, 在LiAlO2 微粉的制備方法和利用金屬間化合物作MCFC 的陽極材料等方面取得了很大的進(jìn)展。大連化學(xué)物理所從1993 年起在中科院資

5、助下開始研制, 自制LiAlO2 微粉制造的MCFC 單體電池性能已達(dá)國際80 年代初的水平。1. 3 固體氧化物燃料電池( SOFC) SOFC 工作溫度高達(dá)1000 e , 反應(yīng)速度快, 不需要貴重金屬做催化劑, 不存在電解質(zhì)腐蝕金屬問題。碳?xì)浠衔锶剂峡勺詣?dòng)在燃料電池內(nèi)部重整, 并迅速地在電極上被氧化, 燃料中雜質(zhì)對(duì)電池的性能、壽命影響均很小。其燃料轉(zhuǎn)換效率高, 高溫余熱可很好利用, 從而提高燃料的總利用效率。SOFC 可以與燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合, 即用燃料電池的動(dòng)力代替燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒段, 總效率可望達(dá)到60% 70% 。SOFC 的主要問題是固體氧化物電解質(zhì)所用的陶瓷材料脆性大, 目前仍很難

6、制造出大面積的固體電解質(zhì)膜, 這嚴(yán)重制約了建造大功率SOFC。另外, SOFC 還存在諸如電流密度小、電壓降高、制造工藝復(fù)雜、成膜設(shè)備昂貴等問題。美國、丹麥、荷蘭、日本等國都很重視SOFC, 其中美國西屋(Westinghouse) 公司的研究工作較為突出, 研制的25kW的SOFC 電池組已經(jīng)通過了長期示范試驗(yàn), 建造在荷蘭的100kW示范裝置也已于1997年啟用, 250kW至7MW發(fā)電裝置的建設(shè)正規(guī)劃中。中科院上海硅酸鹽研究所1971 年就開始進(jìn)行了SOFC 電極材料和電解質(zhì)材料的研究。吉林大學(xué)于1995 年在吉林省計(jì)委和國家計(jì)委的資助下進(jìn)行SOFC的研究, 研制成功的單體電池電壓達(dá)到1

7、.18V, 電流密度400mA/ cm2。1. 4 磷酸燃料電池( PAFC)磷酸燃料電池采用H3PO4 液體做電解質(zhì), 發(fā)電效率為35% 43%, 工作溫度180 e 。由于工作溫度降低, 反應(yīng)速度慢, 因此需要使用貴重金屬Pt 做催化劑。PAFC 基本元件有陽極、陰極和電解質(zhì), 單電池之間由隔板連接。磷酸燃料電池的特點(diǎn)如下:( 1) 發(fā)電效率在35% 43% 之間, 大容量電站效率較高些。熱電聯(lián)供時(shí), 總效率為71% 85% 。( 2) 潔凈、對(duì)環(huán)境污染小, 沒有( 或很小) 轉(zhuǎn)動(dòng)部件, 振動(dòng)和噪聲污染也很小。( 3) 隨著技術(shù)不斷改進(jìn), PAFC 電站, 特別是50kW和200kW 電站

8、, 其無故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不斷加長。例如美國ONSI 公司的200kWPC225 發(fā)電裝置投運(yùn)時(shí)間已超過37000h, 可用率超過95% , 接近商業(yè)化目標(biāo)要求的40000h。( 4) 滿負(fù)荷運(yùn)行可達(dá)到40000h, 電池的輸出電壓的降低不大于10%。( 5) 裝置緊湊, 檢修空間小, 維修困難。( 6) PAFC 電站可以使用各種氣態(tài)或液態(tài)燃料,主要是使用天然氣或液化天然氣, 也可以使用液化石油氣、甲醇、煤油、沼氣等。(7) 降低造價(jià)與技術(shù)的改進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)化和大規(guī)模生產(chǎn)分不開。ONSI 公司1995 年推出的PC25C 型PAFC 裝置的制造成本為3000$ / kW, 而后推出的PC25D型的成

9、本降至1500$ / kW, 體積減小1/ 4, 重量僅為14t。但PAFC 電站造價(jià)的進(jìn)一步降低仍需長期努力。美國最早在60 年代后期就開始對(duì)PAFC 進(jìn)行評(píng)價(jià)研究, 是最早發(fā)展PAFC 電站技術(shù)的國家, 而日本是PAFC 電站技術(shù)發(fā)展最快的國家, 它僅用1015a 時(shí)間就與美國并駕齊驅(qū)。1991 年東京電力公司在五井火力發(fā)電廠內(nèi)建成了當(dāng)時(shí)世界上功率最大的12MW PAFC 發(fā)電站。目前PAFC 技術(shù)已公認(rèn)為可用于熱電聯(lián)供的、具有高度可靠性的發(fā)電裝置, 特別在象醫(yī)院、監(jiān)獄、旅館等對(duì)安全供電要求特別高的場(chǎng)合有著很好的應(yīng)用前景。而在國內(nèi)PAFC 的研究工作目前尚處于空白狀態(tài)。1. 5 質(zhì)子交換膜

10、燃料電池( PEMFC)PEMFC是繼AFC、PAFC、MCFC、SOFC 之后迅猛發(fā)展起來的溫度最低、比能最高、啟動(dòng)最快、壽命最長、應(yīng)用最廣的新一代燃料電池。但在歷史上,PEMFC實(shí)際上是最先得到應(yīng)用的燃料電池。早在60 年代初, 美國航空航天局曾7 次成功地將PEMFC用于雙子座飛船。但由于穩(wěn)定性及導(dǎo)電性均差, 使用壽命僅500h。雖以后采用全氟磺酸膜(Nafion) ,解決了電池壽命和水污染的問題, 但仍讓位于堿性燃料電池(AFC) , 導(dǎo)致其研究長時(shí)間處于低谷。直至80 年代, 加拿大Ballard 公司注意到PEMFC 可在室溫下快速啟動(dòng), 作為移動(dòng)動(dòng)力電源的潛力, 又開始進(jìn)行PEM

11、FC 的研究。在美國、加拿大等國科學(xué)家們的努力下,PEMFC 取得了突破性進(jìn)展。質(zhì)子交換膜燃料電池( PEMFC) 由若干單電池串聯(lián)而成。單電池由表面涂有催化劑的多孔陽極、多孔陰極和置于其間的固體聚合物電解質(zhì)構(gòu)成, 其工作原理如圖1 所示。圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理PEMFC之所以成為當(dāng)前國際上燃料電池研制、開發(fā)的熱點(diǎn), 是基于以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn): 工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 開發(fā)投入相對(duì)較少; 可室溫下快速起動(dòng)投入運(yùn)行; 不使用腐蝕性電解液, 安全可靠; 按負(fù)載要求, 系統(tǒng)規(guī)?？纱罂尚? 比功率高, 特別適用于軍用或民用的可移動(dòng)電源及電動(dòng)車輛; 發(fā)電時(shí)無噪聲, 而且紅外信號(hào)很弱, 在軍事領(lǐng)域有著極

12、其重要的用途。目前在PEMFC 研究中存在的主要技術(shù)關(guān)鍵為:¹Pt/ C 催化劑的制備: 制備Pt 高度分散的電催化劑是減少Pt 用量和降低電池成本的重要途徑; º電極、膜三合一制備工藝: 電極與膜采用熱壓合減小接觸電阻, 電極內(nèi)全氟磺酸樹脂與膜熔合, 提供H+通道, 提高Pt 利用率; » 電極擴(kuò)散層的制備工藝;¼ 電池組內(nèi)平衡與熱平衡: 對(duì)于高電流密度PEMFC電池組, 是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵; ½ 氫的安全儲(chǔ)存、供給以及富氫燃料的轉(zhuǎn)化。國際上有多家公司和科研機(jī)構(gòu)對(duì)PEMFC 進(jìn)行研究, 如加拿大的Ballard 公司、德國的Siemens

13、公司、意大利的DeNor 公司以及美國的Los Alamos 國家實(shí)驗(yàn)室等。目前PEMFC 本體技術(shù)已趨于成熟, 其關(guān)鍵部分) ) ) 質(zhì)子交換膜已達(dá)到商品化階段。加拿大的Ballard 公司為加拿大國防部建造的45kW質(zhì)子交換膜燃料電池潛水艇已于1996 年底完成, 并計(jì)劃在2003 年建成一艘212 級(jí)300kW 質(zhì)子交換膜燃料電池潛水艇, 能提供8 節(jié)的巡航速度。此外該公司成功開發(fā)了以天然氣為燃料的35kWPEMFC 熱電聯(lián)供系統(tǒng)。大連化學(xué)物理所從1994 年起, 開始PEMFC 的電極研究工作, 現(xiàn)已成功地將電極Pt 含量降至0.08mg/ cm2。采用自制電極與Nafion 112

14、膜組裝的單電池性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于美國E2TEK 公司的電極Pt 催化劑。該所利用多年AFC 研究的技術(shù)積累, 在研究了Pt/ C 電催化劑與電極制備工藝, 膜電極三合一組件制備和其間水分布與傳遞, 在電池組內(nèi)增濕、密封與組裝工藝基礎(chǔ)上, 于1998 年組裝了kW級(jí)PEMFC 電池組。該電池組輸出功率為1kV 時(shí), 電池放電電流密度為308mA/ cm2, 平均電壓為0. 75V, 輸出功率為1. 5kW時(shí), 放電電流達(dá)到480mA/ cm2, 電池平均電壓達(dá)0. 7V。1999 年9 月大連化學(xué)物理所研制成功了5kW的PEMFC 電池組, 該電池組由74 節(jié)單電池組裝而成。2 加速發(fā)展我國的燃料電池

15、技術(shù)目前燃料電池雖然由于成本昂貴、技術(shù)尚未完全成熟而無法得以廣泛應(yīng)用, 但以其具清潔、高效、無污染等優(yōu)點(diǎn)必將擁有廣泛的應(yīng)用前景。尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池( PEMFC) 具有高功率、低溫運(yùn)行、快速啟動(dòng)、無噪聲等特點(diǎn), 使其在電動(dòng)汽車、航天、軍事等領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。與國外相比, 我國的燃料電池研究水平還比較低, 其原因有: ¹ 70 年代我國研制的航天用AFC 與國外的差距還很小, 但此后由于種種原因停止了對(duì)燃料電池的研究工作, 直到90 年代初才重新開展燃料電池的研究工作, 致使我國燃料電池的研究水平大大落后于國外; º 現(xiàn)在對(duì)燃料電池的研究的投入還不夠, 大多僅依靠

16、國家自然科學(xué)基金會(huì)的少量資助。為了加速我國燃料電池的發(fā)展, 作者建議:(1) 加大國家對(duì)燃料電池研究的資金投入, 加快燃料電池的研究進(jìn)程。并通過對(duì)燃料電池的研究和應(yīng)用提供政策上的優(yōu)惠, 調(diào)動(dòng)各方的力量參與到燃料電池的研究和應(yīng)用中來;( 2) 鑒于燃料電池研究的復(fù)雜性、綜合性、長期性, 我國應(yīng)有統(tǒng)一規(guī)劃, 組織有研究實(shí)力的單位協(xié)作攻關(guān), 避免低水平重復(fù), 集中資金加速開發(fā)進(jìn)度;( 3) 在研究方向上應(yīng)有側(cè)重點(diǎn), 以降低研究費(fèi)用。由于PAFC 和PEMFC 在民用、軍事、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用中有其它類型燃料電池所不具備的優(yōu)點(diǎn),因此我國應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)PAFC 和PEMFC 技術(shù);( 4) 在對(duì)燃料電池本體的研究以外, 應(yīng)加快燃料電池實(shí)用化的研究工作, 特別是燃料電池在電動(dòng)汽車、軍事、移動(dòng)電源等領(lǐng)域中的應(yīng)用, 這也可以吸引其它行業(yè)部門參與到燃料電池的研究工作中來,如汽車制造業(yè)、軍事科研機(jī)構(gòu)、環(huán)保行業(yè)等。參 考 文 獻(xiàn): 1 陸虎瑜. 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展 J . 電工電能新技術(shù), 1999( 12) . 2 姚學(xué)梅, 譯. 第五屆叢樹燃料電池國際會(huì)議 J . 能源研究與信息, 1998, 14( 2) . 3 陸天