燃料电池发展现状与应用前景

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650e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1000e,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180e。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12MWPAFC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LosAlamos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Nafion112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:¹70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。为了加速我国燃料电池的发展,作者建议:(1)加大国家对燃料电池研究的资金投入,加快燃料电池的研究进程。并通过对燃料电池的研究和应用提供政策上的优惠,调动各方的力量参与到燃料电池的研究和应用中来;(2)鉴于燃料电池研究的复杂性、综合性、长期性,我国应有统一规划,组织有研究实力的单位协作攻关,避免低水平重复,集中资金加速开发进度;(3)在研究方向上应有侧重点,以降低研究费用。由于PAFC和PEMFC在民用、军事、航天等领域的应用中有其它类型燃料电池所不具备的优点,因此我国应重点开发PAFC和PEMFC技术;(4)在对燃料电池本体的研究以外,应加快燃料电池实用化的研究工作,特别是燃料电池在电动汽车、军事、移动电源等领域中的应用,这也可以吸引其它行业部门参与到燃料电池的研究工作中来,如汽车制造业、军事科研机构、环保行业等。参考文献:[1]陆虎瑜.质子交换膜燃料电池系统开发及应用进展[J].电工电能新技术,1999(12).[2]姚学梅,译.第五届丛树燃料电池国际会议[J].能源研究与信息,1998,14(2).[3]陆天虹,孙公权.我国燃料电池发展概况[J].电源技术,1998,22(4).[4]OpSullivanJohnB.Fuelcellsindistributedgeneration[A].TheProceedingsofthe24thInternationalTechnicalConfer2enceonCoalUtilization&FuelSystems[C],1999.[5]陈景贵.跨入新世纪的中国新型绿色电池工业[J].电源技术,2000,24(1).