燃料电池技术现状与发展趋势

2005-6-29燃料电池技术现状与发燃料电池技术现状与发展趋势展趋势中国科学院大连化学物理研究所大连新源动力股份有限公司衣宝廉DICP,CAS,China现在生活、生产用能固定能源：电网的电（水电、火电、核电、风能发电、太阳能发电等）移动动力源：以石油为代表的液体燃料（汽车、飞机等）化学电源－电池（手机、各种小型电动工具）后石油时代大型移动动力源如汽车动力源如何解决1）生物燃料如生物柴油、乙醇等2）开发高比能量的二次电池，发展电动车3）以氢为能量载体，用燃料电池发电即所谓氢能经济DICP,CAS,China氢能时代的能源系统DICP,CAS,China燃料电池的原理,工作方式„„工作原理及方式工作原理及方式„发电原理：电化学方式——等温的将贮存在燃料中的化学能直接转化为电能；„工作方式：内燃机方式——只要供给燃料和氧化剂，就可以连续输出电能；电池组纯氧或空气氢源氧源余热利用排热电压调整与逆变交流用户或并网水回收及净化控制传感元件、执行元件与软件燃料电池系统纯氢或重整气0热水或发电DICP,CAS,ChinaPEMFC电堆关键零部件DICP,CAS,China常规五层MEA的制备工艺„常用的制备工艺„先把催化层做到扩散层上制得多孔气体扩散电极，再通过热压的方法把多孔气体扩散电极与质子交换膜组合形成MEA„形成常规疏水或亲水催化层型MEA一般是5层结构碳纸／碳布扩散层Nafion烧结干燥干燥涂布喷涂整平PTFE浸渍XC-72CPTFE电催化剂PTFE,NIFION热压DICP,CAS,China目前常用的双极板材料„纯石墨板„优点：具有很好的导电性和抗腐蚀性，密度小，阻气性能满足要求„缺点：脆性大易碎、难不易实现批量加工、成本高„金属板：不锈钢、铝板、钛板„优点：具有良好的导电性和阻气性，机械强度高、原材料价廉、易于机加工„缺点：容易腐蚀需表面改性。DICP,CAS,China燃料电池的分类燃料电池的分类FC类型电解质工作温度技术状态规模AFCKOH室温-200℃高度发展，已在航天中成功应用1-100kWPEMFC全氟璜酸膜室温-100℃高度发展，应用于电动车、潜艇等可移动动力源1-300kWDMFC全氟璜酸膜室温-200℃正在开发，用于微型移动动力源1-1000kWPAFCH3PO4100-200℃高度发展，已用作分散电站1-2000kWMCFC(Li,K)CO3600-700℃正在进行现场实验，需延长寿命，可以用于区域性供电250-2000kWSOFC氧化铱稳定的氧化锆800-1000℃需开发廉价制备技术，用于区域供电，联合循环发电1-100kWDICP,CAS,China国外碱性燃料电池国外碱性燃料电池(AFC)(AFC)的研究的研究美国Pratt-Whitney公司为Apollo设计的PC3A电池系统航天飞机（Shuttle）用碱性石棉膜型氢氧燃料电池DICP,CAS,China大连化物所大连化物所碱性燃料电池系统碱性燃料电池系统B型碱性石棉膜氢氧燃料电池主要应用：低空侦察A型碱性石棉膜氢氧燃料电池主要应用：载人航天DICP,CAS,China我国研制的我国研制的碱性燃料电池系统性能碱性燃料电池系统性能项目大连化学物理研究所A型石棉膜型AFC大连化学物理研究所B型石棉膜型AFC天津电源研究所石棉膜型AFC正常输出功率kW.台-10.500.300.3～0.5峰值输出功率kW.台-11.00.60.7工作电压/V28±228±228±2整机质量/kg406050整机体积/cm322*22*9039*29*5750,000寿命/h4501000500氢氧气工作压力/MPa0.15±0.020.13∼0.18（区间）0.2±0.015工作电流密度/mA.cm-210075125电解质KOH浓度/%4040排水方式静态静态动态启动次数101010DICP,CAS,China电池组的并串联技术电池组的并串联技术168412168412DICP,CAS,China国内国内碱性燃料电池技术现状及发展趋势碱性燃料电池技术现状及发展趋势„AFC特点„高效、高比能量、高可靠性，电池效率高达50～70％„AFC应用范围特别适于载人航天飞行„AFC技术现状及发展趋势燃料电池系统通过环模实验，但液氢、液氧罐仅试制地面实验样品，若有需求，仍需进行研发DICP,CAS,China我国我国““九五九五””攻关重点项目攻关重点项目国家科技部：燃料电池技术中科院重大项目、特别支持项目：燃料电池技术主攻方向：PEMFC其它包括：MCFC、SOFC、DMFC主要依托单位：中科院大连化学物理研究所DICP,CAS,China我国正在PEMFC领域开展工作„„国家科技部国家科技部863863电动汽车重大专项设立电动汽车重大专项设立““燃料电池燃料电池电动汽车电动汽车””课题；课题；„„国家科技部启动国家科技部启动973973基础研究项目：氢能的规模基础研究项目：氢能的规模制备、储运和相关燃料电池的研究；制备、储运和相关燃料电池的研究；„„中国科学院启动院知识创新工程重大项目：大功中国科学院启动院知识创新工程重大项目：大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术；率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术；„„另外，国内多家科研机构和高校相继投入资金在另外，国内多家科研机构和高校相继投入资金在燃料电池及氢能领域开展研发工作；燃料电池及氢能领域开展研发工作；DICP,CAS,China我国正在PEMFC领域开展工作„„在燃料电池在燃料电池中巴中巴研制方面取得进展研制方面取得进展第一代第一代20012001年年88月月第二代第二代20022002年年1111月月30kW30kW氢氢//氧电池组氧电池组手动控制手动控制40kW40kW氢氢//空电池组空电池组闭环全自动控制闭环全自动控制DICP,CAS,China我国正在PEMFC领域开展工作„„在燃料电池在燃料电池城市大巴城市大巴研制方面取得进展研制方面取得进展DICP,CAS,China我国正在PEMFC领域开展工作„During2002-2005,FuelCellBusesandcarsweredevelopedfortestanddemonstration.BK6110BF6120Citaro(DaimlerChrysler)MaxSpeed()km/h858680Acceleration0-50km/h(s)25.530.920Climb20%18%20%Rang(km)250-300250200-250FuelConsumptionkg/100km4-84.8-9.517-30DICP,CAS,China我国正在PEMFC领域开展工作„„在燃料电池在燃料电池轿车轿车研制方面取得进展研制方面取得进展性能参数电机功率：24KWFCE功率：30KW电池组：30AH最大时速：108.3km/h爬坡度：20％加速性能：14.9s(0-80km)续驰里程：209km经济性：1.394kgH2/100kmDICP,CAS,China我国正在PEMFC领域开展工作ChaoYue3FokusFCVHydrogen3Power50kW+15Ah75kW75kWMotorPower65kWmax70kWmax70kWmaxMaxSpeed122km/h128km/h140km/hAcceleration19(0-100)15(0-100)15(0-100)Climb20%20%20%Rang230km250km400km(liq.H2)FuelConsumption1.12kg/100km1.76kg/100km1.75kg/100kmDICP,CAS,ChinaFCV核心部件：燃料电池发动机（FCE）空气子系统氢气子系统水热管理子系统控制子系统燃料电池模块DICP,CAS,China神力40kW低压发动机性能额定功率40.39kW过载功率启动时间冷怠：17s热怠：1.6s冷额：115s热额：29s质量比功率161W/kg氢利用率92.65％电堆效率50.44％电池系统效率46.26％DICP,CAS,China新源动力40kW低压发动机性能-1000001000020000300004000050000600000500100015002000额定功率41.7kW过载功率46.1kW启动时间冷怠:0.2s热怠:0.2s冷额:98.4s热额:8s质量比功率150W/kg氢利用率95.7%电堆效率52.4%电池系统效率46.40%DICP,CAS,China神力公司的100kW低压FCE性能额定功率100kW过载功率130kW启动时间3秒质量比功率127W/kg氢气利用率97%电池系统效率52.3%电池堆效率56%DICP,CAS,China大化所100kW低压FCE性能十五进展十五进展额定功率100kW过载功率130kW启动时间6s质量比功率100W/kg氢气利用率96.7%电池系统效率47%电池堆效率54.7%DICP,CAS,China达到指标与任务要求的对比项目名称指标轿车城市客车功率KW307540（46）100（130）质量比功率W/KG150161127电池模块效率%5052，456电池系统效率%5046，452，3体积满足装车要求满足满足寿命小时1000小时，头1000小时衰减2％行驶大于一万公里单车行驶大于一万公里加压电池：二十次工况循环，行驶三千公里。材料与部件开发碳纸需进口碳纸需进口成本万元/千1－1，5万元/千瓦1－1，5万元/千瓦DICP,CAS,ChinaDICP空气电极性能十五进展十五进展„性能与国外商品化MEA相当0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0CellVoltage(V)CurrentDensity(A/cm2)GoreMEAMEA_IVMEA_IIIOperationCondition:TH2=TAir=60oC,Tcell=65oCPH2=PAir=0.025MPaH2Utilization:80%AirUtilization:40%S=122cm2DICP,CAS,ChinaDICP电堆的低/加压性能与Ballard对比进气压力MPa低压0.10.2膨胀石墨板(MEA_III)V@500mA/cm20.670.7250.74膨胀石墨板(MEA_III)V@1000mA/cm2⎯0.610@800mA/cm20.554复合金属板(MEA_IV)V@500mA/cm20.7080.7460.765复合金属板(MEA_IV)V@1000mA/cm20.608@800mA/cm20.69@800mA/cm20.653BallardMK902模块@1000mA/cm2⎯⎯0.63DICP,CAS,China与国外的差距（一）¾性能指标¾额定操作电流密度→比功率¾寿命与可靠性改进MEA结构，批量生产增强膜，加速研发高温膜、碳纸等关键材料国产化国内国际额定电流密度mA/cm2500-6001000使用电流密度mA/cm2200-300250比功率W/kg8501260寿命(hr)?2200可靠性低高DICP,CAS,China与国外的差距（二）¾零度以下保存与启动¾本田已实现-20oC启动¾Ballard在研究阶段¾国内刚起步空压机及其功耗（带膨胀机为13kW)DICP,CAS,China电池的寿命影响车用电池寿命的主要原因：1）工况循环－压力、温度、湿度波动；电极局部供气不足导致担体氧化与反极。2）环境适应性－氢气、空气中杂子与零度以下储存与启动引起的电池衰减。目前车用电堆寿命：国际公布~2200小时（加压纯燃料电池车，大于零度储存与启动）损坏主要发生在空气进出口，膜上有针孔。国内未进行严格、长时间寿命考核，预计小于1000小时，MEA失效原因有膜串气、电极亲水、催化剂活性与膜电导降低。DICP,CAS,China延长电池寿命的关键材料研究„研发抗氧化的电催化剂担体。„