燃料电池研究现状与未来发展

燃料电池研究现状与未来发展香山科学会议第59次学术讨论会于1996年8月24～27日举行。会议主题是“燃料电池研究现状与未来发展”。会议执行主席路甬祥与王佛松院士主持了会议。42位来自中国科学院、全国高校及公司等25个单位的燃料电池及相关学科的专家学者共同研讨燃料电池的发展现状和未来走向，以及发展我国燃料电池技术大计。会议综述报告及中心议题讨论内容主要包括3部分：(1)燃料电池的总体评价；(2)目前处于研究开发阶段的3种类型燃料电池的评价；(3)我国发展此技术应采取的战略与策略。一、燃料电池的技术评价燃料电池(Fuelcell缩写FC)是将气体燃料的化学能直接转化为电能的电化学连续发电装置。电池电化学基本反应：H2十l／202＝H20和CO十1／202＝C02。自150余年前被发明以来，现已发展了6种形式。它们分别为碱性(AFC)、磷酸(PAFC)、熔融酸盐(MCFC)、固体氧化物(SOFC)、聚合物离子膜(PEMFC或SPFC)及生物燃料电池(BEFC)。概括而言，燃料电池具有以下优点：(1)能量转换效率高达45—60％。而火电和核电为30一40％；(2)有害气体SOx、NOx及噪音排放很低；CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低；元机械振动；(3)燃料适用范围广，凡能转化为H2和CO燃料均可使用；(4)积木性强；规模及安装地点灵活；规模小(数十千瓦级)影响能量转换效率不明显。现PAFC在发达国家已商业化；AFC在60年代末即用于航天器。其它方面的应用不如PEMFC更具优势；BEFC尚处于实验室的探索性基础研究阶段。目前各国的燃料电池的研究开发重点主要集中在MCFC、SOFC和PEMFC上。1．MCFC运行温度650℃，燃料适用范围广，电催化剂为非贵金属，余热可为燃气轮机所利用，适用于固定式发电电站。在各国对燃料电池的经费投入中，MCFC所占比例最大。现国外(美、日、西欧)已有100kW级发电系统的运行，预计美国2000年实现商业化，日本计划2005年实现商业化。目前MCFC研究需要解决的关键技术问题有：(1)阴极(NiO)溶解，这是影响电池寿命的主要因素；(2)阳极蠕变；(3)熔盐电质对电池双极板的腐蚀；(4)电解液流失。2．SOFC作为运行温度最高的燃料电池(800—l000℃)，功率密度高，采用全固体结构，无腐蚀性液体，燃料适用范围广，天然气可不经重整直接使用。其尾气温度高达900℃，可为燃气轮机和蒸汽轮机所用，发电效率可达70％，如加上余热利用其燃料利用率可达90％，可用于大中小型电站，作为运载工具的驱动电源也有应用前景。目前SOFC研究十分活跃，电池模块的制备规模在美、日、德三国已达20一30kW。2000一2010年间可实现商业化。目前SOFC研究的重点在工程化和降低制作成本。3．PEMFC以纯氢(CO＜10ppm)为燃料，低温下运行，便于起动，结构简单，容易制作，无污染物排放，元腐蚀及电解流失问题，功率密度高达0.5—1.5W／cm2，适合作为移动电源，尤其用于汽车和潜艇的驱动电源目前最具吸引力。美、德、加、日等国投入巨资进行此方面的研究。降低成本主要从降低离子膜的成本和减少Pt的用量入手。PEMDC的基础研究主要集中在离子膜、系统的水热平衡和燃料储存与处理上。二、主要学术观点1．在概念上，燃料电池不同于一次和二次电池。虽然两者均基于电化学原理，但后者是间断式储能装置，而前者是连续式发电装置。2．燃料电池(主要是MCFC和SOFC)将在中小型及分散配置的电源市场发挥特殊的作用，以弥补大型中心电站的水电、火电和核电的不足。在开发中，燃料电池可与火电技术结合建立新电站或作为前级改造旧火电厂，以提高发电效率和减少环境污染。而PEMFC可作为运载工具上的驱动电源发挥特殊作用。SOFC也有此方面的发展潜力。3．各类燃料电池依发展阶段不同具有不同的技术难题，需要根据具体情况采取特殊的方法予以解决。但其原理上的相同、结构与系统上的类似，共性问题的解决有利于各特殊问题的解决。因此，燃料电池的系统的基础理论也应引起特别的重视。4．燃料电池具有积木性的技术特点，因此，基本电池模块(如20—30kW)的制备技术成熟和经济合理至关重要。5．燃料电池技术是作为发电系统应用的，在研究开发的过程中应重视发电系统的概念设计与分析，以及针对应用对象的二次产品开发。6．与目前传统的火力发电相比，燃料电池发电。如达到同样的生产规模，其综合生产成本(包括设备成本和发电与供电成本)有可能与之相当。7．在燃料电池技术先进的国家，已出现了一些专门的燃料电池开发公司。目前MCFC、SOFC和PEMFC的发展规模相差并不很大，但就各自的技术特点而言，PEMFC则更易在小型电源市场上获得突破。但大规模的应用如电动车，则需发展我国的离子膜(PEM)。8．在燃料电池制备中，应引入纳米材料。其优点为有利于电化学反应界面的优化设置、降低电极或电解质的烧结温度，以及由纳米颗粒的特有交电性质所带来的电池性能改善。9．发展燃料电池技术既有工程放大的问题，也伴随有基础问题。因此，需要在两个层次上开展工作。10．发展燃料电池技术可促进新材料、精密陶瓷和稀土工业的发展。三、我国的发展战略与策略会议执行主席路甬祥院士在“燃料电池的研究、开发现状及其发展趋势”的综述报告中，对我国发展FC技术提、出了若干重要建议：1．发展燃煤FC技术。集中力量主攻MCFC和SOFC技术，这既是当前FC领域尚未解决的艰难技术，又是我国急需的技术。2.发展电动车辆FC技术。我国已把汽车工业定为支柱产业之一。中国现有8.3×l06辆左右小汽车，到2000年可能增至20×106辆，有害排放物将成培增长。我们应优先开发PEMFC技术。3.发展分散发电FC技术。发展小型、分散、固定FC电站，例如PEFC装置。4．发展农村FC技术。利用农村当地资源(牲畜粪便、秸杆等再生资源)为燃料，开发FC技术，对我国有重大现实意义。5．暂不开发PAFC技术。路甬祥院士、王佛松院士以及与会科学家还就战略目标、攻关重点的选择、科研管理组织等建议国家有关部门在决策时应考虑以下几方面：1．明确战略目标(如分散式FC电站和电动车辆FC技术)和选择主攻关键技术，做好未来整体系统合理的战略分析。2.鼓励联合、竞争，突出创新，走自我发展道路。3．发展国际合作，引进技术与智力量，提高工作起点。4．合理安排应用目标明确的开发研究、发展项目与基础性、探索性的研究，形成研究层次。5．坚持创新，形成产权。将有限的人力财力集中到若干创新和关键技术上，形成自主知识产权。6.继承与发扬我国组织“两弹一星”的有益经验；又要适应体制转轨，摸索与建立全新的攻关体制和运作机制，实行经费投入(国家、企业、院所)多元化。总之，“国情出发、纵深安排；立足自我，着眼创新；突出重点，统盘协同；全新机制、实现产业”，体现了对会议发展我国燃料电池技术的基本思考。（香山科学会议赵生才）参会人员名单：路甬祥院士中科院王佛松院士中科院衣宝廉研究员中科院大连化物所毕可万副研中科院大连化物所杨国权教授中央民族大学王新东教授北京科技大学庞志成教授北京理工大学沈涛研究员中科院感光所张延飞研究员船舶总公司系统工程部陆虎瑜副研中科院电工研究所黄学杰副研中科院物理所戴学刚副研中科院化冶所卢立柱研究员中科院化冶所李士研究员中国科学报陆天虹研究员中科院长春应化所李长志副研中科院长春应化所赵敏寿研究员中科院长春应化所郁祖湛教授复旦大学江义副研中科院大连化物所何岚鹰教授吉林大学王贤仁教授吉林大学贾玉庆教授华东理工大学化学系陈慎豪教授山东大学陈念贻研究员中科院上海冶金所曹广益教授上海交通大学温廷琏研究员中科院上海硅酸盐所林祖纕研究员中科院上海硅酸盐所王刚研究员中科院物理所沈培康研究员高科力公司赖坚高工高科力公司苏文辉教授吉林大学物理系陈诵英研究员中科院山西煤化所肖云汉副研中科院工程热物理所陈静宜研究员中科院工程热物理所徐景明教授清华大学研究院张中太教授清华大学袁华堂副教授天津南开大学陈延禧教授天津大学汪继强高工电子部18所(天津)李乃朝助研中科院大连化物所蔡睿贤院士中科院工程热物理所王大志副教授中国科技大学张焘研究员香山科学会议赵生才高工香山科学会议杨炳忻副教授香山科学会议周春来工程师香山科学会议