燃料电池发展前景及其应用

燃料电池发展前景及其应用一.燃料电池的发展前景燃料电池发电装置每发电1000kw/h排出污染物1盎司，而常规燃烧装置为25磅。据统计，2005年全球拥有50万个固定的（静止式）燃料电池装置，到2010年，将有250万户家庭使用燃料电池，同时全球拥有60万台燃料电池汽车，占世界汽车生产量的1%。2005年，从事燃料电池开发的公司总投资额已超过10亿美元。预计到2010年左右，燃料电池在价格上将具备与内燃机竞争的能力。届时，美国市场上以燃料电池为动力的机动车将占美国汽车市场4%的份额，日本和西欧燃料电池汽车将分别占市场份额的4.5%和3.7%，到2020年，燃料电池汽车将占世界汽车市场的25%。表1列出美国新一代运输用汽车市场价值。表1.美国新一代运输用汽车市场价值，百万美元199820002001200220072002~2007年年均增长率，%燃料电池汽车混合型汽车全电动汽车合计0.552.501984.001987.051.10198.92264.02464.01.10453.752721.703176.552.25719.002707.703428.9547.62293.03627.05967.684.126.16.011.7燃料电池汽车市场虽还不大，美国2002年为225万美元，但后5年内，年均增长率为84%，2007年将达到4760万美元。大多数汽车制造商都看好质子交换膜（PEM）燃料电池汽车技术，另外，固体氧化物燃料电池在辅助动力应用中也可望起重要作用。车载燃料电池组件市场现为12000万美元，但今后5年内，预计年均增长率为91%。据PricewaterhiuseCoopers（PwC）公司估计，全球燃料电池市场到2011年将达到350亿美元。另据ABI公司的保守估计，到2013年全球燃料电池市场将达380亿美元。据SRI咨询公司预测，2008年燃料电池市场约50亿美元，到2013年预计市场价值将达456亿美元。静止式燃料电池市场将从2008年20亿美元增大到2013年100亿美元，便携式燃料电池2013年市场将达250亿美元，汽车燃料电池市场将从2008年6亿美元增大到2013年100亿美元。二.使用各种燃料的燃料电池应用现状目前，世界化学品生产商塞拉尼斯公司、杜邦公司、巴斯夫公司、Methanex公司，燃料电池开发商Ballard动力系统公司、国际燃料电池公司以及汽车生产商戴姆勒-克莱斯勒公司、福特汽车公司、现代汽车公司、大众汽车公司等都纷纷联手开发燃料电池和燃料电池汽车。按燃料电池所用原始燃料的类型，大致分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和汽油燃料电池。1.氢燃料电池通用汽车公司已研制成功使用液氢燃料电池产生动力的零排放概念车“氢动一号”，该车加速快，操作灵活，从0~100km/h加速仅16秒，最高时速可达140km/h，续驰里程400km。空气产品公司、普拉克斯公司作为领先的液氢供应商，其供氢站已经可为氢燃料电池汽车供应24~34MPa的液氢。2003年4月林德公司为德国AdamOpei公司建造了世界上第一座70MPa氢气充气站，这标志着以氢气为动力的汽车社会进入一个重要的里程碑。与常规的35MPa系统相比，70MPa技术有较高的贮氢密度，可复盖燃料电池汽车60%~70%的范围。这一技术进展使燃料电池汽车行驶里程可超过400km，这是推广使用以压缩氢为动力的汽车最重要的前堤之一。设置于德国多登赫芬Opel试验中心的这套充气站，由林德公司设计和建造，它可将氢气供给Opel燃料电池汽车。该充气站由10000升液氢罐藉林德设计的下游蒸发器向汽车供氧，该液氢罐供氢速率为40立方米/分钟，可使汽车在约3.5分钟内充满。带有优化动力消耗的智能压缩技术，每压缩一标准立方米氢气仅耗用动力0.18kwh，该数值大大低于其他各种充气站。汽车贮氢罐充气程序符合高度的安全标准。截止2005年9月，戴姆勒—克莱斯勒公司生产的200辆燃料电池汽车已行驶于欧洲及美国、日本和新加坡的街头。壳牌公司氢气公司与通用汽车公司合作，于2005年初在北美华盛顿现有一零售汽油加油站投用了第一个充氢站，采用了空气产品和化学品公司200系列液氢充装技术，6台通用公司Hydrogen3燃料电池汽车已首次在此加氢。雪佛龙德士古技术公司（雪佛龙德士古公司子公司）于2005年5月在美国奇诺（Chino）现代-起亚美国技术中心，投用了第一座雪佛龙氢能站。该项目是美国能源部氢能技术5年计划的一部分。新的注氢站为现代5辆Tucson和起亚Sportage燃料电池汽车加注氢气，这些燃料电池汽车采用质子交换膜（PEM）技术。燃料电池动力为80kw，可在严寒环境下行驶。陶氏化学公司与通用汽车公司（GM）合作，在美国得州自由港石油化工企业建设了大型燃料电池发电系统，生产1MW电力，该燃料电池项目最终可供应35MW电力，占陶氏化学公司该生产地所需电力的2%。可大大提升氢气的利用价值。成为迄今最大的商业化燃料电池应用设施。陶氏化学公司从自由港提供副产的氢气以驱动该燃料电池，该燃料电池的投用减少了排放污染，并与其他能源供应展开竞争。荷兰NedStack公司建造200Kwe（峰值）燃料电池发电模块，用以与阿克苏-诺贝尔碱化学品公司（鹿特丹）氯碱装置生产相链结，燃料电池耗用电解槽副产的氢气，并产生电力供电解装置使用，该设施定于2005年10月投用。此概念己于2005年1月获得验证：燃料电池运行采用阿克苏-诺贝尔公司中型电解装置的氢气，在实际寿命条件下，发电效率达到61.8%。该PEM（质子交换膜）型燃料电池设计的连续工作时间为40000小时（不用维修），汽车应用为3000小时。NedStack公司还在设计更大的燃料电池发电模块，可发电50MW（峰值为200MW），预计2007年建成。另外，意大利Uhdenora公司和美国Nuvera燃料电池公司开发的模块式燃料电池系统，也可望使用氯碱装置过剩的氢气发电。目标是减少装置电耗约20%。该燃料电池系统己开始进行试验验证。鉴于燃料电池携带纯氢成本高、安全性差、汽车一次补充燃料行车里程短，且纯氢贮存、运输比较困难，许多公司正在发展与燃料电池配套的贮氢技术。能源转换设备公司开发了基于氧化镁固体的贮氢系统，该系统可在约300℃下释放出氢气，这种材料的氢密度为103g/l，而液氢密度为71g/l，利用这种贮氢罐可使燃料电池汽车行驶482km。千年电池公司也开发出基于硼氢化钠的化学贮氢技术，30%硼氢化钠水溶液与催化剂接触，可产生氢气和硼酸钠副产物。其贮氢密度也可与液氢密度相比拟，30%的溶液中氢密度为63g/l。丰田汽车公司开发的“FCHV3”燃料电池汽车采用氢吸附合金供氢方式，配备镍氢电池发动机驱动系统。该车最高时速可达150km，续驰能力在300km以上，燃料电池输出功率高达90kw。日本马自达公司也推出“DEM10-FCEV”燃料电池汽车，以氢为燃料，在车厢后部载有8个可容纳1.5m3（0℃，0.1MPa）的氢吸附合金容器，每个容器外形尺寸为540mm×70mm×110mm。最高时速可达140km，燃料电池最大输出功率为50kw。该车每次充满氢气可行走170km。壳牌氢气公司与美国能源转换设备公司成立贮氢系统合资企业，开发固体氢化物贮氢技术并实现商业化，车载贮氢罐提供氢燃料的燃料电池汽车巳推向市场。BP公司作为全球氢燃料示范项目主要参与者，在中国的首座加氢站于2006年投入运行。BP与中国签署合作协议，参与了中国的氢燃料汽车示范项目。2005年下半年，其氢燃料电池汽车示范运行活动首先在北京、上海两地进行。这两地将各采购6辆氢燃料电池公共汽车进行运行，目标是使12辆车运行里程达到160万公里。目前，BP在全球每天约生产5000吨氢，其中包括1300吨高纯度氢。未来在华落地的加氢站将是在氢能民用化、商业化方面的一种尝试。早在2004年5月，BP就在位于新加坡的一个零售加油站成功增加了加氢设备，使得该公司成为全球首个在传统加油站提供环保氢燃料的公司。上海同济大学、壳牌氢能公司和壳牌（中国）有限公司三方已签署协议，共同建造上海首座固定加氢站，为使用燃料电池的汽车提供加氢服务。同济大学与壳牌将在上海国际汽车城建造这座新的加氢站，由双方共同进行设计、建造。维护和运营。加氢站内还设有一个有关氢能经济的信息中心。这座加氢站将于2006年底建成，是国家科技部发展电动车的国家级项目的一部分。2006年，上海将有10辆使用燃料电池的汽车投入运营，并计划于2010年增加到1000辆，其中包括全球环境基金通过联合国开发计划署资助的使用燃料电池的公交车。面对全球石油资源日益紧张的形势，建立首座固定加氢站对于上海实现氢能利用的长远目标是重要的一步。壳牌正在世界范围内创建多个“灯塔项目”的战略，“灯塔项目”以4个或更多的加氢站为一组，由壳牌和其他能源公司以半商业化方式运营，通过政府与企业合作，为100多辆燃料电池汽车提供加氢服务。2.甲烷燃料电池使用甲烷（天然气）作为燃料电池的燃料可避免贮氢和补充氢燃料的后勤问题。但是，在燃料电池的阳极直接氧化甲烷还很困难。在固体氧化物燃料电池中，如工作温度超过800℃，会发生碳质沉积物污染电极问题，如温度低于800℃，则会降低功率密度。美国西北大学和宾夕法尼亚大学采用改进固体氧化物燃料电池性能的方法，在镍系阳极中加入氧化钇并掺杂二氧化铈形成多孔电极，仅650℃就能达到很高的功率密度，这样的温度也不会引起碳沉积问题。利用蒸汽转化在约500℃下由甲烷生产氢气时，由于热动力学平衡限制，甲烷只能分解40%左右，若将温度提高到1000℃以上，分解可提高到近100%，但产生大量CO2副产品。日本东京技术研究院开发了可使甲烷完全分解而无CO2副产品的工艺技术，该工艺在500℃以下及低于0.1MPa压力下进行。甲烷在氧化硅载体的镍催化剂上分解为氢气和碳，碳形成细粉末可回收。产品气体含氢约40%，通过金属氧化物，如Fe2O3和In2O3，氢可使氧化物还原为金属。这样，在300℃左右，用蒸汽可使金属重新氧化得到大量纯氢。它可安置在燃料电池车辆上为燃料电池提供氢气。它不产生CO2，与常规的甲烷转化技术相比具有经济上的优点。Energex公司开发了天然气膜法脱氮用于燃料电池的技术。该系统将天然气预处理后送入催化转化器产生氢气供磷酸燃料电池使用。在转化器中，如氢转化成氨，它会与酸反应，缩短燃料电池组合块寿命。脱氮系统采用空心纤维膜，在由微孔聚丙烯支撑的结构上涂覆0.5μm厚聚硅烷，形成气体分离阻档层阻止N2，第一套工业化装置处理的气体己供应给Omaha公司的四台200kw燃料电池组运行。氮的减少可使该燃料电池组寿命延长四倍，达到6年。更换燃料电池的费用为2500美元/kw，而降氮费用小于600美元/kw。天然气的含氮量从8.5%减小到6%即可满足用户要求。该公司拟建的大规模系统可将粗天然气的含氮量减小到任意的管输规格。3.甲醇燃料电池戴姆勒-克莱斯勒公司、巴斯夫公司、BP公司、Methanex公司、Statoil公司和Xcellsis公司联合将甲醇燃料电池汽车推向商业化，开发了以甲醇为燃料的燃料电池汽车—NECAR5。甲醇是一种理想的液体贮氢介质，在常温下为液体，可像汽油或柴油燃料一样运输、贮存和处理。甲醇转化制氢所用的催化剂为巴斯夫公司提供的氧化铜催化剂和其他金属氧化物催化剂。在甲醇和水混合进入转化器后，高活性的催化剂可使甲醇转化产生大量氢气，工作温度为200~350℃。NECAR5的推出，标志着甲醇燃料电池技术向商业化迈出了重要一步。戴姆勒-克莱斯勒公司推出的NECAR5汽车堪称是燃料电池技术的里程碑。这种燃料电池动力汽车在美国已完成了3000英里行车试验。NECAR5汽车于2002年5月20日离开旧金山，穿越了内华达山脉和落矶山脉进入华盛顿，这一验证性行车是燃料电池动力汽车第一次经过各种地带的长距离行车，包括长时间的高温和气温超过32℃的工作环境。NECAR5是戴姆勒-克莱斯勒公司开发的第5代燃料电池汽车，由Ballard燃料电池驱动系