小型燃料电池的研究现状和应用前景分析

摘要:随着社会经济发展与能源的短缺,环境污染间的矛盾日益突出,全球都在致力于能源的开发。而燃料电池作为一种绿色能源,已成为新能源领域研究的焦点。本文论述了小型燃料电池的分类、研究现状、优点及应用范围;并对小型燃料电池的发展前景进行了展望。

关键词:燃料电池 电源 氢能

Research Situation and Application Prospect of Fuel Cell

Wang Weihong

Abstract:With the development of social economy and the absence of energy,the conflict is abrupt between environment and pollution,and all the countries take up with the exploitation of energy.Whereas the fuel cell is a green energy sources,it has become the focus of the new energy sources.The classification,research situation,the virtue and application of the small fuel cell are elaborated,and the development situation and perspective of fuel cell are briefly described.

Keywords:Fuel cell Power sources Hydrogen energy

【中图分类号】G710【文献标识码】B 【文章编号】1009-9646(2009)09-0117-03

能源是经济发展的基础,没有能源工业的发展就没有现代文明。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革,从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机,每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。

随着现代文明的发展,人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需先转变成热能后再进一步转化为其它能量才能被使用,如转变成机械能或电能,受卡诺循环及现代材料的限制,在机端所获得的效率只有33%~35%,一半以上的能量白白地损失掉;二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染,故科学家们一直在努力寻找既有较高能源利用效率又不污染环境的能源利用方式,这样燃料电池就应运而生啦。

1.小型燃料电池的分类

自1839年英国科学家格罗夫(Grove)用镀制的铂作电极,以氢为燃料、氧为氧化剂研制出燃料电池后,许多科学家开始把目光转向燃料电池的研发技术上,至今已有多种多样的新燃料电池出现。常见的分类方法有:按燃料的处理方式的不同,可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温型(工作温度为100℃及以下)、中温型(工作温度为100℃～300℃)和高温型(工作温度为600℃～1000℃)3种类型;按构成电池的电解质分类,主要有5类,即碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中后3种燃料电池是目前世界各国竞相研究开发的重点。

2.小型燃料电池的发展状况

小型燃料电池作为21世纪的高科技产品,早已受到西方发达国家的重视,企业界也纷纷投入巨资从事燃料电池技术的研究与开发,均取得了重大进展,技术走向成熟,并在一定程度上实现了商业化,使得燃料电池即将逐步取代传统发电机和内燃机而广泛应用于发电和汽车上。MW级成套燃料电池发电设备已进入商业化生产,各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成,燃料电池汽车也已经开发出来,家庭用燃料电池也已经进入实用性试验,这充分显示了燃料电池所具有的广阔发展前景。

我国对燃料电池的研制开发起步并不晚,早在1958年,天津电源研究所就最早开展了熔融碳酸盐燃料电池的研究。20世纪70年代,在航天事业的推动下,中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统(kW级AFC)均通过了例行的航天环境模拟试验[3]。到20世纪90年代中期,我国政府已认识到燃料电池的重要性,国家科技部与中国科学院将小型燃料电池技术列入九五科技攻关计划,科学界和企业界的一些有识之士开始重新将目光投向燃料电池技术,中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。尤其是质子交换膜燃料电池的研究达到或接近了世界水平。中国科学院开始组织有关研究所联合攻关,准备用几年的时间研制出大功率质子交换膜燃料电池堆在我国,中国科学院大连化学物理所在2002年5月与南孚电池集团、韩国三星电子集团分别联合开发小型燃料电池,研制并组装了10W的PEMFC电堆。中科院长春应用化学所在国内率先开展了DMFC的研究,对DMFC的电催化剂、电极、电极/膜集合体及单体电池的结构优化等进行了较为系统的研究。高等院校是我国从事燃料电池基础研究与应用开发的一支重要力量。清华大学核能与新能源及时研究院在PEMFC的膜电极制备、自增先技术等多方面取得了长足的进展[4],已研制成功了输出功率分别为30W与200W的一体化PEMFC电堆[5],以及组装出了小功率DMFC电堆。另外,武汉大学、中山大学、武汉理工大学、石油大学、北京科技大学、北京理工大学也分别在小型PMEFC方面开展了研究。我国民营高科技企业也积极参与了PEMFC的开发,北京世纪富豪原燃料电池有限公司开发出了200W系列低压型氢―空燃连电池样机[6],并出口日本与意大利;另外,上海神力科技有限公司与北京飞驰绿能公司也在开发小型氢―氧燃料电池。除此以外,许多单位也展开了对其他类型燃料电池的研。

在质子交换膜燃料电池方面,以大连化学物理研究所为牵头单位,在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究,取得了很大进展,相继组装了多台0.1kW、1～2kW、5kW、10～30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其质量比功率为100W/kg,体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功,现已开发出200W电动自行车用燃料电池系统。hW级移动动力源和5kW移动通信机站动力源也已开发成功。kW级电池系统作为动力源,已成功地进行了应用试验。由6台5kW燃料电池组构成的30kW燃料电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46kW,目前该车最高时速达60.6km/h。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。

在熔融碳酸盐燃料电池方面,我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料,用冷滚压法和带铸法制备出大面积(大于0.2m2)MCFC用的电池隔膜,预测隔膜寿命超过3104h。在进行材料部件研究的基础上,成功组装和运行了kW级电池组,其性能已达到20世纪80年代初的国际水平。在固体氧化物燃料电池技术方面,已经制备出厚度为5～10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜,研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4W/cm2,负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为kW级、10kW级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。

总的来说,我国小型燃料电池的研究开发仍处于科研阶段,与国外相比,我国的小型燃料电池研究水平还较低,要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。

3.小型燃料电池的优点

3.1 发电效率高。

燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能,它不像常规电厂那样通过锅炉、汽轮机、发电机三级能量转换才能得到电能,因此既没有中间环节的转换损失,也不受热力学卡诺循环理论的限制,理论上它的发电效率可达85%～90%。但实际上,由于工作时各种极化的限制,目前各类燃料电池的实际能量转化效率为40%～60%,若实现热电联供,燃料的总利用率可高达80%以上[7]。

3.2 环境污染小。

当燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时,由于有高的能量转换效率,其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上。除此以外,由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱硫,而且按电化学原理发电,没有高温的燃烧过程,所以几乎不排放硫化物和氮氧化物,减轻了对大气的污染。

3.3 噪声低。

由于燃料电池按电化学反应原理工作,运动部件很少。因此,工作时噪声很低。

3.4 负荷调节灵活。

由于燃料电池发电装置是模块结构,容量可大可小,布置可集中可分散,且安装简单,维修方便。另外,当燃料电池的负载有变动时,它会很快响应,故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行,它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池不仅能向广大民用用户提供独立热电联供系统,也能以分散的形式向城市公用事业用户供电,或在用电高峰时作为调节的储能电池使用。

3.5 燃料来源广。

燃料电池可应用甲醇、乙醇、煤气、沼气、天然气、含氢废气、轻油、柴油等多种燃料。

4.小型燃料电池的应用范围

由于燃料电池是目前唯一同时兼备无污染、高效率、噪声低[8]、适用广且具有连续工作能力的动力装置,特别是在现在能源紧缺、大气污染严重、提倡节约能源和保护环境的形势下,以天然气等富氢气体为燃料的燃料电池正在得到广泛的应用。其应用可能有如下几个方面:

4.1 发电。

小型燃料电池由于具有能量转换效率高、污染小、用水少、占地小等突出优点,多年来一直成为替代传统发电厂设备的最佳选择。目前,美国欧洲诸国和日本等国投入运行的磷酸型燃料电池发电厂数以百计,各国工业界人士普遍对燃料电池在发电站的应用前景看好。2001年全球燃料电池的发电能力为 75 MW。未来 10年中,全球燃料电池的发电能力将会上升到 1.5 10 MW。美国预计到 2017年美国 30%的电能将由燃料电池提供。

4.2 汽车动力。

目前,各国的汽车用量均在不断增加,汽车排放的尾气已成为城市环境的主要污染源之一,特别是发展中国家,由于环境治理的力度不够,这一问题更加突出。于是人们要求开发新型的清洁、高效的能源来解决这一问题。质子交换膜燃料电池的出现,解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问题,使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。这种电池具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点,适合做汽车动力,是目前世界各国积极开发的运输用燃料电池。从上世纪 80年代起,北美、西欧和日本就开始研制,1993年,加拿大巴拉德公司研制出世界第一辆燃料电池公共汽车。九五期间中国科学院大连风汽车工程研究院合作,开发了我国第一辆完全具有自主知识产权的燃料电池电动公交车[9]。

4.3 家用能源。

由于上述燃料电池的优点和特征,燃料电池不但在航天、国防、电力和交通等部门得到广泛的应用,而且在民用方面也具有十分广阔的推广和应用前景。它作为家庭使用的分散电源的同时还可提供家庭用热水和供暖,这样可将天然气的能量利用率提高到 70%～90%。最近,日本东京燃气公司正式启动了供应电力、热水和供暖的小容量家庭用燃料电池能源综合利用系统发展计划。它是利用制氢装置把天然气改质为氢气,由固体高分子燃料电池用氢发电,同时供应生活用热水和供暖。三洋电机公交换膜小型燃料电池,其输出功率为1kW,投放市场后颇受用户欢迎。家用燃料电池是未来家庭能源的发展方向,相信通过各国科学家的努力,在不久的将来,高效清洁的家庭用燃料电池将走进普通百姓的家庭。

4.4 在其他方面的应用。

碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本没有红外线辐射,而且噪声小,可用做潜艇动力。由于它们可在常温下启动工作,且能量密度高,还是理想的航天器工作电源。此外,质子交换膜燃料电池还可用作野外便携式电源。还可用于移动通讯 数码相机、手提电脑等领域。

5.小型燃料电池的发展前景

作为一种清洁高效的能源,燃料电池具有巨大的发展潜力。从20世纪90年代中期开始,世界各国的公司和科研机构不断努力试图发展小功率燃料电池,期望将其于便携式电源,手提电脑,数码相机和移动电话电源等小型电子设备电源[10]。随着更多燃料电池商业化的到来,燃料电池市场必将大幅度上升。据报道2004年美国的燃料电池销售额已达到24 亿美元。

我国也已经把“燃料电池发展技术”列为《科技发展 “十五”计划和2015年远景规划》中,为此国家科技部和中国科学院共同投入了大量的资金进行研究,已经取得了一定的成绩。如2001年全国工博会上氢燃料电池展示车的出现,表明我国已经掌握了燃料电池的先进技术。

6.结语

我国是一个农业大国,具有丰富的农作物秸秆,因而可以秸秆产生沼气,也是一个煤炭资源比较丰富的国家,可以通过煤脱硫、气化等技术产生大量煤气,以及利用太阳光照分解水的技术日益成熟,相信燃料电池的研发与使用为解决环境污染、温室效应及能源危机等问题带来了灿烂阳光与美好向往。

参考文献

[1] 衣宝廉.燃料电池―高效环境有好的发电方式,北京:化学工业出版社,2001

[2] 衣宝廉.燃料电池-原理,技术,应用[M].北京,化学工业出版社,2003

[3] 高春梅、李清.以燃气为燃料的燃料电池及其应用的探讨[J].城市燃气,2002,(10):6~11

[4] 王诚、毛宗强、徐景明等.中国科学G辑:物理学天文学,2003,46(5):501~508

[5] 王诚、毛宗强、徐景明等.CN,X.2004,219~220

[6] 钟家轮,杨庆苏.CN,X.1999

[7] 张涛.天然气燃料电池的原理与应用[J].煤气与热力,2002,22(5):417~419

[8] 陈克,孙媛媛,徐延辉.燃料电池来源的探讨[J].节能与环保,2003,(10):32~34

[9] 贾林,邵震宇.燃料电池的应用与发展,煤气与热力,2005,25(4):73~76

[10] Dyerck Journal Of Pouer Sources.2002,06(1/2):31-34