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  • 燃料电池是最有发展前途的发电技术

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  燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装配,又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技巧。因为燃料电池是通过电化学响应把燃料的化学能中的吉布斯自正在能局限转换成电能,不受卡诺轮回效应的局部,以是出力高; 别的,燃料电池用燃料和氧气行动同时没有死板传动部件,故没有噪原料,排放出的无益气体极少;声污染。由此可睹,从撙节能源和护卫生态境遇的角度来看,燃料电池是最有成长出息的发电技巧。

  将燃料与氧化剂的化学能通过电化学响应直接转换成电能的发电装配。燃料电池外面上可正在靠近100%的热出力下运转,具有很高的经济性。目前实质运转的种种燃料电池,因为各式技巧身分的局部,再切磋所有装配编制的耗能,总的转换出力众正在45%~60%局限内,如切磋排热诈欺可达80%以上。另外,燃料电池装配不含或含有很少的运动部件,管事牢靠,较少必要维修,且比守旧发电机组沉默。别的电化学响应干净、统统,很少出现无益物质。一齐这总共都使得燃料电池被视作是一种很有成长出息的能源动力装配。[2]

  燃料电池是一种电化学的发电装配,等温的按电化学式样,直接将化学能转化为电能而不必历程热机历程,不受卡诺轮回局部,于是能量转化出力高,且无噪音,无污染,正正在成为理念的能源诈欺式样。同时,跟着燃料电池技巧不休成熟,以及西气东输工程供给了足够自然气源,燃料电池的贸易化利用存正在着广博的成长前景。[3]

  燃料电池是一种能量转妆扮配,它是按电化学道理,即原电池管事道理,等温的把储存正在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,于是实质历程是氧化还原响应。燃料电池厉重由四局限构成,即阳极、阴极、电解质和外部电途。燃料气和氧化气诀别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气正在阳极上放出电子,电子经外电途传导到阴极并与氧化气联合天生离子。离子正在电场效率下,通过电解质迁徙到阳极上,与燃料气响应,组成回途,出现电流。同时,因为自身的电化学响应以及电池的内阻,燃料电池还会出现必然的热量。电池的阴、阳南北极除传导电子外,也行动氧化还原响应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极条件有更高的催化活性。阴、阳南北极一般为众孔机合,以便于响应气体的通入和产品排出。电解质起传达离子和分散燃料气、氧化气的效率。为劝阻两种气体混淆导致电池内短途,电解质一般为致密机合。[3]

  燃料电池其道理是一种电化学装配,其构成与普通电池不异。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质构成。分歧的是普通电池的活性物质储存正在电池内部,以是,局部了电池容量。而燃料电池的正、负极自身不包括活性物质,只是个催化转换元件。以是燃料电池是名符实在的把化学能转化为电能的能量转换呆板。电池管事时,燃料和氧化剂由外部供应,举办响应。法则上只消响应物不休输入,响应产品不休破除,燃料电池就能陆续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来外明燃料电池

  氢-氧燃料电池响应道理这个响应是电解水的逆历程。电极应为: 负极:H2+2OH-2H2O +2e-

  必需有一套相应的辅助编制,蕴涵响应剂供应编制、排热编制、排水编制、电职能限制编制及和平装配等。

  燃料电池一般由变成离子导电体的电解质板和其两侧筑设的燃料极(阳极)和氛围极(阴极)、及两侧气体流途组成,气体流途的效率是使燃料气体和氛围(氧化剂气体)能正在流途中通过。

  正在适用的燃料电池中因管事的电解质分歧,历程电解质与响应合连的离子品种也分歧。PAFC和PEMFC响应中与氢离子(H+)合连,爆发的响应为:

  正在燃料极中,供应的燃料气体中的H2解析成H+和e-,H+转移到电解质中与氛围极侧供应的O2爆发响应。e-经由外部的负荷回途,再反回到氛围极侧,到场氛围极侧的响应。一系例的响应促成了e-不间断地经由外部回途,于是就组成了发电。而且从上式中的响应式(3)能够看出,由H2和O2天生的H2O,除此以外没有其他的响应,H2所具有的化学能更动成了电能。但实质上,伴跟着电极的响应存正在必然的电阻,会惹起了局限热能出现,由此省略了转换成电能的比例。 惹起这些响应的一组电池称为组件,出现的电压一般低于一伏。以是,为了得到大的效能需采用组件众层迭加的步骤得到高电压堆。组件间的电气维系以及燃料气体和氛围之间的分散,采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流途的部件,PAFC和PEMFC的隔板均由碳质料构成。堆的效能由总的电压和电流的乘积决心,电流与电池中的响应面积成比。

  PAFC的电解质为浓磷酸水溶液,而PEMFC电解质为质子导电性聚积物系的膜。电极均采用碳的众孔体,为了鼓励响应,以Pt行动触媒,燃料气体中的CO将变成中毒,下降电极职能。为此,正在PAFC和PEMFC利用中必需局部燃料气体中含有的CO量,迥殊是对付低温管事的PEMFC更应庄厉地加以局部。

  磷酸燃料电池的根基构成和响应道理是:燃料气体或都市煤气增添水蒸气后送到改质器,把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混淆物,CO和水进一步正在移位响应器中经触媒剂转化成H2和CO2。历程如许执掌后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极),同时将氧输送到燃料堆的正极(氛围极)举办化学响应,借助触媒剂的效率急速出现电能和热能。

  相对PAFC和PEMFC,高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒,以CO为厉重成份的煤气化气体能够直接行动燃料利用,况且还具有易于诈欺其高质地排气组成结合轮回发电等特征。

  MCFC主组成部件。含有电极响应合连的电解质(一般是为Li与K混淆的碳酸盐)和上下与其接连的2块电极板(燃料极与氛围极),以及两电极各自外侧通畅燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等,电解质正在MCFC约600~700℃的管事温度下透露熔融状况的液体,变成了离子导电体。电极为镍系的众孔质体,气室的变成采用抗蚀金属。

  MCFC管事道理。氛围极的O2(氛围)和CO2与电相联合,天生CO32-(碳酸离子),电解质将CO32-移到燃料极侧,与行动燃料供应的H+相联合,放出e-,同时天生H2O和CO2。化学响应式如下:

  正在这一响应中,e-同正在PAFC中的情形一律,它从燃料极被放出,通过外部的回途反回到氛围极,由e-正在外部回途中不间断的滚动杀青了燃料电池发电。别的,MCFC的最大特征是,必必要有有助于响应的CO32-离子,以是,供应的氧化剂气体中必需含有碳酸气体。而且,正在电池内部充填触媒,从而将行动自然气主成份的CH4正在电池内部改质,正在电池内部直接天生H2的要领也已拓荒出来了。而正在燃料是煤气的情形下,其主成份CO和H2O响应天生H2,以是,能够等价地将CO行动燃料来诈欺。为了得到更大的效能,隔板一般采用Ni和不锈钢来筑制。

  SOFC是以陶瓷质料为主组成的,电解质一般采用ZrO2(氧化锆),它组成了O2-的导电体Y2O3(氧化钇)行动稳固化的YSZ(稳固化氧化锆)而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合众孔体组成金属陶瓷,氛围极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形势分歧,电解质之间热膨胀差变成裂纹出现等,拓荒了正在较低温度下管事的SOFC。电池形势除了有同其他燃料电池一律的平板型外,再有拓荒出了为避免应力会合的圆筒型。SOFC的响应式如下:

  燃料极,H2经电解质而转移,与O2-响应天生H2O和e-。氛围极由O2和e-天生O2-。满堂同其他燃料电池一律由H2和O2天生H2O。正在SOFC中,因其属于高温管事型,以是,正在无其他触媒效率的情形下即可直接正在内部将自然气主成份CH4改质成H2加以诈欺,而且煤气的厉重成份CO能够直接行动燃料诈欺。

  燃料电池的厉重组成组件为:电极(Electrode)、电解质隔阂(Electrolyte Membrane)与集电器(Current Collector)等。1、电极燃料电池的电极是燃料爆发氧化响应与氧化剂爆发还原响应的电化学响应场地,其职能的优劣症结正在于触媒的职能、电极的质料与电极的制程等。电极厉重可分为两局限,其一为阳极(Anode),另一为阴极(Cathode),厚度普通为200-500mm;其机合与普通电池之平板电极分歧之处,正在于燃料电池的电极为众孔机合,因而安排成众孔机合的厉重源由是燃料电池所应用的燃料及氧化剂人人为气体(比如氧气、氢气等),而气体正在电解质中的融解度并不高,为了升高燃料电池的实质管事电流密度与下降极化效率,故成长超群孔机合的的电极,以增长到场响应的电极外貌积,而此也是燃料电池当初因而能从外面讨论阶段步入适用化阶段的紧要症结源由之一。目前高温燃料电池之电极厉重是以触媒质料制成,比如固态氧化物燃料电池(简称SOFC)的Y2O3-stabilized-ZrO2(简称YSZ)及熔融碳酸盐燃料电池(简称MCFC)的氧化镍电极等,而低温燃料电池则厉重是由气体扩散层支持一薄层触媒质料而组成,比如磷酸燃料电池(简称PAFC)与质子换取膜燃料电池(简称PEMFC)的白金电极等。[4]2、电解质隔阂电解质隔阂的厉重性能正在分开氧化剂与还原剂,并传导离子,故电解质隔阂越薄越好,但亦需顾及强度,就现阶段的技巧而言,其普通厚度约正在数十毫米至数百毫米;至于材质,目前厉重朝两个成长倾向,其一是先以石棉(Asbestos)膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂(LiAlO3)膜等绝缘质料制成众孔隔阂,再浸入熔融锂-钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中,使其附着正在隔阂孔内,另一则是采用全氟磺酸树脂(比如PEMFC)及YSZ(比如SOFC)。3、集电器集电器又称作双极板(Bipolar Plate),具有网罗电流、分开氧化剂与还原剂、疏通响应气体等之功用,集电器的职能厉重取决于其质料性子、流场安排及其加工技巧。

  燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装配。从外面上来讲,只消陆续供应燃料,燃料电池便能陆续发电,已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技巧。[5]

  燃料电池发电不受卡诺轮回的局部。外面上,它的发电出力可到达85% ~90%,但因为管事时种种极化的局部,目前燃料电池的能量转化出力约为40%~ 60%。若杀青热电联供,燃料的总诈欺率可高达80%以上。[3]

  燃料电池以自然气等富氢气体为燃料时,二氧化碳的排放量比热机历程省略40%以上,这对缓解地球的温室效应是万分紧要的。别的,因为燃料电池的燃料气正在响应前必需脱硫,况且按电化学道理发电,没有高温燃烧历程,以是简直不排放氮和硫的氧化物,减轻了对大气的污染。[3]

  液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍,直接甲醇燃料电池的比能量比锂离子电池(能量密度最高的充电电池)高10倍以上。目前,燃料电池的实质比能量纵然唯有外面值的10%,但仍比普通电池的实质比能量高许众。[3]

  燃料电池机合容易,运动部件少,管事时噪声很低。尽管正在11MW级的燃料电池发电厂相近,所测得的噪音也低于55dB。[3]

  对付燃料电池而言,只消含有氢原子的物质都能够行动燃料,比如自然气、石油、煤炭等化石产品,或是沼气、酒精、甲醇等,以是燃料电池特地适合能源众样化的需求,可减缓主流能源的耗竭。[3]

  当燃料电池的负载有更正时,它会很速呼应。无论处于额定功率以上过载运转或低于额定功率运转,它都能继承且出力变革不大。因为燃料电池的运转高度牢靠,可行动种种应急电源和不间断电源应用。[3]

  燃料电池具有拼装式机合,装配维修便当,不必要许众辅助办法。燃料电池电站的安排和成立相当便当。[3]

  碱性燃料电池(AFC)是最早拓荒的燃料电池技巧,正在20世纪60年代就告捷的利用于航天飞舞范围。磷酸型燃料电池(PAFC)也是第一代燃料电池技巧,是目前最为成熟的利用技巧,仍旧进入了贸易化利用和批量临蓐。因为其本钱太高,目前只可行动区域性电站来现场供电、供热。熔融碳酸型燃料电池(MCFC)是第二代燃料电池技巧,厉重利用于筑立发电。固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态机合、更高的能量出力和对煤气、自然气、混淆气体等众种燃料气体广博适宜性等了得特征,成长最速,利用广博,成为第三代燃料电池。[6]

  目前正正在拓荒的商用燃料电池再有质子换取膜燃料电池(PEMFC)。它具有较高的能量出力和能量密度,体积重量小,冷启动年华短,运转和平牢靠。别的,因为应用的电解质膜为固态,可避免电解质侵蚀。燃料电池技巧的讨论与拓荒已获得了巨大发展,技巧慢慢成熟,并正在必然水平上杀青了贸易化。行动21世纪的高科技产物,燃料电池已利用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业,受到各邦政府的珍惜。[3]

  我邦燃料电池讨论始于20世纪50年代末,70年代邦内的燃料电池讨论呈现了第一次顶峰,厉重是邦度投资的航天用AFC,如氨/氛围燃料电池、肼/氛围燃料电池、乙二醇/氛围燃料电池等.80年代我邦燃料电池讨论处于低潮,90年代往后,跟着海外燃料电池技巧获得了巨大发展,正在邦内又变成了新一轮的燃料电池讨论高潮.1996年召开的第59次香山科学集会上特意议论了“燃料电池的讨论近况与他日成长”,鉴于PAFC正在海外技巧已成熟并进入商品拓荒阶段,我邦核心讨论拓荒PEMFC、MCFC和SOFC.中邦科学院将燃料电池技巧列为“九五”院巨大和迥殊扶助项目,邦度科委也接踵将燃料电池技巧蕴涵DAFC列入“九五”、“十五”攻合、“ 863”、“973”等巨大规划之中.燃料电池的拓荒是一较大的编制工程,“官、产、研”联合是邦际上燃料电池讨论拓荒的一个明显特征,也是必由之途.目前,我邦政府高度珍惜,讨论单元稠密,具有众年的人才贮藏和科研积聚,财富部分的乐趣不休增长,需求火急,这些都为我邦燃料电池的神速成长带来了无穷的朝气.[7]

  另一方面,我邦事一个产煤和燃煤大邦,煤的总破费量约占宇宙的25%支配,变成煤燃料的极大铺张和急急的境遇污染.跟着邦民经济的神速成长和公民生存秤谌的不休升高,我邦汽车的具有量(蕴涵私家汽车)迅猛增进,以致燃油的汽车越来越成为紧要的污染源.因而拓荒燃料电池这种清洁能源技巧就显得极其紧要,这也是高效、合理应用资源和护卫境遇的一个紧要途径。[7]

  固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将燃料气和氧化气中的化学能转换成电能的全固态能量转换装配,具有普通燃料电池的机合。固体氧化物燃料电池以至密的固体氧化物作电解质,正在高温800~ 1 000℃下操作,响应气体不直接接触[8],以是能够应用较高的压力以缩小响应器的体积而没有燃烧或爆炸的告急。

  目前正正在研制拓荒的新一代固体氧化物燃料电池,其特性是基于薄膜化成立技巧,是规范的高温陶瓷膜电化学响应器,咱们可称其为陶瓷膜燃料电池。这种提法分歧于燃料电池的普通定名法,更着眼于电解质质料和构型的安排。我邦已告捷研制了中温(500~ 750℃)陶瓷膜燃料电池的症结质料,成长了众种薄膜化技巧(流延法、丝网印刷法、悬浮粒子法、静电喷雾法、化学气相淀积法等),得到了厚度5~ 20m的薄层固体电解质,比守旧工艺成立的150~ 200m电解质薄板减薄了一个数目级,单电池的输出功率到达了500~ 600mW /cm 2。燃料气除氢气以外,还能够直接以自然气、生物质气为原料。比来,西门子-西屋公司仍旧竣事了以自然气为燃料,内重整的100kW级管状电池的现场试验发电编制,试运转了4 000h,电池输出功率达127kW,电出力为53%[9]。

  跟着对固体氧化物燃料电池根底讨论的深远,其正在各范围的利用也获得了拓荒。正在成长大型电站技巧的同时,固体氧化物燃料电池还用于散布式电站和备用电源技巧。固体氧化物燃料电池可行动转移式电源,为大型车辆供给辅助动力源。第一辆装有固体氧化物燃料电池辅助电源编制(APU)的汽车,由巴伐利亚煽动机公司与德尔福汽车编制公司互助推出,已于2001年2月16日正在德邦慕尼黑问世[10]。固体氧化物燃料电池还能够行动汽船、舰艇用电源以及宇航等奇特用处的发电编制。别的,诈欺固体氧化物燃料电池编制行动碳氢气体的重整装配以制备纯氢,再配合质子换取膜燃料电池的利用也将有着广博的成长前景。 2004年5月,美邦能源部投资240万美元用于固体氧化物燃料电池再生能源项目拓荒[11]。固体氧化物燃料电池的广博利用前景使其成为目前成长的热门。美邦政府部分正在燃料电池方面的讨论投资核心已转向了固体氧化物燃料电池。

  氢燃料电池以氢气为燃料,与氧气经电化学响应后透过质子换取膜出现电能。氢和氧响应天生水,不排放碳化氢、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物,无污染,发电效益高。60年代,氢燃料电池就仍旧告捷利用于航天范围。“阿波罗”飞船就装配了这种体积小、容量大的装配。 70年代至今,跟着制氢技巧的成长,氢燃料电池正在发电、电动车和微型电池方面的利用拓荒获得了很众成就。

  目前,氢燃料电池的发电热出力可达65%~ 85%,重量能量密度500~ 700Wh/kg,体积能量密度1 000~ 1 200Wh/L,发电出力高于固体氧化物燃料电池[10]。氢燃料电池正在30~ 90℃下运转,启动年华很短,0~ 20s内即可到达满负荷管事,寿命能够到达10年,无轰动,无废气排放,多量量临蓐本钱可降到100~ 200美元/kW[12]。将氢燃料电池用于电动车,与燃油汽车较量,除本钱外,各方面职能均优于现有的汽车。只消进一步下降本钱,估计不久就会有适用的电动车问世。

  基于以上情形,各京都正在加紧对氢气作燃料的燃料电池拓荒。德邦已持续推出了种种燃氢汽车。正在冰岛政府的扶助下,原戴姆勒-克莱斯勒公司和壳牌公司于1999岁首揭晓了把这个岛邦变为宇宙上第一个“氢经济”的邦度规划最终用无污染的氢能源庖代一齐小轿车、大家汽车上应用的柴油和汽油[13]。

  我邦正在广东汕头南澳岛成立了电动汽车试验区,有近20辆电动车和混淆动力汽车加入试验。从总体秤谌上看,我邦的氢能和氢燃料电池的讨论拓荒管事与海外少许旺盛邦度比拟,再有必然差异。

  氢燃料电池还未统统杀青大界限工业化利用的源由厉重有两方面。最初,奈何成立氢气。制氢的式样是众种众样的,既可通过化学要领对化合物举办重整、解析、光解或水解等式样得到,也可通过电解水制氢,或是诈欺产氢微生物举办发酵或光合效率来制得氢气。此中,电解水制氢是一种统统干净的制氢式样,但这种要领能耗量较大,正在现场制氢方面的利用受到了少许局部,目前还正在进一步讨论和拓荒。生物制氢法采用有机废物为原料,通过光合效率或细菌发酵举办产氢。但目前对这种要领的产氢机理明晰得尚不深远,正在菌种培养、细菌代谢旅途、细菌产氢前提等方面的很众题目再有待讨论,总的说来还不可熟[13]。目前厉重的大界限产氢式样是以煤、石油、自然气为原料加热制氢,必要800℃

  以上的高温,转化炉等筑立必要奇特质料,且不适合小界限制氢。近来成长了甲醇蒸汽转化制氢,这种制氢式样响应温度低(260~ 280℃),工艺前提松弛,能耗约为前者的50%[14]。甲醇还具有宜于领导运输,能够像汽油一律加注等所长。以是,甲醇转化氢气仍旧成为该范围的讨论热门。别的,金属氢化物储氢、吸附储氢技巧的讨论也对车载储氢和制氢供给了途径[15]。

  直接以甲醇为燃料的质子换取膜燃料电池一般称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。膜电极厉重由甲醇阳极、氧气阴极和质子换取膜(PEM)组成。阳极和阴极诀别由不锈钢板、塑料薄膜、铜质电流网罗板、石墨、气体扩散层和众孔机合的催化层构成。此中,气体扩散层起支持催化层、网罗电流及传导响应物的效率,由具有导电性能的碳纸或碳布构成;催化层是电化学响应的场地,常用的阳极和阴极电极催化剂诀别为PtRu/C和Pt/C。

  直接甲醇燃料电池无须中心转妆扮配,于是编制机合容易,体积能量密度高,还具有起动年华短、负载呼应性子佳、运转牢靠性高,正在较大的温度局限内都能平常管事,燃料填补便当等所长。利用范围特地广博,厉重分为

  因为认识到DMFC是潜正在的转移式电源并有也许代替局限军用电池,各邦的众个科研机构对此打开了深远讨论。 2002年,以色列特拉维夫大学最初拓荒告捷了甲醇直接式样的手机燃料电池[16]。2003年日本东芝公司布告拓荒出一种可用于手机和小型音信终端的以高浓甲醇为发电原料的燃料电池,这种电池的巨细像手掌一律,输出的电能却是现正在手机用锂电池的6倍[2]。德邦SFC燃料电池公司扬言已拓荒出甲醇电池筑立的初期临蓐样品,该筑立可创建出40W的电源,他日将被利用于札记本电脑、打印机、手机等产物。

  近年来,微型DMFC及军用燃料电池已靠近适用,但阳极催化剂活性差,阳极催化剂层中缺乏合理的甲醇和二氧化碳分通畅道以及制止甲醇从阳极向阴极穿透等方面还存正在许众技巧困难[16]。针对这些题目,也提出了少许治理的途径。正在催化剂活性方面,诈欺贵金属二元、三元合金催化剂来升高抗CO中毒的才干或寻找非贵金属催化剂以升高催化剂的活性。对付局限CH3OH穿过PEM直接与O2响应不出现电流的题目,可通过下降CH3OH正在PEM中的扩散系数、更始或研制新型PEM的要领省略甲醇扩散,升高电池出力[17]。跟着DMFC的燃料转换出力、功率密度、牢靠性的升高和本钱的下降,DMFC将会成为他日理念的燃料电池。[3]

  正在中邦的燃料电池讨论始于1958年,原电子工业部天津电源讨论所最早展开了MCFC的讨论。70年代正在航天职业的饱动下,中邦燃料电池的讨论曾透露出第一次上涨。其间中邦科学院大连化学物理讨论所研制告捷的两品种型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池编制(千瓦级AFC)均通过了例行的航天境遇模仿试验。1990年中邦科学院长春利用化学讨论所负担了中科院PEMFC的讨论职司,1993年起先举办直接甲醇质子换取膜燃料电池(DMFC)的讨论。电力工业部哈尔滨电站成套筑立讨论所于1991年研制出由7个单电池构成的MCFC道理性电池。“八五”时刻,中科院大连化学物理讨论所、上海硅酸盐讨论所、化工冶金讨论所、清华大学等邦内十几个单元举办了与SOFC的相合讨论。到90年代中期,因为邦度科技部与中科院将燃料电池技巧列入九五科技攻合规划的饱动,中邦进入了燃料电池讨论的第二个上涨。

  正在中邦科学管事家正在燃料电池根底讨论和单项技巧方面获得了不少发展,积聚了必然体验。可是,因为众年来正在燃料电池讨论方面加入资金数目很少,就燃料电池技巧的总体秤谌来看,与旺盛邦度尚有较大差异。我邦相合部分和专家对燃料电池万分珍惜,1996年和1998年两次正在香山科学集会上对中邦燃料电池技巧的成长举办了专题议论,夸大了自决讨论与拓荒燃料电池编制的紧要性和须要性。近几年中邦加紧了正在PEMFC方面的讨论力度。 2000年大连化学物理讨论所与中科院电工讨论所已竣事30kW车用用燃料电池的扫数试验管事。科技部副部长徐冠华正在EVS16届大会上布告,中邦将正在2000年装出首台燃料电池电动车。此前到场燃料电池讨论的相合大概如下:

  中邦最早展开PEMFC研制管事的是长春利用化学讨论所,该所于1990年正在中科院扶植下起先讨论PEMFC,管事厉重会合正在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制已成立出100WPEMFC样机。1994年又率先展开直接甲醇质子换取膜燃料电池的讨论管事。该所与美邦CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体讨论所等成立了永恒互助干系。 中邦科学院大连化学物理所于1993年展开了PEMFC的讨论,正在电极工艺和电池机合方面做了很众管事,现已研制成管事面积为140cm2的单体电池,其输出功率达0.35W/cm2。

  复旦大学正在90年代初起先研制直接甲醇PEMFC,厉重讨论聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门大学与香港大学和美邦的CaseWesternReserve大学互助展开了直接甲醇PEMFC的讨论。

  1994年,上海大学与北京石油大学互助讨论PEMFC(“八五”攻合项目),厉重讨论催化剂、电极、电极膜纠集体的制备

  北京理工大学于1995年正在刀兵工业部资助下起先了PEMFC的讨论,单体电池的电流密度为150mA/cm2。

  中邦科学院工程热物理讨论所于1994年起先讨论PEMFC,主营应用预备传热和预备流体力学要领对种种供气、增湿、排热和排水计划举办较量,提出更始的传热和传质计划。

  天津电源讨论所1997年起先PEMFC的讨论,拟从海外引进1.5kW的电池,正在解析摄取海外进步技巧的根底上展开讨论。

  1995年北京富原公司与加拿大新能源公司互助举办PEMFC的研制与拓荒,5kW的PEMFC样机现已研制告捷并起先接收订货。

  正在中邦展开MCFC讨论的单元不太众。哈尔滨电源成套筑立讨论所正在80年代后期曾讨论过MCFC,90年代初勾留了这方面的讨论管事。

  1993年中邦科学院大连化学物理讨论所正在中邦科学院的资助下起先了MCFC的讨论,自制LiAlO2微粉,用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔阂,拼装了单体电池,其职能已到达邦际80年代初的秤谌。

  90年代初,中邦科学院长春利用化学讨论所也起先了MCFC的讨论,正在LiAlO2微粉的制备要领讨论和诈欺金属间化合物作MCFC的阳极质料等方面获得了很大发展。

  北京科技大学于90年代初正在邦度自然科学基金会的资助下展开了MCFC的讨论,厉重讨论电极质料与电解质的互相效率,提出了用金属间化合物作电极质料以下降它的融解。

  最早展开SOFC讨论的是中邦科学院上海硅酸盐讨论所他们正在1971年就展开了SOFC的讨论,厉重着重于SOFC电极质料和电解质质料的讨论。80年代正在邦度自然科学基金会的资助下又起先了SOFC的讨论,编制讨论了流延法制备氧化锆膜质料、阴极和阳极质料、单体SOFC机合等,已开头左右了湿化学法制备稳固的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技巧。吉林大学于1989年正在吉林省青年科学基金资助下起先对SOFC的电解质、阳极和阴极质料等举办讨论拼装成单体电池,通过了吉林省科委的判决。1995年获吉林省计委和邦度计委450万元公民币的资助,先后讨论了电

  极、电解质、密封和结合质料等,单体电池开途电压达1.18V,电流密度400mA/cm2,4个单体电池串联的电池组能使收音机和灌音机平常管事。

  1991年中邦科学院化工冶金讨论所正在中邦科学院资助下展开了SOFC的讨论,从研制质料入手制成了管式平和板式的单体电池,功率密度达0.09W/cm2~0.12W/cm2,电流密度为150mA/cm2~180mA/cm2,管事电压为0.60V~0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学讨论所引进了20W~30W块状叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们正在认识俄罗斯叠层式机合、美邦Westinghouse的管式机合和德邦Siemens板式机合的根底上,安排了六面形式新型机合,该机合摄取了管式不密封的所长,电池间组合采用金属毡柔性结合,并可用通例陶瓷制备工艺筑制。

  华南理工大学于1992年正在邦度自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百众万元的资助下起先了SOFC的讨论,拼装的管状单体电池,用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2,电流密度为17mA/cm2,陆续运转140h,电池职能无昭彰衰减。

  旺盛邦度都将大型燃料电池的拓荒行动核心讨论项目,企业界也纷纷斥以巨资,从事燃料电池技巧的讨论与拓荒,已获得了很众紧要成就,使得燃料电池即将庖代守旧发电机及内燃机而广博利用于发电及汽车上。值得提防的是这种紧要的新型发电式样能够大大下降氛围污染及治理电力供应、电网调峰题目,2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电筑立已进入贸易化临蓐,各品级的燃料电池发电厂接踵正在少许旺盛邦度筑成。燃料电池的成长革新将如百年前内燃机技巧打破庖代人力变成工业革命,也像电脑的发现普及庖代人力的运算画图及文书执掌的电脑革命,又如汇集通信的成长调动了人们生存习俗的音信革命。燃料电池的超过力、无污染、制造周期短、易保卫以及低本钱的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。方今,正在北美、日本和欧洲,燃料电池发电正以迎头赶上的势头速步进入工业化界限利用的阶段,将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电式样。燃料电池技巧正在海外的迅猛成长必需惹起咱们的足够珍惜,它已是能源、电力行业不得不重视的课题。

  受1973年宇宙性石油危害以及美邦PAFC研发的影响,日本决心拓荒各品种型的燃料电池,PAFC行动大型节能发电技巧由新能源财富技巧拓荒机构(NEDO)举办拓荒。自1981年起,举办了1000kW现场型PAFC发电装配的讨论和拓荒。1986年又展开了200kW现场性发电装配的拓荒,以合用于边远区域或贸易用的PAFC发电装配。 富士电机公司是日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年,该公司已向邦外里供应了17套PAFC树范装配,富士电机正在1997年3月竣事了阔别型5MW筑立的运转讨论。行动现场用筑立已有50kW、100kW及500kW合计88种筑立加入应用。下外所示为富士电机公司已交货的发电装配运转情形,到1998年止有的已领先了宗旨寿命4万小时。

  东芝公司从70年代后半期起先,以阔别型燃料电池为中央举办拓荒此后,将阔别电源用11MW机以及200kW机变成了系列化。11MW机是宇宙上最大的燃料电池发电筑立,从1989年起先正在东京电力公司五井火电站内筑制,1991年3月初发电告捷后,直到1996年5月举办了5年众现场试验,累计运转年华领先2万小时,正在额定运转情形下杀青发电出力43.6%。正在小型现场燃料电池范围,1990年东芝和美邦IFC公司为使现场用燃料电池贸易化,建设了ONSI公司,此后起先向全宇宙出卖现场型200kW筑立PC25系列。PC25系列燃料电池从1991岁终运转,到1998年4月,共向宇宙出卖了174台。此中装配正在美邦某公司的一台机和装配正在日本大阪梅田中央的大阪煤气公司2号机,累计运转年华接踵打破了4万小时。从燃料电池的寿命和牢靠性方面来看,累计运转年华4万h是燃料电池的深入宗旨。东芝ONSI已竣事了正式商用机PC25C型的拓荒,早已投放墟市。PC25C型行动21世纪新能源前锋得到日本互市财富大奖。从燃料电池贸易化开拔,该筑立被评议为具有高进步性、牢靠性以及出色的境遇性筑立。它的成立本钱是$3000/kW,将推出的贸易化PC25D型筑立本钱会降至$1500/kW,体积比PC25C型省略1/4,质地仅为14t。2001年,正在中邦就将迎来第一座PC25C型燃料电池电站,它厉重由日本的MITI(NEDO)资助的,这将是我邦第一座燃料电池发电站。

  有名的加拿大Ballard公司正在PEMFC技巧上环球领先,它的利用范围从交通器材到固定电站,其子公司BallardGenerationSystem被以为正在拓荒、临蓐和墟市化零排放质子换取膜燃料电池上处于宇宙领先职位。BallardGenerationSystem最初产物是250kW燃料电池电站,其根基构件是Ballard燃料电池,诈欺氢气(由甲醇、自然气或石油获得)、氧气(由氛围获得)不燃烧地发电。Ballard公司正和宇宙很众有名公司互助以使BallardFuelCell贸易化。BallardFuelCell仍旧用于固定发电厂:由BallardGenerationSystem,GPUInternationalInc.,AlstomSA和EBARA公司协同组筑了BallardGenerationSystem,协同拓荒千瓦级以下的燃料电池发电厂。历程5年的拓荒,第一座250kW发电厂于1997年8月告捷发电,1999年9月送至IndianaCinergy,历程周详测试、评估,并升高了安排的职能、下降了本钱,这导致了第二座电厂的成立,它装配正在柏林,250kW输出功率,也是正在欧洲的第一次测试。很速Ballard公司的第三座250kW电厂也正在2000年9月装配正在瑞士举办现场测试,紧接着,正在2000年10月通过它的伙伴EBARABallard将第四座燃料电池电厂装配正在日本的NTT公司,向亚洲斥地了墟市。正在分歧区域举办的测试将大大鼓励燃料电池电站的贸易化。第一个早期贸易化电厂将正在2001腊尾面市。下图是装配正在美邦Cinergy的Ballard燃料电池装配,正正在测试。

  正在美邦,PlugPower公司是最大的质子换取膜燃料电池拓荒公司,他们的宗旨是拓荒、成立适合于住民和汽车用经济型燃料电池编制。1997年,PlugPower模块第一个告捷地将汽油更动为电力。PlugPower公司拓荒出它的专利产物PlugPower7000住民家用阔别型电源编制。贸易产物正在2001岁首推出。家用燃料电池的推出将使核电站、燃气发电站面对寻事,为了执行这种产物,1999年2月,PlugPower公司和GEMicroGen建设了合伙公司,产物改称GEHomeGen7000,由GEMicroGen公司担任环球执行。此产物将供给7kW的络续电力。GE/Plug公司扬言其2001岁首售价为$1500/kW。他们估计5年后,巨额临蓐的燃料电池售价将降至$500/kW。假设有20万户家庭各装配一个7kW的家用燃料电池发电装配,其总和将靠近一个核电机组的容量,这种阔别型发电编制可用于尖峰用电的供应,又因阔别式编制安排增长了电力的稳固性,尽管少数呈现了窒碍,但所有发电编制仍然能平常运转。 正在Ballard公司的鼓动下,很众汽车成立商到场了燃料电池车辆的研制,比如:Chrysler(克莱斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda(本田)、Nissan(尼桑)、VolkswagenAG(人人)和Volvo(富豪)等,它们很众正正在应用的燃料电池都是由Ballard公司临蓐的,同时,它们也将巨额的资金加入到燃料电池的研制当中,克莱斯勒公司给Ballard公司注入4亿5万万加元用于拓荒燃料电池汽车,大大的鼓励了PEMFC的成长。1997年,Toyota公司就制成了一辆RAV4型带有甲醇重整器的跑车,它由一个25kW的燃料电池和辅助干电池一同供给了扫数50kW的能量,最高时速能够到达125km/h,行程可达500km。这些大的汽车公司均有燃料电池拓荒规划,固然燃料电池汽车贸易化的机缘还未成熟,但几家公司已确定了起先批量临蓐的年华外,Daimler-Benz公司布告,到2004年将年产40000辆燃料电池汽车。于是他日十年,极有也许到达100000辆燃料电池汽车。

  50年代初,熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)因为其能够行动大界限民用发电装配的前景而惹起了宇宙局限的珍惜。正在这之后,MCFC成长的特地速,它正在电池质料、工艺、机合等方面都获得了很大的更始,但电池的管事寿命并不睬念。到了80年代,它已被行动第二代燃料电池,而成为杀青兆瓦级商品化燃料电池电站的厉重讨论宗旨,研制速率日益加快。MCFC的厉重研制者会合正在美邦、日本和西欧等邦度。估计2002年将商品化临蓐。

  美邦能源部(DOE)2000年已拨给固定式燃料电池电站的讨论用度4420万美元,而此中的2/3将用于MCFC的拓荒,1/3用于SOFC的拓荒。美邦的MCFC技巧拓荒无间厉重由两至公司负担,ERC(EnergyResearchCorporation)(现为FuelCellEnergyInc.)和M-CPower公司。他们通过分歧的要领筑制MCFC堆。两家公司都到了现场树范阶段:ERC1996年已举办了一套设于加州圣克拉拉的2MW的MCFC电站的实证试验,正正在寻找3MW装配试验的住址。ERC的MCFC燃料电池正在电池内部举办无燃气的改质,而不必要独立设立的改质器。凭据试验结果,ERC对电池举办了从新安排,将电池改成250kW单电池堆,而非原先的125kW堆,云云可将3MW的MCFC装配正在0.1英亩的场合上,从而下降投资用度。ERC估计将以$1200/kW的筑立用度供给3MW的装配。这与小型燃气涡轮发电装配筑立用度$1000/kW靠近。但小型燃气发电出力仅为30%,而且有废气排放和噪声题目。与此同时,美邦M-CPower公司已正在加州圣迭戈的水师航空站举办了250kW装配的试验,规划正在统一住址试验更始75kW装配。M-CPower公司正正在研制500kW模块,规划2002年起先临蓐。

  日本对MCFC的讨论,自1981年月光规划时起先,1991年后转为核心,每年正在燃料电池上的用度为12-15亿美元,1990年政府追加2亿美元,特意用于MCFC的讨论。电池堆的功率1984年为1kW,1986年为10kW。日本同时讨论内部转化和外部转化技巧,1991年,30kW级间接内部转化MCFC试运转。1992年50-100kW级试运转。1994年,诀别由日立和石川岛播磨重工竣事两个100kW、电极面积1m2,加压外重整MCFC。别的由中部电力公司成立的1MW外重整MCFC正正在川越火力发电厂装配,估计以自然气为燃料时,热电出力大于45%,运转寿命大于5000h。由三菱电机与美邦ERC互助研制的内重整30kWMCFC已运转了10000h。三洋公司也研制了30kW内重整MCFC。石川岛播磨重工有宇宙上最大面积的MCFC燃料电池堆,试验寿命已达13000h。日本为了鼓励MCFC的拓荒讨论,于1987年建设了MCFC讨论协会,担任燃料电池堆运转、电厂外围筑立和编制技巧等方面的讨论,它已结合了14个单元成为日本讨论拓荒主力。

  欧洲早正在1989年就拟定了1个Joule规划,宗旨是成立境遇污染小、可阔别装配、功率为200MW的第二代电厂,蕴涵MCFC、SOFC和PEMFC三品种型,它将职司分拨到各邦。举办MCFC讨论的厉重有荷兰、意大利、德邦、丹麦和西班牙。荷兰对MCFC的讨论从1986年仍旧起先,1989年已研制了1kW级电池堆,1992年对10kW级外部转化型与1kW级内部转化型电池堆举办试验,1995年对煤制气与自然气为燃料的2个250kW编制举办试运转。意大利于1986年起先履行MCFC邦度讨论规划,1992-1994年研制50-100kW电池堆,意大利Ansodo与IFC缔结了相合MCFC技巧的和议,已装配一套单电池(面积1m2)自愿化临蓐筑立,年临蓐才干为2-3MW,可放大到6-9MW。德邦MBB公司于1992年竣事10kW级外部转化技巧的讨论拓荒,正在ERC协助下,于1992年-1994年举办了100kW级与250kW级电池堆的成立与运转试验。现正在MBB公司具有宇宙上最大的280kW电池组体。

  d.因为MCFC管事温度600-1000℃,排出的气体可用来取暖,也可与汽轮机结合发电。若热电联产,出力可升高到80%;

  e.中小界限经济性与几种发电式样较量,当负载指数大于45%时,MCFC发电编制本钱最低。与PAFC比拟,固然MCFC肇端投资高,但PAFC的燃料费远比MCFC高。当发电编制为中小界限阔别型时,MCFC的经济性更为了得;

  SOFC由用氧化钇稳固氧化锆(YSZ)那样的陶瓷给氧离子通电的电解质和由众孔质给电子通电的燃料和氛围极组成。氛围中的氧正在氛围极/电解质界面被氧化,正在氛围燃料之间氧的分差效率下,正在电解质中向燃料极侧转移,正在燃料极电解质界面和燃料中的氢或一氧化碳响应,天生水蒸气或二氧化碳,放出电子。电子通过外部回途,再次返回氛围极,此时出现电能。

  因为是高温行动(600-1000℃),通过设立底面轮回,能够得到领先60%出力的高效发电。

  因为电池本体的组成质料扫数是固体,因而没有电解质的蒸发、流淌。别的,燃料极氛围极也没有侵蚀。l行动温度高,能够举办甲烷等内部改质。

  与其他燃料电池比,发电编制容易,能够巴望从容量较量小的筑立成长到大界限筑立,具有广博用处。

  正在固定电站范围,SOFC昭彰比PEMFC有上风。SOFC很少必要对燃料执掌,内部重整、内部热集成、内部纠集管使编制安排更为容易,况且,SOFC与燃气轮机及其他筑立也很容易举办高效热电联产。下图为西门子-西屋公司拓荒出的宇宙第一台SOFC和燃气轮机混淆发电站,它于2000年5月装配正在美邦加州大学,功率220kW,发电出力58%。他日的SOFC/燃气轮机发电出力将到达60-70%。

  被称为第三代燃料电池的SOFC正正在踊跃的研制和拓荒中,它是正正在饱起的新型发电式样之一。美邦事宇宙上最早讨论SOFC的邦度,而美邦的西屋电气公司所起的效率尤为紧要,现已成为正在SOFC讨论方面最有威望的机构。 早正在1962年,西屋电气公司就以甲烷为燃料,正在SOFC试验装配上得到电流,并指出烃类燃料正在SOFC内必需竣事燃料的催化转化与电化学响应两个根底历程,为SOFC的成长奠定了根底。今后10年间,该公司与OCR机构互助,维系400个小圆筒型ZrO2-CaO电解质,试制100W电池,但此形状未便供大界限发电装配利用。80年代后,为了开采新能源,缓解石油资源紧缺而带来的能源危害,SOFC讨论获得繁荣成长。西屋电气公司将电化学气相重积技巧利用于SOFC的电解质及电极薄膜制备历程,使电解质层厚度减至微米级,电池职能获得昭彰升高,从而揭开了SOFC的讨论簇新的一页。80年代中后期,它起先向讨论大功率SOFC电池堆成长。1986年,400W管式SOFC电池组正在田纳西州运转告捷。

  别的,美邦的其它少许部分正在SOFC方面也有必然的能力。位于匹兹堡的PPMF是SOFC技巧贸易化的紧要临蓐基地,这里具有完善的SOFC电池构件加工、电池安装和电池质地检测等筑立,是目前宇宙上界限最大的SOFC技巧讨论拓荒中央。1990年,该中央为美邦DOE成立了20kW级SOFC装配,该装配采用管道煤气为燃料,已陆续运转了1700众小时。与此同时,该中央还为日本东京和大阪煤气公司、合西电力公司供给了两套25kW级SOFC试验装配,此中一套为热电联产装配。别的美邦阿尔贡邦度实习室也讨论拓荒了叠层波纹板式SOFC电池堆,并拓荒出适合于这种机合质料成型的浇注法和压延法。使电池能量密度获得明显升高,是较量有出息的SOFC机合。 正在日本,SOFC讨论是“月光规划”的一局限。早正在1972年,电子归纳技巧讨论所就起先讨论SOFC技巧,自后参加月光规划讨论与拓荒队伍,1986年讨论出500W圆管式SOFC电池堆,并构成1.2kW发电装配。东京电力公司与三菱重工从1986年12月起先研制圆管式SOFC装配,得到了输出功率为35W的单电池,当电流密度为200mA/cm2时,电池电压为0.78V,燃料诈欺率到达58%。1987年7月,电源拓荒公司与这两家公司互助,拓荒出1kW圆管式SOFC电池堆,并陆续试运转达1000h,最大输出功率为1.3kW。合西电力公司、东京煤气公司与大阪煤气公司等机构则从美邦西屋电气公司引进3kW及2.5kW圆管式SOFC电池堆举办试验,获得了速意的结果。从1989年起,东京煤气公司还入手拓荒大面积平板式SOFC装配,1992年6月竣事了100W平板式SOFC装配,该电池的有用面积达400cm2。现Fuji与Sanyo公司拓荒的平板式SOFC功率已到达千瓦级。别的,中部电力公司与三菱重工互助,从1990年起对叠层波纹板式SOFC编制举办讨论和归纳评议,研制出406W试验装配,该装配的单电池有用面积到达131cm2。

  正在欧洲早正在70年代,联邦德邦海德堡中心讨论所就讨论出圆管式或半圆管式电解质机合的SOFC发电装配,单电池运转职能优异。80年代后期,正在美邦和日本的影响下,欧共体踊跃饱动欧洲的SOFC的贸易化成长。德邦的Siemens、DomierGmbH及ABB讨论公司尽力于拓荒千瓦级平板式SOFC发电装配。Siemens公司还与荷兰能源中央(ECN)互助拓荒开板式SOFC单电池,有用电极面积为67cm2。ABB讨论公司于1993年研制出改善型平板式千瓦级SOFC发电装配,这种电池为金属双极性机合,正在800℃下举办了实习,成果优异。现正切磋将其制成25~100kW级SOFC发电编制,供家庭或贸易利用。




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