燃料电池
一、概况 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。 燃料电池具有以下优点： 1.不受卡诺循环限制，能量转换效率高； 2.洁净、无污染、噪声低； 3.模块结构、积木性强，比功率高。既可以集中供电，也适合分散供电。 4.高温型燃料电池可实现热电连供。 我国的燃料电池研究始于1958年，电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC研究。70年代在航天事业的推动下，中国科学院大连化学物理研究所研制成功千瓦级AFC。“七五”期间，中国科学院长春应用化学研究所1990承担了中科院PEMFC研究任务；1993开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化物所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所及清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC有关的研究。 我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，尚与发达国家有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次香山科学会议对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。 二、燃料来源与资源评估 从理论上讲，任何能发生电化学氧化还原反应的气体均可作为燃料电池的燃料或氧化剂。氢气是燃料电池常用的燃料气。氧是燃料电池中常用的氧化剂，它能很方便地从空气中获取。在地球周围单质氢是极少的，在地壳中的某些特定条件下虽然也有氢气存在，但都难于开采与回收。然而，氢具有高的电化学反应活性，可以从石油、天然气、甲醇、烃类或煤等通用燃料中转化而得。生物质能也是氢的重要来源，如：细菌制氢、发酵制氢及沼气回收等。工业副产氢也是燃料电池获得燃料的有效途径。据统计我国在合成氨工业中氢的年回收量可达标14&:acute:108m3；在氯碱工业中有87&:acute:106m3的氢可供回收利用。此外，在冶金工业、发酵制酒厂及丁淳溶剂厂等生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量，估计可达标15亿立方米以上。 除氢气之外，还有一些气体如CO也可作为MCFC与SOFC的燃料。这样，天然气、管道煤气均是大型燃料电池发电站可资利用的丰富燃料资源。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径，因此，我国丰富的煤炭资源也是燃料电池所需燃料的巨大来源。 未来大规模推广使用燃料电池仍需要解决氢源问题。从石油、天然气和煤等化石燃料中制取氢气，从长远考虑仍存在着资源枯竭问题。众所周知，水是由氢和氧组成，因此大量的氢可从水中提取，特别是海水，真是取之不尽，用之不竭。我们将这一美好理想，寄希望于太阳光能制氢的实现。 三、发展现状 90年代中期以来，国家自然科学基金委员会积极支持燃料电池的基础研究；国家科技部和中国科学院共同投入了较多的资金，加强燃料电池系统的研制与工程开发，从而使我国的燃料电池研究出现了新的势头。 国家“九五”科技攻关项目和中国科学院“九五”应用研究与发展重大项目“燃料电池技术”是由国家科技部和中科院共同组织的重大攻关课题，总的目标是：利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新。在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括三个子项目：“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融炭酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”。其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。中国科学院“九五”特别支持项目的目标是：研制的PEMFC电池模块输出功率与国际同步，电池性能达到或超过国际90年代水平，并在石油、气象、铁路及通讯等部门，获得实际应用。承担上述燃料电池项目的有中国科学院及部门所属的12个研究所，科研人员130余人。 重大攻关课题“燃料电池技术”，在国家科技部和中国科学院的精心组织与大力支持下，取得了重大进展。中科院大连化物所研制并组装出100W至5KW多种规格的PEMFC电池组。用于30kW燃料电池电动汽车的PEMFC发动机正在进行5kW单元的运行试验。“燃料电池电动汽车装车实验研究”由中国科学院电工研究所负责，现已完成整车性能、电气主回路、电控系统及25kW驱动电机设计；建成了功率驱动台架试验系统。由中国科学院电工研究所负责的“PEMFC电源系统研制”课题，主要从事PEMFC电源系统关键技术研究和系统工程开发。建有可进行千瓦级PEMFC电源寿命试验的“燃料电池系统实验室”。现已完成PEMFC移动电源专用微型H2/O2减压阀、多种小型金属储氢器及系列功率变换器等系统部件的开发。目前，正在进行自然对流型（无空气泵式）PEMFC便携式电源的系统集成工作。MCFC、SOFC、DMFC在基础研究和装置研制方面也取得了良好进展。中科院大连化物所组装出工作面积28cm2和110cm2的MCFC电池。中科院上海硅酸盐所全部采用国内原材料和自主研究的技术，建立并运行了一个10单元平板型SOFC电池堆，单电池有效面积9cm2，电池堆最大功率密度92mW/cm2。大连化物所正在进行SOFC电池材料、结构设计和组装技术的研究与开发，研制出的中温电池性能在800C°:时达到0.2W/cm2。中科院化工冶金所1995年从俄罗斯引进了200W块状叠层电池组进行了运行试验。中科院长春应用化学所对直接甲醇燃料电池（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系统研究。80C°:常压下，FcTMPPDMFC电池输出功率密度达0.3w/cm2，该性能处于国际领先水平。该所研制的直接甲醇/空气燃料电池，在常温常压下输出功率密度峰值达到24mW/cm2。 高等院校是我国从事燃料电池基础研究的一支重要力量。天津大学承担多项有关PEMFC的国家自然科学基金项目，进行了广泛的基础研究，并在膜电极制备、水热管理等多方面取得了进展。清华大学核能研究院拥有研制PEMFC的成套设备。目前，输出功率10－30WPEMFC电堆，200W一体化PEMFC电堆，已研制成功。上海交通大学从日本引进的MCFC试验设备，现正在组装供基础研究用的MCFC，同时还与日本合作进行MCFC发电系统建模、仿真研究。此外，石油大学、吉林大学、北京科技大学、北京理工大学、武汉大学，以及电子部天津电源所等也分别在PEMFC、MCFC、SOFC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。北京富原新技术开发总公司现已开发出50W、750W、1500W和5kW系列样机。上海神力科技有限公司与中科院上海有机化学研究所合作，开发出用于PEMFC质子交换膜，经中科院大连化物所测试其电化学性能优于美国杜邦公司的同类产品。99年8月神力公司研制的1kWPEMFC电池开始运行。 我国燃料电池领域经过20余年的积累与发展，已初步形成了一支学科专业较为齐全的研究与开发队伍，研究条件明显改善。在PEMFC方面，总体水平与先进国家的差距正在缩小，单项技术有了自己的知识产权，已具备电池关键材料制备、部件试制，组装千瓦级电池组和进行应用系统开发的能力。在MCFC、SOFC等方面，总体水平与先进国家仍有较大差距。目前，已建立了MCFC、SOFC电池的材料制备、元件试制、电池组装和系统测试等实验室及试验基地十余个，从而为我国高温燃料电池的研究奠定了初步基础。 为进一步推动高效、清洁发电技术的研究与开发，“燃料电池发电技术”已被列入《科技发展“十五”计划和2015年远景规划（能源领域）》。 四、发展预测 目前，我国燃料电池的研究形势很好。特别是PEMFC取得了长足进展。在此基础上，除继续做好对大功率PEMFC的材料、部件和工艺技术的研究外，还应加强PEMFC系统工程关键技术开发和系统集成。PEMFC系统集成的水平是PEMFC电源走向实用化、商品化的关键。此外，天然气重整制氢开发与实用化对在我国推广PEMFC发电系统有着重要的现实意义。PEMFC电动汽车在各类电动汽车发展中有明显的优势，应加强PEMFC发动机系统及其装车技术的研究。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，从我国能源结构的实际出发，高度依赖煤炭消费的格局短期内不会改变。因此，开发以煤为一次能源的高温型MCFC和SOFC，对我国具有特别重要的意义。由于我国在MCFC和SOFC方面起点低，应选好整体技术的突破点，加强多孔、薄膜电极过程动力学理论、新型关键材料的设计、制备及多相复杂界面等方面的基础研究。 燃料电池将是21世纪最有竞争力的全新的高效、清洁发电方式。我国煤炭资源丰富，又是燃煤大国，大力开发燃料电池，对提高一次能源利用效率，发展洁净煤发电技术，具有特别重要的意义。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面，有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场。 文章内容转载自《中国新能源与可再生能源1999白皮书》中国计划出版社出版