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我國(guó)燃料電池技術(shù)進(jìn)展

我國(guó)燃料電池技術(shù)進(jìn)展作者: 毛宗強(qiáng)(清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院)
【摘要】燃料是人類社會(huì)生存的基礎(chǔ),人類經(jīng)歷了植物燃料階段之后,現(xiàn)處于化石燃料階段。 100多年來(lái),化石燃料給地球帶來(lái)巨大的災(zāi)難性污染,使得氣候變化異常,以至地球上自然災(zāi)害頻繁,人類生存條件惡化。太陽(yáng)能是人類取之不盡,用之不竭的清潔能源。科學(xué)家正在積極開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能,并取得可喜的進(jìn)展。

引言
    燃料是人類社會(huì)生存的基礎(chǔ),人類經(jīng)歷了植物燃料階段之后,現(xiàn)處于化石燃料階段。  100多年來(lái),化石燃料給地球帶來(lái)巨大的災(zāi)難性污染,使得氣候變化異常,以至地球上自然災(zāi)害頻繁,人類生存條件惡化。太陽(yáng)能是人類取之不盡,用之不竭的清潔能源?茖W(xué)家正在積極開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能,并取得可喜的進(jìn)展。在科學(xué)發(fā)達(dá)的今天,我們可以將太陽(yáng)能直接變成熱能,也可以將太陽(yáng)能直接變成電能,但是熱和電的大規(guī)模直接儲(chǔ)存并未解決。太陽(yáng)能的利用受到天氣和地球自轉(zhuǎn)位置的制約。為了解決這個(gè)問(wèn)題,科學(xué)家們化費(fèi)大量的精力去研究太陽(yáng)能的儲(chǔ)存,方法之一是利用太陽(yáng)能電解水,將得到的氫氣和氧氣分別儲(chǔ)存起來(lái),然后再在需要的時(shí)候利用它們經(jīng)燃料電池(FC)發(fā)電,副產(chǎn)品是純水。因此這是一個(gè)完全可再生的無(wú)污染的燃料循環(huán)。德國(guó)于利希(Julich)研究中心已經(jīng)開(kāi)始這項(xiàng)試驗(yàn),并取得了很好的示范效果。
    FC以氫氣為燃料、空氣中的氧氣作為氧化劑,通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)得到電能并生成純凈水。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,F(xiàn)C將是氫無(wú)污染地轉(zhuǎn)化成電能的最佳方案,可以真正做到零排放。
    通常,按FC的電解質(zhì)將其分為:堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電他(sOFC)。AFC的工作溫度一般為80°C,
    KOH為電解質(zhì))因?qū)O2很敏感,有被PEMFC取代的趨勢(shì)。PEMFC又稱為固體聚合物燃料電池(SPFC),在50-100°C下工作,其電解質(zhì)是一種固體有機(jī)膜,用鉑做催化劑,但在該溫度下鉑對(duì)CO極其敏感。PEMFC是最有前途的交通工具的動(dòng)力,目前全世界已有PEMFC大公共汽車在示范運(yùn)行。1998年,德國(guó)奔馳、美國(guó)福特和加拿大巴拉德(BALLARD)合資組成DBB公司,計(jì)劃到2005年年產(chǎn)10萬(wàn)臺(tái)汽車用PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)。PAFCI作在200°C左右,磷酸為電解質(zhì),PAFC常用鉑作催化劑,也有CO中毒問(wèn)題,已建成的11MWPAFC電站表明,因排放熱的溫度低,而使其經(jīng)濟(jì)性不佳。從目前技術(shù)水平看,PAFC適合作小住宅區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)電站。MCFC使用熔融的堿性碳酸鹽作為電解質(zhì),鎳做催化劑,工作溫度在650°C左右,材料腐蝕是MCFC的難點(diǎn)。SOFC電解質(zhì)和電極都是陶瓷材料,工作溫度在1000°C左右。目前已制成100kw電堆,sOFC的優(yōu)點(diǎn)是不用催化劑而直接使用天然氣為原料,電池效率較高。因此,它是未來(lái)大規(guī)模清潔發(fā)電站的優(yōu)選對(duì)象,缺點(diǎn)是1000°C高溫下材料較難解決,目前人們也在研究800°C左右的中溫SOFC。
    我國(guó)FC的研究始于1958年,當(dāng)時(shí)人們憑著一股熱情推動(dòng)燃料電池上馬,不過(guò)很快就堰旗息鼓了。70年代初,在航天計(jì)劃的帶動(dòng)下,我國(guó)FC的研究掀起高潮,武漢大學(xué)、中科院大化所、原電子部天津電源研究所等單位研制AFC并取得一定的成果,后因航天計(jì)劃改變,F(xiàn)C研究也就基本中止。90年代,環(huán)境保護(hù)、能源短缺的雙重壓力,以及國(guó)際上FC的突破性進(jìn)展的帶動(dòng),我國(guó)第二次FC研制高潮逐漸形成。
1 我國(guó)燃料電池第一次研究熱潮
    武漢大學(xué)和中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所于60年代中期即開(kāi)始FC的基礎(chǔ)研究,后因文化大革命而中止。1972年,武漢大學(xué)與武漢郵電研究院協(xié)作研制200W氨一空氣FC系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電他本體、燃料源和自控設(shè)備三部分組成。來(lái)自液氨瓶的氨氣經(jīng)裂解成3H2+N2混合氣,冷卻后用作負(fù)極(氫極)的燃料氣;電解質(zhì)為KOH溶液。
   電池工作溫度65-75°C,電池輸出電壓24V,電流9A,消耗液氨5kg/d。電池曾連續(xù)在實(shí)驗(yàn)室中工作6個(gè)月以上。該系統(tǒng)曾用于天津楊村微波中繼站,于1978年停止。
   在70年代,由于我國(guó)航天工業(yè)的要求,天津電源研究所及中科院大連化物所都開(kāi)展AFC研究。1979年,天津電源研究所制成1kW堿性氫氧燃料電池系統(tǒng),試驗(yàn)時(shí)間達(dá)1200小時(shí)。與此同時(shí),中科院大連化物所曾組裝了10kW、20kW以氨氣為燃料的堿性燃料電池和堿性石棉膜燃料電他系統(tǒng)。后者分為A、B兩種型號(hào),A型以純氫、純氧為燃料和氧化劑;B型以姘一空氣為燃料和氧化劑。兩種型號(hào)燃料電池均通過(guò)了例行的航天環(huán)模試驗(yàn)。這些FC的主要技術(shù)性能列于表1。

   由于該電堆的性能還不夠穩(wěn)定,最終沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。 中科院上海硅酸鹽研究所1971年就開(kāi)展SOFC電極材料和電解質(zhì)材料的研究,是我國(guó)最早研制SOFC 的單位。 2 我國(guó)燃料電池的研究現(xiàn)狀 由于FC具有良好的發(fā)展前景,越來(lái)越多的單位投入FC的研究。根據(jù)1998年第23屆全國(guó)化學(xué)與物理 電源學(xué)術(shù)會(huì)議集統(tǒng)計(jì),有20多個(gè)單位的27篇論文直接與FC有關(guān)。我國(guó)目前研究燃料電池領(lǐng)域主要集中在 PEMFC、SOFC和MCFC,其中尤以PEMFC的研究投入最多。 2.1PEMrC 目前,國(guó)內(nèi)研制PEMFC的單位很多,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),計(jì)有中科院大連化物所、長(zhǎng)春應(yīng)化所、上海有機(jī)所、 山西煤化所;清華大學(xué)、北京石油大學(xué)、北京理工大學(xué)、天津大學(xué)、上海交大、復(fù)旦大學(xué)、上海大學(xué)、廈門大學(xué)、 華中理工大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、天津電源研究所、上?臻g電源研究院等。其中,北京富原新技術(shù)開(kāi)發(fā)總 公司(富原公司)與加拿大新動(dòng)力公司合作開(kāi)發(fā)出50W-5kW系列PEMFC;中科院大連化物所研制成lkW 及5kW的PEMFC電堆;清華大學(xué)研制成低壓一體化200W PEMFC系統(tǒng)。其余單位多做一些基礎(chǔ)研究工 作,用單電池測(cè)量一些參數(shù),還未研究電堆。富原公司的PEMFC電堆參數(shù)列于表3;中科院大連化物所kW 級(jí)PEMFC電堆和清華大學(xué)的PEMFC電堆參數(shù)列于表4。

*包括循環(huán)水泵
   國(guó)家科技部已將PEMFC正式列入國(guó)家“九五”(19962000)攻關(guān)計(jì)劃,要求2000年底研制出以25kw
PEMFC為動(dòng)力的電動(dòng)汽車。在聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署(UNDP)支持下,國(guó)家科技部還完成了在我國(guó)使用燃料電
池公共汽車的可行性研究。
2.2 S0FC
   目前,國(guó)內(nèi)研制SOFC的單位較多,有中國(guó)科學(xué)院大連化物所、化冶所、上海硅酸鹽研究所、北京物理
所;清華大學(xué)、吉林大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)等。總體研制水平較低,大都處于SOFC部件研究階段。
   由于SOFC須在1000C高溫下工作,工程材料是個(gè)突出問(wèn)題,目前一些單位,如中國(guó)科技大學(xué)在國(guó)家自
然科學(xué)基金會(huì)和863計(jì)劃的資助下,對(duì)中溫SOFC(600-800°℃)展開(kāi)基礎(chǔ)研究。國(guó)家科技部已將sOFC正式
列入國(guó)家“九五”(1996-2000)攻關(guān)計(jì)劃,要求2000年底研制出1kW平板式SOFC,運(yùn)行時(shí)間1000小時(shí)以
上。
2.3 MCrC
   我國(guó)開(kāi)展MCFC研究較晚,基本上從90年代初才開(kāi)始,研究的單位也不多。目前,國(guó)內(nèi)研制MCFC的
單位有中國(guó)科學(xué)院大連化物所、上海冶金所和北京科技大學(xué)等。研制水平基本處于初始階段,中國(guó)科學(xué)院大連化物所組裝出MCFC單體電池,其性能達(dá)國(guó)際80年代水平。中國(guó)科學(xué)院電工所曾考察過(guò)國(guó)外MCFC示
范電站的系統(tǒng)工程。上海交大燃料電池研究所從日本引進(jìn)一臺(tái)MCFC測(cè)試裝置。國(guó)家科技部已將MCFC 正
式列入國(guó)家“九五”(1996-2000)攻關(guān)計(jì)劃,要求2000年底研制出1-5kW MCFC,運(yùn)行時(shí)間1000小時(shí)以
上。
2.4 FC相關(guān)技術(shù)和材料的研究
   中科院上海有機(jī)所正在進(jìn)行PEMFC用電解質(zhì)膜的研制。一種電解質(zhì)膜是和杜邦公司Nafion相似的全
氟磺酸離子膜,另一種是非氟膜。目前,后一種膜已經(jīng)初步試驗(yàn),顯示出良好的性能。中科院山西煤化所正在進(jìn)行碳布和碳紙等配套材料的研究。中科院電工所正在進(jìn)行燃料電池控制系統(tǒng)的研究。
   儲(chǔ)氫技術(shù)是影響燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵,我國(guó)很早就開(kāi)展儲(chǔ)氫技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā),目前已具有較高的水
平。浙江大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)和北京有色金屬研究總院(有色院)等是我國(guó)貯氫合金、儲(chǔ)氫技術(shù)研究的主要單位。有色院于70年代未開(kāi)展這項(xiàng)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā),現(xiàn)已成功開(kāi)發(fā)出以LaNi5為基的AB5型稀土系合金和以
TiFe、TiMn2為基的AB、AB2型Ti系貯氫合金。1997年11月奔馳公司和巴拉德公司與有色院簽訂了合作
協(xié)議,擬由有色院提供組合貯氫器,由德國(guó)奔馳公司提供電動(dòng)大客車,組裝成用金屬氫化物貯氫的PEMFC
原型車進(jìn)行示范運(yùn)行,這說(shuō)明我國(guó)的貯氫技術(shù)已經(jīng)走向國(guó)際科技舞臺(tái)。
   目前,清華大學(xué)、天津大學(xué)等單位正在研究非金屬材料儲(chǔ)氫技術(shù)。
3 結(jié)束語(yǔ)
   160年前發(fā)明的燃料電池正在加速朝商業(yè)化的方向邁進(jìn)。由于我國(guó)FC研制停頓多年,研究經(jīng)費(fèi)少,因而
和國(guó)外相比,這方面的差距還是很大的。國(guó)外PAFC已基本商業(yè)化,AFC已多次用于字航,而我國(guó)FC仍未實(shí)際應(yīng)用或商業(yè)示范。相信在政府的支持和引導(dǎo)下,經(jīng)過(guò)我國(guó)企業(yè)家、科學(xué)家和工程技術(shù)人員共同努力,可以在不遠(yuǎn)的將來(lái),趕上和超過(guò)世界FC水平。




 

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