燃料電池的新進(jìn)展

燃料電池的新進(jìn)展作者: 高培德(中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所　　)
【摘要】由于航天和國(guó)防的需要，才開發(fā)了液氫和液氧的小型燃料電池，應(yīng)用于空間飛行和潛水艇。近二三十年來(lái)，由于一次能源的匱乏和環(huán)境保護(hù)的突出，要求開發(fā)利用新的清潔再生能源。燃料電池由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國(guó)的普遍重視。

　　近20多年來(lái)，燃料電池經(jīng)歷了堿式、磷酸、熔融碳酸鹽和固體電解質(zhì)等幾種類型的發(fā)展階段。美、日等國(guó)已相繼建立了一些碳酸燃料電池電廠、熔融碳酸鹽燃料電池電廠、質(zhì)子交換膜燃料電池電廠作為示范(表2)。

表2　一些國(guó)家的燃料電池電廠

磷酸鹽燃料電池電廠

ONSI公司建設(shè)的200KWPAFC電廠

質(zhì)子交換膜燃料電池電廠

Ballard Generation System建設(shè)的250KW PEM燃料電池廠
Avista實(shí)驗(yàn)室建造的7.5W民用PEM燃料電池電廠,它具有60W熱交換調(diào)制.
Northwest Power System建設(shè)的5KW民用PEM燃料電池電廠
Plug Power建造的7KW民用PEM燃料電池電廠

熔融碳酸鹽烯料電池電廠

M-C Rower Corporation建造的熔融碳酸鹽碳燃電孫電廠
Energy Research Corporation建造的250KW熔融碳酸鹽燃料電池廠
Energy Research Corporation在加州Santa Clara建造的2M熔融碳酸鹽燃料電池示范電廠

固體氧體物燃料電池電廠

Siemens Westinghouse建設(shè)的管狀固體氧化物燃料電池電廠

　　燃料電池電廠所以具有如此大的吸引力，是因?yàn)樗�與傳統(tǒng)的火力發(fā)電、水力發(fā)電或核能發(fā)電相比，具有無(wú)可比擬的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
　　1.能量轉(zhuǎn)換效率高　燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率比熱機(jī)和發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率高得多。目前汽輪機(jī)或柴油機(jī)的效率最大值為40～50%，當(dāng)用熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，其效率僅為35～40%，而燃料電池的有效能效可達(dá)60～70%，其理論能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%。其他物理電池，如溫差電池效率為10%，太陽(yáng)能電池效率為20%，均無(wú)法與燃料電池相比。
　　2.污染小、噪聲低　燃料電池作為大、中型發(fā)電裝置使用時(shí)其突出的優(yōu)點(diǎn)是減少污染排放(表3)。對(duì)于氫燃料電池而言，發(fā)電后的產(chǎn)物只有水，可實(shí)現(xiàn)零污染。另外，由于燃料電池?zé)o熱機(jī)活塞引擎等機(jī)械傳動(dòng)部分，故操作環(huán)境無(wú)噪聲污染。

表3　燃料電池與火力發(fā)電的大氣污染比較
(單位：kg^.10^-6(KWh)^-1)

污染成分

天然氣火力發(fā)電

重油炎力發(fā)電

煤火力發(fā)電

燃料電池

SO2

2.5-230

4550

8200

0-0.12

NOx

1800

3200

3200

63-107

烴類

20-1270

135-5000

30-10⁴

14-102

塵末

0-90

45-320

365-680

0-0.14

　　3.高度可靠性　燃料電池發(fā)電裝置由單個(gè)電池堆疊至所需規(guī)模的電池組構(gòu)成。由于這種電池組是模塊結(jié)構(gòu)，因而維修十分方便。另外，當(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動(dòng)時(shí)，它會(huì)很快響應(yīng)，故無(wú)論處于額定功率以上過(guò)載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受且效率變化不大。這種優(yōu)良性能使燃料電池在用電高峰時(shí)可作為調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能電池使用。
　　4.比能量或比功率高
　　5.適用能力強(qiáng)
　　燃料電池可以使用多種多樣的初級(jí)燃料，如天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油；也可使用發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料，如褐煤、廢木、廢紙，甚至城市垃圾，但需經(jīng)專門裝置對(duì)它們重整制取。雖然燃料電池有上述種種優(yōu)點(diǎn)，然而由于技術(shù)問(wèn)題，至今一切已有的燃料電池均還沒(méi)有達(dá)到大規(guī)模民用商業(yè)化程度。為此，美、日等國(guó)相繼撥出巨資來(lái)發(fā)展燃料電池。
燃料電池開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
　　在燃料電池研究開發(fā)方面，美國(guó)、日本和德國(guó)處于世界領(lǐng)先地位。美國(guó)早在1967年就制定了TARGET和FCG-1燃料電池研究發(fā)展計(jì)劃。近年美國(guó)能源部對(duì)燃料電池研究資助每年均在2 000萬(wàn)美元以上。日本在1981年制定了“月光計(jì)劃”，進(jìn)行燃料電池研究。1989年歐洲燃料電池集團(tuán)成立。
　　在所有燃料電池中，磷酸鹽型燃料電池(PAFC)由于磷酸易得，反應(yīng)溫和，成為發(fā)展最快、研究最成熟的一種燃料電池。1977年美國(guó)通用公司首先建成兆瓦級(jí)PAFC發(fā)電站。1991年日本電力公司在東京灣興建的1MW PAFC發(fā)電站也已投入運(yùn)行。目前美國(guó)已有少量銷售，其商品化階段已經(jīng)開始。
　　熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)正處于10-20KW向兆瓦級(jí)發(fā)展階段。1994年12月美國(guó)已建成迄今最大功率為250KW的MCFC電站。日本1989年已完成25KW的MCFC試驗(yàn)，按其“新陽(yáng)光計(jì)劃”-1MW的MCFC中間試驗(yàn)電廠現(xiàn)正在實(shí)施中。
　　聚合物電介質(zhì)燃料電池(PEMFC)不僅是人造衛(wèi)星上可靠、低成本的動(dòng)力源，還可作為陸地上市區(qū)交通車輛和水下潛艇的動(dòng)力源。1996年美國(guó)能源合作公司推出實(shí)驗(yàn)型的由三塊薄膜組成的以1.5KW PEMFC為動(dòng)力的“綠色轎車”。德國(guó)奔馳公司在前兩年開發(fā)出NECARⅡ存儲(chǔ)式燃料電池驅(qū)動(dòng)電車(燃料電池生產(chǎn)電能為250KW，一次行程為250公里)，并在慕尼黑、斯圖加特市作為試行公共電車之后，在1998年8月又作為世界首創(chuàng)，開發(fā)出NECARⅢ燃料電池驅(qū)動(dòng)電車。它用質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池為動(dòng)力，以甲醇為原料，通過(guò)車輛后部的反應(yīng)器產(chǎn)生氫氣，再以氫和空氣中氧反應(yīng)產(chǎn)生電能來(lái)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)壓下踏腳板后，在不到2秒的時(shí)間內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)的能量將達(dá)到90%，其最大行程為400公里，預(yù)期2004年投放市場(chǎng)。最近，Daimler Chrysler設(shè)計(jì)的燃料電池和電池混合引擎轎車NECAR 4由于具有零污染、寬闊的操作范圍和良好的駕駛特性等最佳的設(shè)計(jì)而獲得北美“1999國(guó)際引擎年獎(jiǎng)”。新近美國(guó)Ballard Power System開發(fā)的第二代燃料電池公共客車已在芝加哥運(yùn)行。美國(guó)至今已開發(fā)的具有代表性的運(yùn)輸用的燃料電池公共客車、轎車已達(dá)30多種。
　　第三代燃料電池SOFC正在積極研制開發(fā)中，1991年6月美國(guó)能源部和威斯汀豪斯公司投資1.4億美元加速固體燃料電池的商業(yè)化。目前美國(guó)西屋公司處于SOFC領(lǐng)先地位，它們所制造的一個(gè)由576個(gè)管式SOFC組成的25KW發(fā)電系統(tǒng)已創(chuàng)13 000多小時(shí)運(yùn)行的世紀(jì)記錄。其下一步計(jì)劃是建立100KW的SOFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)交付荷蘭/丹麥電力公司使用。目前美國(guó)已有5KW的SOFC產(chǎn)品出售。一些公司還打算把SOFC和儲(chǔ)氫合金結(jié)合起來(lái)，用于開發(fā)汽車用燃料電池。
　　近年因環(huán)境保護(hù)要求而新興起的生物電池，用生物原料(包括林場(chǎng)雜木、稻草、麥桿、玉米桿、青草、草垃圾、含能源的植物、動(dòng)物糞便等)生產(chǎn)電能。即將生物原料通過(guò)反應(yīng)器轉(zhuǎn)換成燃燒氣體(主要是H₂、CO、CH₄)，經(jīng)加工處理后作為燃料電池的原料用于建立分散電站，供家庭或城市用電；也可轉(zhuǎn)換成H₂，用于電動(dòng)汽車。據(jù)〈Moder Power System〉報(bào)道，一個(gè)以垃圾場(chǎng)生產(chǎn)的燃料氣體為燃料的燃料電池廠正在美國(guó)康涅狄州格羅頓鎮(zhèn)運(yùn)行，它生產(chǎn)國(guó)際燃料電池公司的200KW磷酸燃料電池。該電池廠裝有燃料潔凈系統(tǒng)，使垃圾場(chǎng)的燃?xì)庠谶M(jìn)入燃料電池堆之前已被去除掉其中的氯化合物、硫化合物和共它污染物。目前德國(guó)巴伐利亞州的Bad Bruckenan正在建造一個(gè)生物能源-氫氣工程。
　　燃料電池中另一亮點(diǎn)是細(xì)菌電池。其基本原理是通過(guò)細(xì)菌發(fā)酵，把酸或糖類轉(zhuǎn)化為氫氣，再將氫導(dǎo)入磷酸燃料電池后發(fā)電。美國(guó)1984年設(shè)計(jì)出一種供遨游太空用的細(xì)菌電池，原料是宇航員的尿液和活細(xì)菌。日本也研制過(guò)用特制糖漿作原料的細(xì)菌電池。
　　燃料電池今后的發(fā)展方向除了電動(dòng)車輛(包括工交車輛、拖拉機(jī)、叉式裝卸機(jī)、高爾夫車和軍事車輛等)和熱電站外，另一方向是使燃料電池小型化。燃料電池替代普通電池在膝上電腦、便攜式電子器件等方面的應(yīng)用列于表4。據(jù)《科學(xué)美國(guó)人》報(bào)道，美國(guó)洛斯阿拉芙斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室羅伯特^.G^.霍克最近研制成功微型燃料電池，其電池尺寸和價(jià)格可與傳統(tǒng)的鎳隔電池相比，重量?jī)H為鎳隔電池的一半，但供電能力為鎳隔電池的50倍。預(yù)期這種微型燃料電池用于移動(dòng)電話，可連續(xù)待機(jī)40天，而僅消耗不到2盎司的甲醇�；艨四壳罢�把微電子技術(shù)引入微型燃料電池制作中，準(zhǔn)備制作25μm厚的微型電池。另外，還有把燃料電池用于電子廣告牌和電動(dòng)自行車的報(bào)道。

表4　燃料電池替代普通小電池在膝上電腦、便攜式電子器件等方面應(yīng)用

便攜式烯料電池

Warsitz制作的便攜式燃料民池電源

替代電池用的燃料電池

Ballard的燃料電池膝上電腦
An H Power燃料電池電源公司提供的美國(guó)新澤西州高速公路廣告牌
An H Power燃料電池電源公司提供的職業(yè)電神攝像機(jī)
Fraunise ISE發(fā)展的峰窩電話用微型燃料電池

教學(xué)用烯料電池

美國(guó)木醇研究所提供的教學(xué)用木醇燃料電池
Ecosoul提供的再生燃料電池教學(xué)用具
H-Tec提供的教學(xué)用太陽(yáng)能-氫燃料電池

　　我國(guó)早在50年代就開展燃料電池方面的研究。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、大連化學(xué)物理所和天津電子部十八所是我國(guó)開展燃料電池研究最早的一批單位。70年代曾興起第一次研究高潮，研究對(duì)象主要為航天用堿性電池。中間停頓了約15年。90年代初又掀起了第二次熱潮。這階段研究的品種較多，長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等單位開展了PEMFC的研究，大連化物所、長(zhǎng)春應(yīng)化所、上海交大等開展了MCFC的研究，上海硅酸鹽所、北京化工冶金所、中科大、清華大學(xué)等開展了SOFC研究，大連化物所還開展了生物電池的研究。但總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)燃料電池研究與國(guó)外水平和實(shí)際應(yīng)用均有相當(dāng)大的距離，必須加快追趕的步伐

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1,4丁二醇是個(gè)好產(chǎn)品，雖然它是三十年代就開始生產(chǎn)的乙炔系化工產(chǎn)品，但由于其下游衍生物多，用途又十分廣泛，因此仍然是重要的有機(jī)化工原料。但六、七十年代由于其主要衍生物如PBT、PU、PTFEG等在全世界還都處于發(fā)展的初期，因而1，4丁二醇那時(shí)發(fā)展....

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涂料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門不可缺少的配套材料，廣泛應(yīng)用于各類建筑物、各種工業(yè)制品（如飛機(jī)、火箭、人造衛(wèi)星、汽車、船舶、機(jī)械電子和輕工家電等）的裝飾保護(hù)以及各類鋼鐵設(shè)施（如碼頭、海洋石油鉆井平臺(tái)、石油化工裝備、輸送管道、輸變電塔和橋梁等）的防腐保護(hù)。隨著國(guó)民經(jīng)....

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