燃料电池技术

燃料电池技术

近几年我国燃料电池的研究开发取得了长足的进展，特别在质子交换膜燃料电池方面，达到或接近了世界水平；在熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池技术等方面也取得一些进展。但在总体上，我国燃料电池仍处于科研阶段，与国外相比，水平较低。发达国家都已将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并取得了许多重要成果，各等级的燃料电池发电厂相继建成，即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车动力。我国应集中研究力量，加大投入，大力推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作。

燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，可以用天然气、石油液化气、煤气等作为燃料。也是煤炭洁净转化技术之一。按电解质种类可分为碱性燃料电池（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）、质子交换膜燃料电池（pEMFC）、再生氢氧燃料电池(RFC)、直接醇类燃料电池（DMFC），还有如新型储能电池、固体聚合物型电池等。

氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，CO等一些气体也可作为MCFC与SOFC的燃料。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。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。

燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、特种、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四代发电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。

1，中国燃料电池技术的进展

“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，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“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]，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。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。

在质子交换膜燃料电池（pEMFC）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，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，相继组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其重量比功率为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200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kW移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦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电池组构成的30kW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46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。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（MCFC）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。

在固体氧化物燃料电池（SOFC）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。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦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。

2，国外燃料电池技术发展迅猛

燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。

欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，pEMFC技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于特种、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年２月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。

目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界６大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。

3，我国开发燃料电池技术相对乏力

我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年代投入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在pEMFC方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型MCFC和SOFC具有特别重要的意义。但是我国在MCFC、SOFC研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开发情况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的Ballard一家公司的资产就达10亿美元。

4，大力发展燃料电池技术势在必行

从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。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、特种及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。

国家计委在1997年提出的中国洁净煤技术到2010年的发展纲要中，已把燃料电池列为煤炭工业洁净煤的14项技术重点发展目标之一[6]。在“十五”科技发展规划中，燃料电池技术被列为重点实施的重大项目[7]。

鉴于世界燃料电池发电技术的发展迅猛、市场广阔的前景和我国长远发展的战略需要，国家科技部、国家计委、国家经贸委应该联合制订我国燃料电池发电技术的发展规划，既要组织有关高等院校、科研院所积极攻关，更要引导国家电力公司、石油集团、石化集团及汽车、机械制造等工业企业热情参与，集中力量，加大人力、物力、财力的投入，急起直追，共同推进燃料电池发电技术的研究开发。在具体做法上，我们应从高起点起步，整机引进国外的燃料电池发电设备，可先引进规模较小的电池堆。在努力消化吸收的基础上，积极创新，这样可以使我们更快地掌握高技术，有利于加快我国燃料电池电站技术的发展。

另外，MCFC和SOFC对我国具有特别重要的意义，对此，我国近期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。