- 文献综述(或调研报告):
- 国内外燃料电池的发展历史与现状[1]-[6]
(1)磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)
日本是对PAFC研究开展较早的国家,受1973年世界性石油危机以及美国PAFC开发的影响,自20世纪70年代起日本决定开发各种类型的燃料电池,PAFC被作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构(NENO)进行开发。自1981年起,进行了200kW现场型PAFC发电装置的研究和开发｡1986年又开展了1000kW现场型发电装置的开发,以适用于边远地区或商业应用｡目前,开发出的最大的装置为11MW,到2001年为止已有12台装置运行时间超过了4万小时的设计寿命,有200多台装置运行在世界各地｡富士电机公司是目前日本最大的PAFC电池堆供应商｡在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究｡现在已有50kW,100kW及500kW总计88种设备投入使用｡东芝公司安装在美国某公司的1号机和安装在日本大阪梅田中心的大阪煤气公司2号机,累计运行时间均已突破了4万小时｡从燃料电池的寿命和可靠性来看,累计运行时间4万小时是燃料电池的长远目标。近期将推出的商业化PC25D型设备成本会降至1500美元/kW,体积是PC25C的3/4,质量仅为14吨｡
(2)质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)
著名的加拿大 Ballard 公司在PEMFC技术上全球领先 ,现在已将PEMFC技术扩展到交通和固定电站方面,其子公司Ballard Generation System被认为在开发､生产和市场化方面一直走在世界前列｡其第一座250kW发电厂于1997年8月成功发电,1999年9月送至Indiana Cinergy,经过周密测试､评估后,设计了第二座电厂,提高了性能,降低了成本,安装在柏林,输出功率250kW｡不久Ballard公司的第三座250kW电厂也在2000年9月安装在瑞士进行了现场测试,在2000年10月通过它的伙伴EBARA Ballard将第四座燃料电池电厂安装在日本的NTT公司,向亚洲开拓了市场｡
(3)熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)由于其可以作为大规模发电装置应用,可以应用无“污染”氢燃料而引起了世界范围的重视｡MCFC发展的非常快,到了20世纪80年代,已被作为第二代燃料电池,并成为近期实现兆瓦级商品化燃料电池电站的主要研究目标｡现在MCFC的主要研制者集中在美国､日本和西欧等国家,2002年已经商品化生产｡美国能源部(DEE)2012年已拨给固定式燃料电池电站的研究费用4420万美元,而其中的2/3将用于MCFC的开发,美国的MCFC技术开发一直主要由两大公司承担,ERC(Energy Research Corporation,现为Fuel Cell Energy Inc.)和M.C Power公司,2家公司都到了现场示范阶段｡意大利于1986年开始执行MCFC国家研究计划,1992-1994年研制50-100kW电池堆,意大和Ansodo与IFC签订了有关MCFC技术的协议,已安装1套单电池(面积1m2)自动化生产设备,年生产能力为2-3MW,可扩大到6-9MW｡德国MBB公司于1992年完成了10kW级外部转化技术的研究开发,在ERC协助下,于1992-1994年进行了100kW级与250kW级电池堆的制造与运转试验｡现在MBB公司拥有世界上最大的电池组体｡
(4)固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
被称为第三代燃料电池的SOFC正在积极的研制和开发中,它被认为是正在兴起的新型发电方式主力型之一｡美国是世界上最早研究SOFC的国家,而美国的西屋电气公司所起的作用尤为重要,现已成为在SOFC研究方面最有权威的机构｡世界上最大的SOFC燃料电池为250kW,2001年8月份已在德国进入第二考核期｡早在1962年,西屋电气公司就以甲烷为燃料,在SOFC试验装置上获得了电流,并指出该类燃料在SOFC内必须完成燃料的催化转化与电化学反应两个基础过程,这是SOFC发展的基础｡从1995年起,西屋电气公司采用空气电极作支撑管,简化了SOFC的结构,使电池的功率密度提高了近3倍｡该公司为荷兰Utilies公司建造100kW级SOFC系统,能量总利用率达到75%。在日本,SOFC研究是“月光计划”的一部分｡早在1972年,电子综合技术研究所就开始研究SOFC技术｡从1989年起,东京煤气公司还着手开发大面积平板式SOFC装置,1992年6月完成了100W平板式SOFC装置,该电池的有效面积达400cm2｡现在Fuji与Sanyo公司开发的平板式SOFC功率已达到kW级｡另外,中部电力公司与三菱重工合作,从1990年起对叠层波纹板式SOFC系统进行研究和综合评价,研制出400W试验装置,该装置的单电池有效面积达到131cm2。
- 我国的燃料电池研究现状[7]
我国燃料电池研究始于1958年,原电子工业部天津电源研究所最早开展MCFC的研究｡20世纪70年代在航天事业的推动下,中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮｡其间中国科学院大连化学物理研究所研制的两种碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统(kW级AFC)均通过了例行的航天环境模拟试验｡1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务,1993年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,大连化学物理研究所､上海硅酸盐研究所､北京化工冶金研究所､清华大学等十几个单位进行了与SOFC有关的研究｡到20世纪90年代中期,在国家科技部与中科院将燃料电池技术列入“九五”科技攻关计划的推动下,中国进入了燃料电池研究的第二个高潮｡以大连化学物理研究所为牵头单位,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,并组装了0.1kW,12kW,5kW和25kW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10W/kg,体积比功率为300W/L｡
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很大进展,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,与发达国家尚有较大差距｡我国有关部门和专家对燃料电池的研究十分重视,1996年和1998年两次在香山会议上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｡近几年我国加大了在PEMFC方面的研究力度｡
