燃料電池技術(shù)-倪院士

1、倪維斗教授（院士）倪維斗教授（院士）清華大學(xué)熱能工程系清華大學(xué)熱能工程系2009年年7月月燃料電池是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種動力設(shè)備燃料電池的基本反應(yīng)步驟：1:反應(yīng)物向燃料電池內(nèi)部傳遞2:電化學(xué)反應(yīng)3:離子傳導(dǎo)以及電子傳導(dǎo)4:產(chǎn)物排出燃料電池基本原理燃料電池的燃料處理系統(tǒng)水蒸氣水蒸氣發(fā)生器發(fā)生器燃料燃料脫脫 硫硫 器器重重 整整 器器CO轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化器器CO去除器去除器重重 H2：72%整整 CO2：20%氣氣 CO：100ppm氧氣氧氣燃料處理系統(tǒng)有很多種，以天然氣重整為例介紹脫硫器：采用活性碳、沸石等吸附劑或者用氫氣與硫反應(yīng)來脫硫重整器：在高溫下(700 )與催化劑反應(yīng)得到以氫為主的重整氣轉(zhuǎn)

2、化器：CO+H2O H2+CO2（300 400 ）去除器：CO+O2 CO2（150 200 ）燃料處理系統(tǒng)燃料電池特性良好的環(huán)境相容性不同發(fā)電廠排氣的比較（kg/106 kWh）不同發(fā)電裝置的噪聲比較排氣中污染物排氣中污染物天然氣火力發(fā)電天然氣火力發(fā)電石油火力發(fā)電石油火力發(fā)電煤火力發(fā)電煤火力發(fā)電磷酸燃料電池磷酸燃料電池二氧化硫二氧化硫2.52.52304 5504 55010 9008 2008 20014 5000 00.12氮氧化物氮氧化物1 8001 8003 2003 2003 2003 2006363107烴烴 類類20201 2701251255 000303010 00014

3、14102粉粉 塵塵0 09045453203653655800 00.014Source: 肖鋼，燃料電池技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2009燃料電池特性靈活可靠的輸出性能燃料電池工作時將燃料儲存的能量一半轉(zhuǎn)化為電，另一半轉(zhuǎn)化為熱。 各種發(fā)電方式在不同規(guī)模時的效率Source: 肖鋼，燃料電池技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2009燃料電池的優(yōu)點燃料電池獨特的優(yōu)點n轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)60%n沒有運轉(zhuǎn)部件，噪音小n沒有尺寸效應(yīng)，很小的燃料電池仍具有和大尺寸相仿的效率n若以氫為燃料，排放是水，可實現(xiàn)“零排放”各種類型燃料電池的比較選項選項SOFC(固體氧化物固體氧化物)MCFC(熔融碳酸型熔融碳酸型)AFC(堿液

4、型堿液型)PAFC(磷酸型磷酸型)PEMFC(質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜)優(yōu)點燃料適應(yīng)性廣采用非貴金屬作為催化劑高品位余熱可用于熱電聯(lián)供固體電解質(zhì)較高的功率密度燃料適應(yīng)性廣使用非貴金屬催化劑高品位余熱可用于熱電聯(lián)供陰極性能得到改善可以不使用貴金屬作為催化劑材料成本低，電解質(zhì)成本非常低廉電解質(zhì)價廉，使用酸性的電解液能夠直接使用烴類化合物轉(zhuǎn)換的含有CO2的富氫氣體作為燃料技術(shù)成熟可靠性高，長期運行性能好所有燃料電池中功率密度最高較好的起停能力低操作溫度使其更適應(yīng)便攜式應(yīng)用。缺點材料在高溫下運行會產(chǎn)生一系列問題密封問題電池部件制造成本高CO2必須再循環(huán)熔融碳酸鹽電解質(zhì)具有腐蝕性退化/壽命問題材料昂貴必須使

5、用純的H2和O2需周期性地更換KOH電解質(zhì)必須從陽極及時除水 電解質(zhì)容易CO2中毒效率只有40%啟動時間長鉑催化劑昂貴對CO和S中毒敏感電解質(zhì)是有腐蝕性的液體，運行時必須及時補(bǔ)充電解質(zhì)采用昂貴的鉑催化劑聚合物膜和輔助組件昂貴經(jīng)常需要水管理非常差的CO和S容許度Source: 蔡寧生, 燃料電池發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ),清華大學(xué), 2007部分燃料電池產(chǎn)品MTU 250kW MCFC in MagdeburgMTU 250kW MCFC in Magdeburg Siemens Westinghouse 250kW SOFCSiemens Westinghouse 250kW SOFC863-863-燃料電

6、池公共汽車燃料電池公共汽車我國第一輛我國第一輛PEMFCPEMFC校園車校園車Source：清華大學(xué)清潔能源研究與教育中心，新發(fā)電技術(shù)調(diào)查研究，2008 燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)nSOFC燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)電解質(zhì)研究陰極材料研究陽極材料研究連接體材料研究密封材料研究nPEMFC燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)質(zhì)子交換膜研究催化劑及其涂覆技術(shù)的研究MEA技術(shù)的研究水平衡和熱平衡技術(shù)研究燃料電池發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)n以MCFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)為例燃料的處理問題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的相容性問題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)性能的研究大功率發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和裝配問題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控系統(tǒng)的開發(fā)部分MCFC燃料電池電廠n美國FCE公司20

7、04年前建成的33座MCFC發(fā)電裝置；n美國ERC公司2006年在舊金山建成的250kW MCFC電站；n美國ERC公司2006年在加州Santa Clara建成的2MW MCFC電站；n日本三菱重工2002年在德國建造的250kW MCFC電站；n日本1987年開發(fā)出的10kW MCFC發(fā)電裝置；n日本1993年開發(fā)出的100kW加壓型MCFC發(fā)電裝置；n日本1998年建造的1MW先導(dǎo)型MCFC發(fā)電裝置；n意大利1996年在米蘭投運的100kW MCFC電站；n德國M-C Rower Corporation建造的MCFC電站；部分SOFC燃料電池電廠n美國Westinghouse公司1998

8、年前建成11套325kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)；n美國Westinghouse公司1999年建成2套100kW管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；n德國Siemens Westinghouse公司2002年建成220kW SOFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；n德國Siemens Westinghouse公司2003年建成250kW SOFC示范電廠；n德國Siemens Westinghouse公司2003年建成4座5kW SOFC電廠；n日本三菱重工1991年成功示范1kW SOFC電池堆；n日本三菱重工1993年成功示范新型1kW SOFC電池堆；n日本三菱重工1998年示范10kW SOFC系統(tǒng)；n日本三菱重

9、工2001年成功示范10kW 加壓管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；n日本JGU公司1995年支持示范的25kW SOFC發(fā)電裝置；n瑞士Sulzer Hexis公司2001年起400套1kW 生物質(zhì)SOFC發(fā)電系統(tǒng)；n美國ZTEK公司1995年示范運行1kW平板式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；n美國ZTEK公司1998年示范運行25kW平板式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；n中國上海硅酸鹽研究所示范的5kW平板式中溫SOFC電廠；n中國科學(xué)院過程工程所示范的列管式不密封無聯(lián)接極SOFC發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池發(fā)展的熱潮n上世紀(jì)90年代直到本世紀(jì)初，燃料電池得到政府、企業(yè)和科研所的大力支持，形成一股熱潮。在97到98年間，各大汽車公司都

10、宣布將在03到05年實現(xiàn)氫能燃料電池的產(chǎn)業(yè)化n我國跟隨著這個熱潮，投入大量的人力和物力，進(jìn)行研究，把氫能燃料電池奉為“最高理想”、“終極目標(biāo)”十五863重點項目，投入十幾個億n前幾年，不少人提出氫能經(jīng)濟(jì)，把氫能比作是一個新的能源時代燃料電池發(fā)展的困難n隨著人們對燃料電池的認(rèn)識加深，在研制過程中遇到大量的，在相當(dāng)長時期內(nèi)無法克服的困難，尤其是氫的制備，氫的運輸，氫的車載，人們慢慢理性化起來，對它的“溫度”也逐漸下降n不久以前，作為燃料電池最熱烈的鼓吹者美國，在奧巴馬上臺以后，能源部長朱棣文宣布停止資助氫能燃料電池項目限制燃料電池發(fā)展的瓶頸n氫氣制備氫不是一次能源，而只是一個載能體，必須用其他方法制備氫，如電解、天然氣制氫、煤制氫等。在氫能制備中消耗許多其他的能源，排放大量二氧化碳，從全生命周期來看，根本不是零排放能源有些人把氫燃料電池說成是“From Water To Water”，這是不正確的n管道運輸極易泄露、材料氫脆n存儲問題高壓存儲（300600atm）壓縮能耗高，不安全液化存儲（-253 ）制冷能耗大限制燃料電池發(fā)展的瓶頸n氫能基礎(chǔ)設(shè)施根本不可能組成一個像加油站一樣的網(wǎng)絡(luò)n燃料電池本身用鉑作催化劑鉑在全世界資源有限價格一輛燃料電池大巴的價格為150到200萬美元燃料電池的壽命膜的