燃料電池技術-倪院士

燃料電池技術倪維斗教授（院士）清華大學熱能工程系2009年7月燃料電池是化學能直接轉化成電能的一種動力設備燃料電池的基本反應步驟：1:反應物向燃料電池內部傳遞2:電化學反應3:離子傳導以及電子傳導4:產物排出燃料電池基本原理燃料電池的燃料處理系統(tǒng)水蒸氣發(fā)生器燃料脫硫器重整器CO轉化器CO去除器重H2：72%整CO2：20%氣CO：100ppm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來脫硫重整器：在高溫下(700℃)與催化劑反應得到以氫為主的重整氣轉化器：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天然氣火力發(fā)電石油火力發(fā)電煤火力發(fā)電磷酸燃料電池二氧化硫2.5～2304550～109008200～145000～0.12氮氧化物18003200320063～107烴

類20～1270125～500030～1000014～102粉

塵0～9045～320365～5800～0.014Source:肖鋼，燃料電池技術，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化為電，另一半轉化為熱。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，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)點轉換效率高，可達60%沒有運轉部件，噪音小沒有尺寸效應，很小的燃料電池仍具有和大尺寸相仿的效率若以氫為燃料，排放是水，可實現(xiàn)“零排放”各種類型燃料電池的比較選項SOFC(固體氧化物)MCFC(熔融碳酸型)AFC(堿液型)PAFC(磷酸型)PEMFC(質子交換膜)優(yōu)點燃料適應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)供固體電解質較高的功率密度燃料適應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，電解質成本非常低廉電解質價廉，使用酸性的電解液能夠直接使用烴類化合物轉換的含有CO2的富氫氣體作為燃料技術成熟可靠性高，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便攜式應用。缺點材料在高溫下運行會產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)熔融碳酸鹽電解質具有腐蝕性退化/壽命問題材料昂貴必須使用純的H2和O2需周期性地更換KOH電解質必須從陽極及時除水電解質容易CO2中毒效率只有40%啟動時間長鉑催化劑昂貴對CO和S中毒敏感電解質是有腐蝕性的液體，運行時必須及時補充電解質采用昂貴的鉑催化劑聚合物膜和輔助組件昂貴經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)電技術基礎,清華大學,2007部分燃料電池產品MTU250kWMCFCinMagdeburg

SiemensWestinghouse250kWSOFC863-燃料電池公共汽車我國第一輛PEMFC校園車Source：清華大學清潔能源研究與教育中心，新發(fā)電技術調查研究，2008

燃料電池本體關鍵技術SOFC燃料電池本體關鍵技術電解質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PEMFC燃料電池本體關鍵技術質子交換膜研究催化劑及其涂覆技術的研究MEA技術的研究水平衡和熱平衡技術研究燃料電池發(fā)電系統(tǒng)關鍵技術以MCFC-燃氣輪機聯(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)的設計和裝配問題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調控系統(tǒng)的開發(fā)部分MCFC燃料電池電廠美國FCE公司2004年前建成的33座MCFC發(fā)電裝置；美國ERC公司2006年在舊金山建成的250kWMCFC電站；美國ERC公司2006年在加州SantaClara建成的2MWMCFC電站；日本三菱重工2002年在德國建造的250kWMCFC電站；日本1987年開發(fā)出的10kWMCFC發(fā)電裝置；日本1993年開發(fā)出的100kW加壓型MCFC發(fā)電裝置；日本1998年建造的1MW先導型MCFC發(fā)電裝置；意大利1996年在米蘭投運的100kWMCFC電站；德國M-CRowerCorporation建造的MCFC電站；部分SOFC燃料電池電廠美國Westinghouse公司1998年前建成11套3~25kWSOFC發(fā)電系統(tǒng)；美國Westinghouse公司1999年建成2套100kW管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；德國SiemensWestinghouse公司2002年建成220kWSOFC-燃氣輪機聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；德國SiemensWestinghouse公司2003年建成250kWSOFC示范電廠；德國SiemensWestinghouse公司2003年建成4座5kWSOFC電廠；日本三菱重工1991年成功示范1kWSOFC電池堆；日本三菱重工1993年成功示范新型1kWSOFC電池堆；日本三菱重工1998年示范10kWSOFC系統(tǒng)；日本三菱重工2001年成功示范10kW加壓管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；日本JGU公司1995年支持示范的25kWSOFC發(fā)電裝置；瑞士SulzerHexis公司2001年起400套1kW生物質SOFC發(fā)電系統(tǒng)；美國ZTEK公司1995年示范運行1kW平板式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；美國ZTEK公司1998年示范運行25kW平板式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；中國上海硅酸鹽研究所示范的5kW平板式中溫SOFC電廠；中國科學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)展的熱潮上世紀90年代直到本世紀初，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，各大汽車公司都宣布將在03到05年實現(xiàn)氫能燃料電池的產業(yè)化我國跟隨著這個熱潮，投入大量的人力和物力，進行研究，把氫能燃料電池奉為“最高理想”、“終極目標”十五863重點項目，投入十幾個億前幾年，不少人提出氫能經濟，把氫能比作是一個新的能源時代燃料電池發(fā)展的困難隨著人們對燃料電池的認識加深，在研制過程中遇到大量的，在相當長時期內無法克服的困難，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“FromWaterToWater”，這是不正確的管道運輸極易泄露、材料氫脆存儲問題高壓存儲（300~600atm）——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)展的瓶頸氫能基礎設施根本不可能組成一個像加油站一樣的網絡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制