燃料電池技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

燃料電池技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

許多發(fā)達(dá)國家將大型電池開發(fā)作為重點(diǎn)研究項目，相關(guān)部門也以巨大的投資促進(jìn)電池技術(shù)的研究和開發(fā)。目前，他們在電池技術(shù)的研究和開發(fā)方面取得了許多重要成果。將電池技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的發(fā)電和車輛。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題,并可大大降低空氣污染。2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn),各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成。燃料電池的高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的特點(diǎn)將引發(fā)21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今,在北美、日本和歐洲,燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段,將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第4代發(fā)電方式。一、燃料主要類型燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池的主要類型見表1。二、燃料開發(fā)與應(yīng)用1.最終采用預(yù)充材料的fc/aip系統(tǒng)燃料電池技術(shù)在車用、家用、船舶、潛艇、前沿科學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)支配地位。燃料電池除了無噪音、給潛艇提供了隱蔽性極好的動力以外,它能為潛艇提供很寶貴的東西———淡水。PEMFC燃料電池系統(tǒng)具有安裝靈活、低噪聲,低工作溫度和無通氣管等優(yōu)點(diǎn),是潛艇AIP動力源的良好選擇。PEMFC動力潛艇的市場約為50～100億美元。德國在燃料電池AIP技術(shù)研究方面居于世界領(lǐng)先地位。1995年,西門子公司完成了212級潛艇用的全尺寸聚合物電解質(zhì)(PEM)燃料電池的研制工作。德國海軍在2000年開工的212潛艇上采用PEM燃料電池AIP系統(tǒng)。212級首艇于2001年開始海試,2003年服役。目前,在德國、俄羅斯等國家,燃料電池已成功應(yīng)用于潛艇AlP系統(tǒng),其中德國潛艇燃料電池的研制在世界上一直處于領(lǐng)先地位,其212A型和214型潛艇代表著FC/AIP系統(tǒng)的最高水平。212A型潛艇裝備的質(zhì)子交換膜燃料電池模塊由德國西門子公司提供。在212A型潛艇的基礎(chǔ)上,德國還開發(fā)了214型(出口型)FC/AIP潛艇,該型潛艇裝備了2組120kW質(zhì)子交換膜燃料電池單元,可輸出240kW的電力。由于提高了AIP系統(tǒng)的綜合性能,214型AIP潛艇水下連續(xù)航行時間(2～6節(jié)航速)已達(dá)到3個星期。俄羅斯在潛艇FC/AIP系統(tǒng)的研究其應(yīng)用方面進(jìn)行了長期試驗,積累了豐富的經(jīng)驗。1988年,前蘇聯(lián)海軍在“卡特蘭”號潛艇上進(jìn)行了FC/AIP系統(tǒng)試驗。現(xiàn)役俄羅斯常規(guī)潛艇的燃料電池主要由圣彼得堡特種鍋爐設(shè)計制造局研制。西班牙海軍正在為其2500噸的S-80型潛艇研制燃料電池AlP系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用質(zhì)子交換膜燃料電池,利用乙醇重整抽取和氫氣和純氧氣為燃料。意大利泛安科納造船公司和俄羅斯紅寶石船舶設(shè)計局聯(lián)合為意大利海軍S1000型潛艇研制燃料電池,該艇采用FC/AIP系統(tǒng)為動力潛航時的航距為1000海里。以色列海軍在由德國新造的2艘改進(jìn)型“海豚”級潛艇采用類似于212A級(或214級)潛艇的FC/AIP系統(tǒng)。由于裝備了FC/AIP系統(tǒng),其下潛深度較早期建造的3艘“海豚”級潛艇稍有提高,續(xù)航力在45天以上。20世紀(jì)80年代后,日本重新開始了潛艇用FC/AIP系統(tǒng)的研究。日本海洋技術(shù)中心2003年8月曾宣布其己成功研制出世界上首臺用于深海研究的燃料電池潛艇Urashina號。Urashina艇長10m,魚雷型設(shè)計,下潛深度3500m,能在水下航行300km。較以往采用鋰電池為動力的深海探測潛艇航程大為增加。加拿大早在1994年就已開發(fā)出了40kW的燃料電池模塊,并于2000年前后與美國通用公司合作開發(fā)出了300kW潛艇用燃料電池模塊。目前加拿大海軍計劃對其從英國引進(jìn)的維多利亞級潛艇裝備由Ballard公司開發(fā)的PEMFC/AIP系統(tǒng),以增加持續(xù)潛航能力。英國一公司準(zhǔn)備對“支持者”號潛艇加裝300kW、貯能100MW·h的利用甲酵(重整制氫)、空氣(或氫氧混和氣)PEM-FC系統(tǒng)。澳大利亞也對3000噸潛艇提出了加裝燃料電池的方案。該燃料電池由20個燃料電池單元構(gòu)成,總功率為600kW?，F(xiàn)階段開發(fā)的燃料電池AIP潛艇主要有德國的212級潛艇和214級潛艇,俄羅斯的“拉達(dá)”級潛艇。在小型深潛器、遙控深潛器、海底攝像等領(lǐng)域,功率需求在幾十至幾百kW,工作周期在幾個至幾十個小時范圍內(nèi),是燃料電池能源供需吻合良好、大有可為的領(lǐng)域,值得重點(diǎn)研究開發(fā)。2.燃料應(yīng)用于船舶隨著燃料電池技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是20世紀(jì)90年代PEMFC的突破性進(jìn)展,燃料電池艦船進(jìn)入了新的快速發(fā)展階段。(1)科學(xué)考察船燃料電池動力裝置,無污染,低噪聲,使科學(xué)考察船能方便地使用先進(jìn)科考儀器開展科研活動。日本研制的世界第一艘采用氫氧燃料電池動力的深海科學(xué)考察巡航器己經(jīng)試航。(2)上海海事大學(xué)燃料電池動力裝置,更適合用于嚴(yán)格控制污染物排放的江河湖泊等自然風(fēng)景區(qū)航行的旅游船。國內(nèi)第一艘燃料電池船,由上海海事大學(xué)研制成功,長4.7m,寬1.7m,吃水0.25m,可坐2至4人,可以用于旅游、科學(xué)考察、運(yùn)輸?shù)?。其動力裝置以空氣中的氧和儲存在鋼瓶中的氫氣為燃料,產(chǎn)生電流直接驅(qū)動船舶,電池功率2000W,推進(jìn)器功率1470W,氫氣儲量14m3,可以14km的時速連續(xù)航行5小時,航程達(dá)70km。(3)u3000ce、雙向dc/dc變換器、u/dc變換器和電路艦船的燃料電池動力裝置,由燃料電池發(fā)動機(jī)(FCE)、單向DC/DC變換器、超級電容(UC)、雙向DC/DC變換器(Bi—DC/DC)、動力蓄電池(B)、逆變器和交流電機(jī)構(gòu)成。(4)德國小型艦隊使用燃料大型艦船如潛艇都是燃料電池和柴-電動力系統(tǒng)構(gòu)成的混合動力裝置。世界上第一艘燃料電池和柴-電動力系統(tǒng)構(gòu)成的混合動力裝置的潛艇2003年4月在德國基爾港下水,2004年春服役。艦船對于安全性有更高的要求,對燃料電池的態(tài)度因此顯得有些“矜持”,目前仍然以軍事領(lǐng)域為主,在商船領(lǐng)域還停留在嘗試階段。瑞士、德國、美國以及中國等為數(shù)不多的幾個國家開始應(yīng)用于小型船只,特別是游艇。隨著燃料電池本身技術(shù)的發(fā)展和成熟,以及制氫、氫的運(yùn)輸及儲存等配套技術(shù)的發(fā)展,燃料電池在艦船的應(yīng)用,將會迎來一個光明的時期。3.pem的燃料目前大多數(shù)燃料電池汽車開發(fā)商的注意力比較集中在甲醇上。奔馳、豐田和馬自達(dá)均選用甲醇作為其輕型車燃料。最適合用作汽車動力的燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。它的結(jié)構(gòu)緊湊,工作溫度低(只有80℃),啟動迅速,功率密度高,工作壽命長。戴姆勒克萊斯勒汽車公司2000年11月曾公布了以commander吉普車為基礎(chǔ)的第二輛燃料電池概念車,采用甲醇在車上重整處理生成氫氣。目前,戴姆勒克萊斯勒已經(jīng)開發(fā)出10輛以液氫、壓縮氫和甲醇為燃料的燃料電池驅(qū)動的概念車或試驗車。通用汽車公司2000年8月公布了體積更小、功率更大的HydroGenl燃料電池樣車,比原先的GM燃料電池車小2/3,同樣提供80kw動力,熱效率達(dá)到53～67%。公司計劃開發(fā)在轎車上使用的甲醇燃料電池,燃料電池的輸出功率45～69kW,起動時間30s,耐久性為5000h或l6萬km?？巳R斯勒汽車公司開發(fā)了在轎車上使用的燃料電池,采用汽油經(jīng)過重整處理產(chǎn)生的氫氣作為燃料電池的燃料.燃料電池的輸出功率50kW,起動時間30s,過渡響應(yīng)時間7s,耐久性5000h或160萬km。福特與Ballard和戴姆勒奔馳公司3家聯(lián)合開發(fā)了燃料電池和電動驅(qū)動系統(tǒng)。新公布的NKFC5家用轎車,就是以甲醇為燃料的Ballard燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)。Ballard動力系統(tǒng)公司是車用PEM燃料電池的主要供應(yīng)商,2000年其最新的燃料電池組是Mark900,采用成本較低的材料,便于批量生產(chǎn)。德國梅賽德斯———奔馳公司依靠戴姆勒一奔馳集團(tuán)的研究能力,綜合各方面力量研制出的NecarⅠ試驗樣車。在NecarI樣車上使用二個微型燃料電池組。法國標(biāo)致/雪鐵龍公司的HYDRO—GEN項目,開發(fā)第二代PEM燃料電池轎車,裝用DeNora的電池組和壓縮氫氣。該公司還參加歐洲的PEM燃料電池項目,致力降低系統(tǒng)重量和成本。雷諾公司的旅行車FEVER是采用儲存液氫的PEM燃料電池車,該公司過去試驗和制造過安裝其他公司的燃料電池車,1999年起自行制造燃料電池。日本豐田汽車公司在RAV4車型上改裝了分別用甲醇和氫為燃料的燃料電池SUV車,均使用其自行制造的PEM動力系統(tǒng),并在2003年投放市場。韓國大宇宣布將在其國家實驗室進(jìn)行燃料電池的開發(fā)研究?，F(xiàn)代汽車公司與起亞汽車公司合作開發(fā)了甲醇燃料電池概念車,這輛10kw的燃料電池概念車開發(fā)歷時兩年,耗資800余萬美元?，F(xiàn)代公司與IFC簽訂合同,將兩輛santaFeSUV車改裝成燃料電池車,并另外制造兩輛新車。現(xiàn)代公司的燃料電池開發(fā)項目已納入韓國政府計劃項目。英國在1968年甲醇燃料電池采用聯(lián)氨為燃料,其聯(lián)氨-空氣燃料電池組的功率達(dá)到15kW,所裝電動汽車的最高車速達(dá)到85km/h。英國能源部正進(jìn)行固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池等燃料電池的開發(fā),并進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。目前美國、日本、歐洲的汽車制造廠商都在加緊開發(fā)燃料電池,預(yù)計3～4年后燃料電池將達(dá)到批量生產(chǎn)階段,并投放市場。總體上看世界各大廠商結(jié)成兩大集團(tuán):以豐田、通用公司為一個集團(tuán);以戴姆勒一克萊斯勒、福特及三菱公司為另一個集團(tuán)。這兩大集團(tuán)展開了研究開發(fā)燃料電池車技術(shù)的競爭,汽車制造商們正努力使燃料電池盡早從實驗室走向市場。在燃料電池汽車技術(shù)的開發(fā)競爭中,各國政府紛紛制定相應(yīng)的政策。美國能源部制定了氫能計劃,提出了在2010年讓燃料電池汽車的市場占有率達(dá)25%。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省提出的發(fā)展目標(biāo)是,在2010年前要把汽車用燃料電池的價格降到普通汽車發(fā)動機(jī)的水平,并且要首先從政府機(jī)關(guān)開始普及燃料電池汽車。冰島政府計劃在2030～2040年間在交通工具上推廣使用燃料電池。我國在燃料電池汽車方面的研究開展較早,上世紀(jì)90年代初,許多科研院所就已經(jīng)開始研究和示范PEMFC及其在車上的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計,到目前為止,我國已經(jīng)自行設(shè)計、制造、實驗了7輛不同型號的燃料電池樣車。目前,我國已經(jīng)開始“氫能的規(guī)模制備、儲運(yùn)及相關(guān)燃料電池的基礎(chǔ)研究”(即氫能973項目),“十五”氫能項目和“863”燃料電池汽車重大專項”。4.燃?xì)馊剂蟨lug-rog日本是世界上對能源進(jìn)口依賴程度最高的國家之一,國內(nèi)能源90%依賴進(jìn)口。為此,日本高度重視發(fā)展替代能源,其中燃料電池被列為重中之重。日本能源技術(shù)革新主要圍繞人們的日常生活進(jìn)行,最引人注目的成果是家用燃料電池。目前,日本有30多家企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)在開發(fā)燃料電池。目前,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)日益受到關(guān)注,特別是它有望成為電車和住宅用的發(fā)電供熱裝置的燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)。燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高,對環(huán)境污染小,用作家用電池具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。日本三洋電機(jī)公司最近推出了以城市煤氣(天然氣)為燃料的家用小型發(fā)電裝置。這種家用型燃料電池成本低、體積小,且經(jīng)久耐用。它不僅能發(fā)電,而且能提供熱水。對于一戶普通家庭,僅供電和向浴室供應(yīng)熱水這兩項用途,每年就可節(jié)省燃料費(fèi)3.8萬日元左右。PlugPower開發(fā)出了一種7kW家用熱電聯(lián)產(chǎn)裝置,該裝置可以直接為用戶提供家用電器、照明、采暖和空調(diào)等所需的電能,同時還可將燃料電池放出的余熱回收用來加熱水或采暖。據(jù)估計這種家用燃料電池將能節(jié)約20%的住宅燃料費(fèi)用。家用燃料電池可用純氫作燃料,也可使用天然氣、丙烷、甲烷等。PlugPower7000型家用燃料電池,大小如洗碗機(jī),可滿足面積為280～370m2住宅用電的需要。所采用的質(zhì)子交換膜燃料電池的效率可高達(dá)80%。目前國外從事家用燃料電池研究和開發(fā)的主要有美國、加拿大、日本、德國等國的公司。美國的HPower、西北電力系統(tǒng)、PlugPower等公司均有家用燃料電池產(chǎn)品出售。2004年1月,在歐盟的贊助下,德國威廉(Vaillant)公司,成功地在德國荷蘭等幾個歐洲國家裝了31套燃料電池加熱裝置,這些小型加熱裝置可以為家庭、商場以及醫(yī)院提供電力和熱水。5.燃料dmfc隨著市場上不斷出現(xiàn)的各種新型電子產(chǎn)品,這些產(chǎn)品的不斷微型化,提高了對微電池技術(shù)的需求,美國凱斯一西里瑟夫大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種體積只有5mm3(如同鉛筆擦皮大小)的微型燃料電池原型。近幾年,便攜式燃料電池在日本市場上呼聲很高。迄今已有20多種產(chǎn)品問世。日立公司已推出手機(jī)用燃料電池。產(chǎn)品的輸出值均在數(shù)瓦～數(shù)十瓦之間。索尼和NEC等均以筆記本電腦和手機(jī)等移動終端為使用目標(biāo)。日本最大的手機(jī)制造商N(yùn)EC公司已研制成功使用甲醇和納米技術(shù)的燃料電池,其電能儲量將是普通鋰電池的10倍,這意味著使用現(xiàn)有型號手機(jī)的用戶在1個月內(nèi)無需對手機(jī)進(jìn)行充電,或者可持續(xù)24小時使用筆記本電腦。英國一家能源制造商研制出了一種“可攜式燃料電池”,這令商業(yè)電子產(chǎn)品更具市場前景。目前這種新型的“可攜式燃料電池”不僅體積大大縮小,實際費(fèi)用節(jié)省33%以上,而且可以給筆記本提供工作12小時所需的電量。另外,制造商稱該燃料電池更環(huán)保,對環(huán)境的污染已降低到最小。直接甲醇燃料電池(DMFC)與二次電池比較起來,理論比能量高,用于小型便攜式產(chǎn)品可以明顯地提高待機(jī)時間,近年來受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前,日本、韓國、德國等研制成功了用于筆記本電腦、手機(jī)等用DMFC的演示樣機(jī);此外,DMFC在軍事領(lǐng)域應(yīng)用也比較廣泛,如單兵作戰(zhàn)電源等。我國DMFC研究近年來取得了很大進(jìn)展,電池的性能指標(biāo)已經(jīng)進(jìn)入國際先進(jìn)行列,開發(fā)了筆記本電腦電源、便攜式電源等樣機(jī)。摩托羅拉及美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室聯(lián)合開發(fā)了一種微型甲醇燃料電池,預(yù)計這種電池終有一天將取代目前使用的傳統(tǒng)電池,被各種各樣的電子產(chǎn)品用作電源,包括手機(jī)、筆記本電腦、手持式照相機(jī)、電子游戲機(jī)等。日本電話服務(wù)商N(yùn)TTDoCoMo將開發(fā)一種小型燃料電池,為3G行動電話增加電力。此外,燃料電池在一些傳感器、醫(yī)療用具、智能化機(jī)器人方面也有一些應(yīng)用。近年來,中國在燃料電池關(guān)鍵