燃料电池的国际发展状况

发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，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。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通信的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。

7.8.1 质子交换膜燃料电池(PEMFC)

著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技术上全球领先，现在它的应用领域从交通工具到固定电站，其子公司Ballard Generation System被认为在开发、生产和市场化零排放质子交换膜燃料电池上处于世界领先地位。Ballard Generation System最初产品是250k W燃料电池电站，其基本构件是Ballard燃料电池，利用氢气(由甲醇、天然气或石油得到)、氧气(由空气得到)不燃烧地发电。Ballard公司正和世界许多著名公司合作以使Ballard Fuel Cell商业化。Ballard Fuel Cell已经用于固定发电厂，由Ballard Generation System，GPUInternational Inc.，Alstom SA和EBARA公司共同组建了Ballard Generation System，共同开发千瓦级以下的燃料电池发电厂。经过5年的开发，第一座250k W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，并提高了设计的性能、降低了成本，这导致了第二座电厂的诞生，它安装在柏林，250k W输出功率，也是在欧洲的第一次测试。很快Ballard公司的第三座250k W电厂也在2000年9月安装在瑞士进行现场测试，紧接着在2000年10月通过它的伙伴EBARABallard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。在不同地区进行的测试将大大促进燃料电池电站的商业化。

在美国，Plug Power公司是最大的质子交换膜燃料电池开发公司，其目标是开发、制造适合于居民和汽车用经济型燃料电池系统。1997年，Plug Power模块第一个成功地将汽油转变为电力。最近，Plug Power公司开发出它的专利产品Plug Power7000居民家用分散型电源系统，商业产品在2001年初推出。家用燃料电池的推出将使核电站、燃气发电站面临挑战，为了推广这种产品，1999年2月Plug Power公司和GEMicro Gen成立了合资公司，产品改称GEHome Gen7000，由GEMicro Gen公司负责全球推广。此产品将提供7k W的持续电力，其2001年初售价为$1500/k W，5年后大量生产的燃料电池售价降至$500/k W。假设有20万户家庭各安装一个7k W的家用燃料电池发电装置，其总和将接近一个核电机组的容量，这种分散型发电系统可用于高峰用电的供给，又因分散式系统设计增加了电力的稳定性，即使少数出现了故障，但整个发电系统依然能正常运转。在Ballard公司的带动下，许多汽车制造商参加了燃料电池车辆的研制，例如Chrysler(克莱斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda(本田)、Nissan(尼桑)、Volkswagen AG(大众)和Volvo(沃尔沃)等，它们许多正在使用的燃料电池都是由Ballard公司生产的，同时它们也将大量的资金投入到燃料电池的研制当中，克莱斯勒公司给Ballard公司注入4亿5千万加元用于开发燃料电池汽车，大大促进了PEMFC的发展。1997年，Toyota公司就制成了一辆RAV4型带有甲醇重整器的跑车，它由一个25k W的燃料电池和辅助干电池一起提供了全部50k W的能量，最高时速可以达到125km/h，行程可达500km。目前这些大的汽车公司均有燃料电池开发计划，虽然现在燃料电池汽车商业化的时机还未成熟，但几家公司已确定了开始批量生产的时间表，Daim-ler-Benz公司宣布，2004年年产40000辆燃料电池汽车。因而未来十年，极有可能达到100 000辆燃料电池汽车。

PEMFC是一种新型、有远大前途的燃料电池，经过从20世纪80年代初到现在的30多年的发展，质子交换膜燃料电池发生了翻天覆地的变化。这种变化从其膜电极的演变过程可见一斑。膜电极是PEMFC的电化学心脏，正是因为它的变化，才使得PEMFC呈现了今天的蓬勃生机。早期的膜电极是直接将铂黑与起防水、黏结作用的Tefion微粒混合后热压到质子交换膜上制得的，Pt载量高达10mg/cm2。后来，为增加Pt的利用率，使用了Pt/C催化剂，但Pt的利用率仍非常低，直到20世纪80年代中期，PEMFC膜电极的Pt载量仍高达4 mg/cm2。20世纪80年代中后期，美国Los Alamos国家实验室(LANL)提出了一种新方法，采用Nafion质子交换聚合物溶液浸渍Pt/C多孔气体扩散电极，再热压到质子交换膜上形成膜电极。此法大大提高了Pt的利用率，将膜电极的铂载量降到了0.4mg/cm2。1992年， LANL对该法进行了改进，使膜电极的Pt载量进一步降低到0.13mg/cm2。1995年印度电化学能量研究中心(CEER)采用喷涂浸渍法制得了Pt载量为0.1mg/cm2的膜电极，性能良好。据报道，现在LANL试验的一些单电池中，膜电极上铂载量已降到0.05mg/cm2。膜电极上铂载量的减少，直接可以使燃料电池的成本降低，这就为其商品化的实现准备了条件。

7.8.2 固体氧化物燃料电池(SOFC)

SOFC由用氧化钇稳定氧化锆(YSZ)那样的陶瓷给氧离子通电的电解质和由多孔质给电子通电的燃料和空气极构成。空气中的氧在空气极-电解质界面被氧化，在空气燃料之间氧的分差作用下，在电解质中向燃料极侧移动，在燃料极电解质界面和燃料中的氢或一氧化碳反应，生成水蒸气或二氧化碳，放出电子。电子通过外部回路，再次返回空气极，此时产生电能。

在固定电站领域，SOFC明显比PEMFC有优势。SOFC很少需要对燃料处理，内部重整、内部热集成、内部集合管使系统设计更为简单，而且SOFC与燃气轮机及其他设备也很容易进行高效热电联产。西门子-西屋公司开发出的世界第一台SOFC和燃气轮机混合发电站，于2000年5月安装在美国加州大学，功率220k W，发电效率58%。未来的SOFC/燃气轮机发电效率将达到60%～70%。

被称为第三代燃料电池的SOFC正在积极地研制和开发中，它是正在兴起的新型发电方式之一。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。早在1962年，西屋电气公司就以甲烷为燃料，在SOFC试验装置上获得电流，并指出烃类燃料在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，为SOFC的发展奠定了基础。此后10年间，该公司与OCR机构协作，连接400个小圆筒形Zr O2-Ca O电解质，试制100W电池，但此形式不便供大规模发电装置应用。20世纪80年代后，为了开辟新能源，缓解石油资源紧缺而带来的能源危机， SOFC研究得到蓬勃发展。西屋电气公司将电化学气相沉积技术应用于SOFC的电解质及电极薄膜制备过程，使电解质层厚度减至微米级，电池性能得到明显提高，从而揭开了SOFC的研究崭新的一页。20世纪80年代中后期，它开始向研究大功率SOFC电池堆发展。1986年，400W管式SOFC电池组在田纳西州运行成功。

1987年，又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3k W级列管式SOFC发电机组，成功地进行连续运行试验长达5000h，标志着SOFC研究从实验研究向商业发展。进入20世纪90年代DOE机构继续投资给西屋电气公司6400余万美元，旨在开发出高转化率、2MW级的SOFC发电机组。1992年两台25k W管型SOFC分别在日本大阪、美国南加州进行了几千小时实验运行。从1995年起，西屋电气公司采用空气电极作支撑管，取代了原先Ca O稳定的Zr O2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100k W管式SOFC系统，能量总利用率达到75%，已经正式投入使用。目前，Siemens Westinghouse宣布有两座250k WSOFC示范电厂很快将在挪威和加拿大的多伦多附近建成。西屋公司在荷兰安装的SOFC示范电厂，可以提供110k W的电力和64k W的热，发电效率达到46%，运行14000h。

7.8.3 燃料电池

另外，美国的其他一些部门在SOFC方面也有一定的实力。位于匹兹堡的PPMF是SOFC技术商业化的重要生产基地，这里拥有完整的SOFC电池构件加工、电池装配和电池质量检测等设备，是目前世界上规模最大的SOFC技术研究开发中心。1990年，该中心为美国DOE制造了20k W级SOFC装置，该装置采用管道煤气为燃料，已连续运行了1700多小时。与此同时，该中心还为日本东京和大阪煤气公司、关西电力公司提供了两套25k W级SOFC试验装置，其中一套为热电联产装置。另外美国阿尔贡国家实验室也研究开发了叠层波纹板式SOFC电池堆，并开发出适合于这种结构材料成形的浇注法和压延法。使电池能量密度得到显著提高，是比较有前途的SOFC结构。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，后来加入“月光计划”研究与开发行列，1986年研究出500W圆管式SOFC电池堆，并组成1.2k W发电装置。东京电力公司与三菱重工从1986年12月开始研制圆管式SOFC装置，获得了输出功率为35 W的单电池，当电流密度为200m A/cm2时，电池电压为0.78V，燃料利用率达到58%。1987年7月，电源开发公司与这两家公司合作，开发出1k W圆管式SOFC电池堆，并连续试运行达1000h，最大输出功率为1.3k W。关西电力公司、东京煤气公司与大阪煤气公司等机构则从美国西屋电气公司引进3k W及2.5k W圆管式SOFC电池堆进行试验，取得了满意的结果。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Fuji与Sanyo公司开发的平板式SOFC功率已达到千瓦级。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406W试验装置，该装置的单电池有效面积达到131cm2。

在欧洲早在20世纪70年代，联邦德国海德堡中央研究所就研究出圆管式或半圆管式电解质结构的SOFC发电装置，单电池运行性能良好。20世纪80年代后期，在美国和日本的影响下，欧共体积极推动欧洲的SOFC的商业化发展。德国的Siemens、Domier Gmb H及ABB研究公司致力于开发千瓦级平板式SOFC发电装置。Siemens公司还与荷兰能源中心(ECN)合作开发开板式SOFC单电池，有效电极面积为67cm2。ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦级SOFC发电装置，这种电池为金属双极性结构，在800℃下进行了实验，效果良好。现正考虑将其制成25～100k W级SOFC发电系统，供家庭或商业应用。