1、燃料电池所属分类： 冶金术语 分子生物学 化学 各种化学名称 基本物理概念 工业 技术类型 物理学 电子 电子技术 电子术语 电池 能源科学 通信技术 添加摘要燃料电池 (FuelCell)是一种将存在于燃料与 氧化剂 中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和 电解质 等，像一个蓄电池，但实质上它不能 “储电 ”而是一个 “发电厂 ”。燃料电池的概念是 1839 年 G.R.Grove 提出的，至今已有大约 160 年的历史。目录 隐藏 1 物质简介 2 能量变化 3 历史 4 中国发展状况 5 国际发展状况 6 特点与原理
2、7 分类 8 发电系统 9 评估 10 经济性 11 展望 12 相关词条 13 相关链接 燃料电池 -物质简介燃料电池燃料电池十分复杂，涉及 化学热力学 、电化学、 电催化 、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：（ 1）能量转化效率高 他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受 卡诺循环 的限制。目前燃料电池系统的燃料 电能转换效率在 45% 60%，而火力发电和核电的效率大约在 30% 40%。（ 2）有害气体 SOx、 NOx 及噪音排放都很低 CO2 排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振
3、动。（ 3）燃料适用范围广。燃料电池（ 4）积木化强 规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短， 电站 功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为 小区 、 工厂 、 大型建筑 的独立电站都非常合适。（ 5）负荷响应快，运行质量高 燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且 电厂 离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。燃料电池 -能量变化为了利用煤或者 石油 这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则
4、可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。换句话说，我们是把燃料的 化学能 转变为 热能 ，然后把热能转换为电能。在这种双转换的过程中，许多原来的化学能浪费掉了。然而，燃料非常便宜，虽有这种浪费，也不妨碍我们生产大量的电力，而无需昂贵的费用。还有可能把化学能直接转换为电能，而无需先转换为热能。为此，我们必须使用电池。这种电池由一种或多种 化学溶液 组成，其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应，电子不是被释出就是被吸收。一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过 导线 从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只
5、要电池中进行 化学反应 ，这种 电流 就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下，当一个电池用完了以后，人们迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，因此，电池能够贮存化学能，并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子。在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为 电能 。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的。 锌 用来制造手电筒的电池。如果你试图使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力，那么，一天就要花成本费数十亿美元。燃料电池 -历史能源是经济发展的基础，没有 能源工业 的发展就没有现代文明。人类为了更有效地
6、利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机 、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。燃料电池燃料电池原理随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能， 受卡诺循环 及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有3335%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的 废水 、 废气 、废渣、废热和 噪声 的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、
7、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有 35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。1839 年 英国 的 Grove 发明了燃料电池，并用这种以铂黑为 电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。 1889 年 Mood 和Langer 首先采用了燃料电池这一名称，并获得 200mA/m2 电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到 2
8、0世纪 50 年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的 Bacon 用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。 60 年代，这种电池成功地应用于阿波罗 (Appollo)登月飞船。从 60 年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的 磷酸 燃料电池也研制成功。从 80 年代开始，各种小功率电池在 宇航 、 军事 、 交通 等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（ AFC）、磷酸型燃料电池（ PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（
9、MCFC）、固体氧化物燃料电池（ SOFC）及质子交换膜燃料电池（ PEMFC）等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。大型电站， 火力发电 由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网 随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧
10、能量大约有近 70%要消耗在 锅炉 和 汽轮发电机 这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为 100%，装置无论大小实际发电效率可达 40% 60%，可以实现直接进入 企业 、饭店、 宾馆 、 家庭 实现热电联产联用，没有输电输热损失，燃料电池基本原理图综合能源效率可达 80%，装置为集木式结构，容量可小到只为 手机 供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。 国际 能源界预测，燃料电池是 21 世纪最有吸引力
11、的发电方法之一。在 中国 人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。燃料电池 -中国发展状况在中国的燃料电池研究始于1958 年，原电子工业部 天津 电源研究所最早开展了MCFC 的研究。 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成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。 1990 年中国
12、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，中科院大连化学物理研究所、 上海 硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与 SOFC 的有关研究。到 90 年代中期，由于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，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。 质子 交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃
13、料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、 1kW-2kW、 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 100W/kg，体积比功率为 300W/L。在中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不少进展，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十分重视， 1996 年和 1998 年两次在香山科学会议上对中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。近几年中国加强了在 PEMFC
14、方面的研究力度。2000 年 大连 化学物理研究所与中科院电工研究所已完成 30kW 车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布， 2001 年将提供 40kW 的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华一年前在 EVS16 届大会上宣布，中国将在 2000 年装出首台燃料电池电动车。中国燃料电池的研究工作已表明： 1.中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平； 2.大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有中国自主知识燃料电池小型化产权的高技术成果； 3.在燃料电池研究方面中国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，中国可以并且有能力占有一定比例。但是在中国在
15、PAFC、 MCFC、 SOFC 的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。此前参与燃料电池研究的有关概况如下：1： PEMFC 的研究状况手机燃料电池中国最早开展 PEMFC 研制工作的是长春应用化学研究所，该所于 1990年在中科院扶持下开始研究 PEMFC，工作主要集中在 催化剂 、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制 ,已制造出 100WPEMFC 样机。 1994 年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与 美国CaseWesternReserve 大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。中国科学院大连化学物理所于 1993 年开展了 PEMFC 的研究
16、，在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为 140cm2 的单体电池，其输出功率达 0.35W/cm2。清华大学核能技术设计院 1993 年开展了 PEMFC 的研究，研制的单体电池在 0.7V 时输出 电流密度 为 100mA/cm2，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管式 PEMFC 的设计，该单位已与德国 Karlsrube 研究中心建立了一定的协作关系。天津大学于 1994 年在国家自然科学 基金会 资助下开展了 PEMFC 的研究，主要研究催化剂和电极的制备工艺。复旦大学在 90 年代初开始研制直接甲醇 PEMFC，主要研究 聚苯 并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门
17、大学近年来与 香港大学 和美国的 CaseWesternReserve 大学合作开展了直接甲醇 PEMFC 的研究。1994 年，上海大学与北京石油大学合作研究 PEMFC(“八五 ”攻关项目 )，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。北京理工大学 于 1995 年在兵器工业部资助下开始了 PEMFC 的研究，目前单体电池的电流密度为 150mA/cm2。中国科学院工程热物理研究所于 1994 年开始研究 PEMFC，主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。天津电源研究所 1997 年开始 PEMFC 的研究 ,拟从国外引进
18、 1.5kW 的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。华南理工大学 于 1997 年初在广东省佛山基金资助下开展了 PEMFC 的研究，与国家科委电动车示范区建设相配合作了一定的研究工作。其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。中科院电工研究所最近开展了电动车用 PEMFC 系统工程和运行模式研究，拟与有色金属研究院合作研究 PEMFC/光伏电池 (制氢 )互补发电系统和从国外引进 PEMFC 装置。1995 年 北京富原公司 与 加拿大 新能源公司合作进行 PEMFC 的研制与开发， 5kW 的 PEMFC 样机现已研制成功并开始接受订货。2： MCFC 的研究简
19、况燃料电池在中国开展 MCFC 研究的单位不太多。 哈尔滨 电源成套设备研究所在 80年代后期曾研究过 MCFC， 90 年代初停止了这方面的研究工作。1993 年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC 的研究，自制 LiAlO2 微粉，用冷滚压法和带铸法制备出 MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际 80 年代初的水平。90 年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了 MCFC 的研究，在LiAlO2 微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作 MCFC 的阳极材料等方面取得了很大进展。北京科技大学于 90 年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了 MCFC
20、的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了 MCFC 的研究，主要着重于研究 氧化镍 阴极与 熔融盐 的相互作用。1995 年上海交通大学与长庆油田合作开始了 MCFC 的研究，目标是共同开发 5kW 10kW 的 MCFC。中国科学院电工研究所在 “八五 “期间，考察了国外 MCFC 示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了 MCFC 电站系统工程关键技术的研究与开发。3： SOFC 的研究简况最早开展 SOFC 研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在 1971 年就开展了 SOFC 的研究，
21、主要侧重于 SOFC 电极材料和电解质材料的研究。80 年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了 SOFC 的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体 SOFC 结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。吉林大学 于 1989 年在吉林省青年科学基金资助下开始对 SOFC 的电解质、阳极和阴极材料等进行研究 ,组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995 年获吉林省计委和国家计委 450 万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等 ,单体电池开路电压达 1.18V，电流密度400mA/cm2， 4 个单体电池串联的电池组能使收音
22、机和录音机正常工作。1991 年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了 SOFC 的研究，从研制材料着手 ,制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09W/cm2 0.12W/cm2，电流密度为 150mA/cm2 180mA/cm2，工作电压为 0.60V 0.65V。 1994 年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了 20W 30W 块状叠层式 SOFC 电池组 ,电池寿命达1200h。他们在分析 俄罗斯 叠层式结构、美国 Westinghouse 的管式结构和德国 Siemens 板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采
23、用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。中国科学技术大学于 1982 年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992 年在国家自然科学基金会和 “863“计划的资助下开始了中温 SOFC的研究。一种是用 纳米氧化锆 作电解质的 SOFC，工作温度约为 450 。另一种是用新型的质子导体作电解质的 SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和 200mA/cm2 的电流密度。此外 ,他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代 SOFC。清华大学在 90 年代初开展了 SOFC 的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、 空气电极 、燃料电极和中间联结电极材料的
24、超细粉，并开展了平板型 SOFC 成型和烧结技术的研究 ,取得了良好效果。华南理工大学于 1992 年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC 的研究，组装的管状单体电池，用甲烷直接作燃料，最大输出功率为 4mW/cm2，电流密度为 17mA/cm2，连续运转 140h，电池性能无明显衰减。中国科学院山西煤炭化学研究所在 1994 年开始 SOFC 研究，用超细氧化锆粉在 1100 下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质。该所从 80 年代初开始煤气化热解的研究，以提供燃料电池的 气源 。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段
25、，正在镇江市建立工业示范装置。该所还开展了使煤气化热解的煤气在高温下脱硫除尘和甲醇脱氢生产合成气的研究，合成气中 CO 和 H2 的比例为 12，已有成套装置出售。中国科学院大连化学物理所于 1994 年开展了 SOFC 的研究工作，在电极和 电解质 材料的研究上取得了可喜的进展。中国科学院北京物理所于1995 年在国家自然科学基金会的资助下，开展了用于 SOFC 的新型电解质和电极材料的基础性研究。燃料电池 -国际发展状况燃料电池发达 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
26、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，又如网络通讯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，
27、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。磷酸型燃料电池 (PAFC)受 1973 年世界性石油危机以及美国 PAFC 研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池， PAFC 作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构（ NEDO）进行开发。自 1981 年起，进行了 1000kW 现场型PAFC 发电装置的研究和开发。 1986 年又开展了 200kW 现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商业用的 PAFC 发电装置。富士电机公司是目前日本最大的 PAFC 电池堆 供应
28、商 。截至 1992 年，该公司已向国内外供应了 17 套 PAFC 示范装置，富士电机在 1997 年 3 月完成了分散型 5MW 设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、 100kW 及 500kW 总计 88 种设备投入使用。下表所示为富士电机公司已交货的发电装置运行情况，到 1998 年止有的已超过了目标寿命4 万小时。东芝公司从 70 年代后半期开始，以分散型燃料电池为中心进行开发以后，将分散电源用 11MW 机以及 200kW 机形成了系列化。 11MW 机是世界上最大的燃料电池发电设备，从 1989 年开始在东京电力公司五井火电站内建造， 1991 年 3 月初发电成功后，直
29、到 1996 年 5 月进行了 5 年多现场试验，累计运行时间超过 2 万小时，在额定运行情况下实现发电效率43.6%。在小型现场燃料电池领域， 1990 年 东芝 和美国 IFC 公司 为使现场用燃料电池商业化，成立了 ONSI 公司，以后开始向全世界销售现场型 200kW 设备 “PC25“系列。 PC25 系列燃料电池从 1991 年末运行，到1998 年 4 月，共向世界销售了 174 台。其中安装在美国某公司的一台机和安装在日本大阪梅田中心的大阪煤气公司 2 号机，累计运行时间相继突破了 4 万小时。从燃料电池的寿命和可靠性方面来看，累计运行时间4 万 h 是燃料电池的长远目标。东芝
30、 ONSI 已完成了正式商用机 PC25C型的开发，早已投放 市场 。 PC25C 型作为 21 世纪新能源先锋获得日本通商产业大奖。从燃料电池商业化出发，该设备被评价为具有高先进性、可靠性以及优越的环境性设备。它的制造成本是 $3000/kW，近期将推出的商业化 PC25D 型设备成本会降至 $1500/kW，体积比 PC25C 型减少1/4，质量仅为 14t。明年即 2001 年，在中国就将迎来第一座 PC25C 型燃料电池电站，它主要由 日本 的 MITI（ NEDO）资助的，这将是我国第一座燃料电池发电站。PAFC 作为一种中低温型（工作温度 180-210 ）燃料电池，不但具有发电效
31、率高、清洁、无噪音等特点，而且还可以热水形式回收大部分热量。下表给出先进的 ONSI 公司 PC25C 型 200kWPAFC 的主要技术指标。最初开发 PAFC 是为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向 公寓 、购物中心、 医院 、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。PAFC 用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在 10-20MW 之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量在 100MW 以上，可以作为中等规模热电厂。 PAFC 电厂比起一般电厂具有如下优点：即使在发电负荷比较低时，依然保持高的 发电效率 ；由于采用模块结构，现场安装简单，省时，并且电厂扩容容易。质子交换
32、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 BallardGenerationSystem 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。BallardGenerationSystem 最初产品是 250kW 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 BallardFuelCell 商业化。 BallardFuelCell 已经用于固定发
33、电厂：由 BallardGenerationSystem， GPUInternationalInc.， AlstomSA 和EBARA 公司共同组建了 BallardGenerationSystem，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 250kW 发电厂于 1997年 8 月成功发电， 1999 年 9 月送至 IndianaCinergy，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 ， 250kW 输出功率，也是在欧洲的第一次测试。很快Ballard 公司的第三座 250kW 电厂也在 2000 年 9 月安装在瑞
34、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。第一个早期商业化电厂将在 2001 年底面市。下图是安装在美国 Cinergy 的 Ballard 燃料电池装置，目前正在测试。在美国，PlugPower 公司是最大的质子交换膜燃料电池开发公司，他们的目标是开发、制造适合于居民和汽车用经济型燃料电池系统。1997 年， PlugPower 模块第一个成功地将 汽油 转变为电力。最近，PlugPower 公司开发出它的专利产品 PlugPo
35、wer7000 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， PlugPower公司和 GEMicroGen 成立了合资公司，产品改称 GEHomeGen7000，由 GEMicroGen 公司负责全球推广。此产品将提供 7kW 的持续电力。GE/Plug 公司宣称其 2001 年初售价为 $1500/kW。他们预计 5 年后，大量生产的燃料电池售价将降至 $500/kW。假设有 20 万户家庭各安装一个 7kW 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
36、可用于尖峰用电的供给，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 )、 VolkswagenAG(大众 )和 Volvo(富豪 )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，克莱斯勒公司最近给 Ballard 公司注入 4亿 5 千万加元用于开发燃料电池汽车，大大的促进了 PEMFC
37、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 25kW 的燃料电池和辅助干电池一起提供了全部 50kW 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图是安装在柏林的 250kW PEMFC 燃料电池电站：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， Daimler-Benz 公司宣布，到 2004 年将年产 40000 辆燃料电池汽车。因而未来十年，极有可能达到 100000 辆燃料电池汽车。PEMFC 是一种新型、有远大前途的燃料电池，
38、经过从 80 年代初到现在的近 20 年的发展，质子交换膜燃料电池起了翻天覆地的变化。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、粘结作用的 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 80 年代中期， PEMFC膜电极的 Pt 载量仍高达 4mg/cm2。 80 年代中后期，美国 LosAlamos国家实验室（ LANL）提出了一种新方
39、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，将膜电极的载铂量降到了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。熔融碳酸盐燃
40、料电池 (MCFC)50 年代初，熔融碳酸盐燃料电池（ MCFC）由于其可以作为大规模民用发电装置的前景而引起了世界范围的重视。在这之后， MCFC 发展的非常快，它在电池材料、工艺、结构等方面都得到了很大的改进，但电池的工作寿命并不理想。到了 80 年代，它已被作为第二代燃料电池，而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，研制速度日益加快。现在 MCFC 的主要研制者集中在美国、日本和 西欧 等国家。预计2002 年将商品化生产。美国能源部（ DOE）去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， 1/3 用于 SOFC 的开
41、发。美国的 MCFC 技术开发一直主要由两大公司承担，ERC（ EnergyResearchCorporation）（现为 FuelCellEnergyInc.）和M-CPower 公司 。他们通过不同的方法建造 MCFC 堆。两家公司都到了现场示范阶段： ERC1996 年已进行了一套设于加州圣克拉拉的 2MW 的MCFC 电站的实证试验，目前正在寻找 3MW 装置试验的地点。 ERC 的MCFC 燃料电池在电池内部进行无燃气的改质，而不需要单独设置的 改质器 。根据试验结果， ERC 对电池进行了重新设计，将电池改成 250kW单电池堆，而非原来的 125kW 堆，这样可将 3MW 的 M
42、CFC 安装在 0.1英亩的场地上，从而降低投资费用。 ERC 预计将以 $1200/kW 的设备费用提供 3MW 的装置。这与小型燃气涡轮发电装置设备费用 $1000/kW接近。但小型燃气发电效率仅为 30%，并且有废气排放和噪声问题。与此同时，美国 M-CPower 公司已在加州圣迭戈的 海军航空站 进行了250kW 装置的试验，现在计划在同一地点试验改进 75kW 装置。 M-CPower 公司正在研制 500kW 模块，计划 2002 年开始生产。日本对 MCFC 的研究，自 1981 年 “月光计划 “时开始， 1991 年后转为重点，每年在燃料电池上的费用为 12-15 亿美元，
43、1990 年政府追加 2 亿美元，专门用于 MCFC 的研究。电池堆的功率 1984 年为 1kW， 1986年为 10kW。日本同时研究内部转化和外部转化技术， 1991 年， 30kW级间接内部转化 MCFC 试运转。 1992 年 50-100kW 级试运转。 1994年，分别由日立和石川岛播磨重工完成两个 100kW、电极面积 1m2，加压外重整 MCFC。另外由中部电力公司制造的 1MW 外重整 MCFC 正在川越火力发电厂安装，预计以天然气为燃料时，热电效率大于 45%，运行寿命大于 5000h。由三菱电机与美国 ERC 合作研制的内重整30kWMCFC 已运行了 10000h。三
44、洋公司也研制了 30kW 内重整MCFC。目前，石川岛播磨重工有世界上最大面积的 MCFC 燃料电池堆，试验寿命已达 13000h。日本为了促进 MCFC 的开发研究，于 1987 年成立了 MCFC 研究协会，负责燃料电池堆运转、电厂外围设备和系统技术等方面的研究，现在它已联合了 14 个单位成为日本研究开发主力。欧洲 早在 1989 年就制定了 1 个 Joule 计划，目标是建立环境污染小、可分散安装、功率为 200MW 的 “第二代 “电厂，包括 MCFC、 SOFC 和PEMFC 三种类型，它将任务分配到各国。进行 MCFC 研究的主要有 荷兰 、意大利 、 德国 、丹麦和 西班牙
45、。荷兰对 MCFC 的研究从 1986 年已经开始， 1989 年已研制了 1kW 级电池堆， 1992 年对 10kW 级外部转化型与 1kW 级内部转化型电池堆进行试验， 1995 年对 煤 制气与 天然气 为燃料的 2 个 250kW 系统进行试运转。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，意大利 Ansodo与 IFC 签定了有关 MCFC 技术的协议，已安装一套单电池（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 10kW 级外部转化技术的研究开
46、发，在 ERC 协助下，于 1992 年 -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 280kW 电池组体。资料表明， MCFC 与其他燃料电池比有着独特优点：a发电效率高比 PAFC 的发电效率还高；b不需要昂贵的白金作催化剂，制造成本低；c可以用 CO 作燃料；d由于 MCFC 工作温度 600-1000 ，排出的气体可用来取暖，也可与汽轮机联合发电。若热电联产，效率可提高到 80%；e中小规模经济性与几种发电方式比较，当负载指数大于 45%时，MCFC 发电系统成本最低。与 PAFC 相比，虽然 MCFC 起始投资高，
47、但PAFC 的燃料费远比 MCFC 高。当发电系统为中小规模分散型时，MCFC 的经济性更为突出；f MCFC 的结构比 PAFC 简单。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。SOFC 的特点如下：由于是高温动作（ 600-1000 ），通过设置底面循环，可以
48、获得超过60%效率的高效发电。由于氧离子是在电解质中移动，所以也可以用 CO、煤气化的气体作为燃料。由于电池本体的构成材料全部是 固体 ，所以没有电解质的蒸发、流淌。另外，燃料极空气极也没有腐蚀。 l 动作温度高，可以进行甲烷等内部改质。与其他燃料电池比，发电系统简单，可以期望从容量比较小的设备发展到大规模设备，具有广泛用途。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。下图为西门子-西屋公司开发出的世界第一台 SOFC 和燃气轮机混合发电
49、站，它于2000 年 5 月安装在美国 加州大学 ，功率 220kW，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 正在积极的研制和开发中，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 个小圆筒型 ZrO2-CaO 电解质，试制 100W电池，但此形式不便供大规模发电装置应用。 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。 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
