外國(guó)燃料電池技術(shù)發(fā)展論文

導(dǎo)語(yǔ)：外國(guó)燃料電池技術(shù)發(fā)展論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

現(xiàn)階段，最主要也是最具前景的氫能利用方式就是燃料電池。燃料電池是唯一同時(shí)兼?zhèn)錈o(wú)污染、高效率、適用廣、無(wú)噪聲和具有連續(xù)工作和積木化的動(dòng)力源，其主要應(yīng)用途徑是汽車用。過(guò)去10年西方汽車商在研究開(kāi)發(fā)燃料電池上的投資高達(dá)100億美元，其中80%用于開(kāi)發(fā)車用燃料電池。預(yù)計(jì)未來(lái)5年西方在該領(lǐng)域的投入至少還將增加40億美元。2002年美國(guó)政府對(duì)燃料電池研究的投入約為2.2億美元，日本的研發(fā)預(yù)算也增加到2.2億美元。美國(guó)ArthurD.Little公司估計(jì)，2007年燃料電池在運(yùn)輸方面的商業(yè)價(jià)值將達(dá)到90億美元。美國(guó)、德國(guó)、日本在目前的燃料電池技術(shù)研發(fā)（氫能開(kāi)發(fā)）領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

燃料電池的類型主要有質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC，最有前途）；堿性燃料電池（AFC）；磷酸鹽型燃料電池（PAFC）；熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）；固體氧化物燃料電池（SOFC）。

I.堿性燃料電池（AFC）

這種電池用35%~45%KOH為電解液，滲透于多孔而惰性的基質(zhì)隔膜材料中，工作溫度小于100℃。該種電池的優(yōu)點(diǎn)是氧在堿液中的電化學(xué)反應(yīng)速度比在酸性液中大，因此有較大的電流密度和輸出功率。但氧化劑應(yīng)為純氧，電池中貴金屬催化劑用量較大，而利用率不高。目前，此類燃料電池技術(shù)的發(fā)展已非常成熟，并已經(jīng)在航天飛行及潛艇中成功應(yīng)用。發(fā)展堿性燃料電池的核心技術(shù)是要避免二氧化碳對(duì)堿性電解液成分的破壞，不論是空氣中百萬(wàn)分之幾的二氧化碳成分還是烴類的重整氣使用時(shí)所含有的二氧化碳，都要進(jìn)行去除處理，這無(wú)疑增加了系統(tǒng)的總體造價(jià)。此外，電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成的水需及時(shí)排出，以維持水平衡。因此，簡(jiǎn)化排水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)也是堿性燃料電池發(fā)展中需要解決的核心技術(shù)。

II.酸型燃料電池（PAFC）

這種電池采用磷酸為電解質(zhì)，工作溫度200℃左右。其突出優(yōu)點(diǎn)是貴金屬催化劑用量比堿性氫氧化物燃料電池大大減少，還原劑的純度要求有較大降低，一氧化碳含量可允許達(dá)5%。該類電池一般以有機(jī)碳?xì)浠衔餅槿剂?，正?fù)電極用聚四氟乙烯制成的多孔電極，電極上涂Pt作催化劑，電解質(zhì)為85%的H3PO4。在100~200℃范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，導(dǎo)電性強(qiáng)。磷酸電池較其他燃料電池制作成本低，已接近可供民用的程度。目前，國(guó)際上功率較大的實(shí)用燃料電池電力站均用這種燃料的電池。美國(guó)將磷酸型燃料電池列為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，向全世界出售200kW級(jí)的磷酸型燃料電池，日本制造出了世界上最大的（11MW）磷酸型燃料電池。到2002年初，美國(guó)已在全世界安裝測(cè)試了200kWPAFC發(fā)電裝置235套，累計(jì)發(fā)電470萬(wàn)小時(shí)。在美國(guó)和日本，有幾套裝置已達(dá)到連續(xù)發(fā)電1萬(wàn)小時(shí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。歐洲現(xiàn)有5套200kWPAFC發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。日本福日電器和三菱電器已經(jīng)開(kāi)發(fā)出500kWPAFC發(fā)電系統(tǒng)。我國(guó)魏子棟等人進(jìn)行Pt3（Fe/Co）/C氧還原電催化劑的研究，并提出了Fe/Co對(duì)Pt的錨定效應(yīng)。磷酸型燃料電池發(fā)電技術(shù)目前已得到高速發(fā)展，但是其啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)以及余熱利用價(jià)值低等發(fā)展障礙導(dǎo)致其發(fā)展速度減緩。

III.熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

這種電池用兩種或多種碳酸鹽的低融混合物為電解質(zhì)，如用堿-碳酸鹽低溫共融體滲透進(jìn)多孔性基質(zhì)，電極為鎳粉燒制而成，陰極粉末中含多種過(guò)渡金屬元素作穩(wěn)定劑，主要是在美國(guó)、日本和西歐研究和利用較多。2~5MW外公用管道型熔融碳酸鹽燃料電池已經(jīng)問(wèn)世，在解決MCFC的性能衰減和電解質(zhì)遷移方面已取得突破，美國(guó)燃料電池能源公司已在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試263kWMCFC發(fā)電裝置。意大利Ansaldo公司與西班牙Spanishcomp’s合作開(kāi)發(fā)100kWMCFC發(fā)電裝置和500kWMCFC發(fā)電裝置。日本日立公司2000年開(kāi)發(fā)出1MW的MCFC發(fā)電裝置。東芝開(kāi)發(fā)出低成本的10kWMCFC發(fā)電裝置。MCFC中陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)隔膜和雙極板是基礎(chǔ)研究的四大難點(diǎn)，這四大部件的集成和對(duì)電解質(zhì)的管理是MCFC電池組及電站模塊的安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)核心。

IV.固體氧化物燃料電池（SOFC）

電池中的電解質(zhì)是復(fù)合氧化物，在高溫（1000℃以下）時(shí)，有很強(qiáng)的離子導(dǎo)電功能。它是由于鈣、鐿或釔等混入離子價(jià)態(tài)低于鋯離子的價(jià)態(tài)，使有些氧負(fù)離子晶格位空出來(lái)而導(dǎo)電。目前世界各國(guó)都在研制這類電池，并已有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但存在缺點(diǎn)：制造成本較高；溫度太高；電介質(zhì)易裂縫；電阻較大。目前已開(kāi)發(fā)了管式、平板式和瓦楞式等多種結(jié)構(gòu)形成的固體氧化物燃料電池，這種燃料電池被稱為第三代燃料電池。美國(guó)和日本多家公司正在開(kāi)發(fā)10kW平面輪機(jī)SOFC發(fā)電裝置。德國(guó)西門子-西屋電器公司正在測(cè)試100kWSOFC管狀工作堆，美國(guó)在測(cè)試25kWSOFC工作堆。國(guó)內(nèi)大都處于SOFC的基礎(chǔ)研究階段。SOFC在高溫下工作也給其帶來(lái)一系列材料，密封和結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題，如電極的燒結(jié)，電解質(zhì)與電極之間的界面化學(xué)擴(kuò)散以及熱膨脹系數(shù)不同的材料之間的匹配和雙極板材料的穩(wěn)定性等。這些也在一定程度上制約著SOFC的發(fā)展，成為其技術(shù)突破的關(guān)健方面。

V.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

它是繼AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速發(fā)展起來(lái)的溫度最低、比能最高、啟動(dòng)最快、壽命最長(zhǎng)、應(yīng)用最廣的第五代燃料電池，它是為航天和軍用電源而開(kāi)發(fā)的。在美國(guó)《時(shí)代周刊》的社會(huì)調(diào)查結(jié)果中被列為21世紀(jì)十大科技新技術(shù)之首。美國(guó)多家公司、日本、三洋、三菱等公司也已研究開(kāi)發(fā)出便攜式PEMFC發(fā)電堆。加拿大電力系統(tǒng)公司與日本的EBARA公司合作研究開(kāi)發(fā)250kWPEMFC發(fā)電設(shè)備和1kWPEMFC便攜式發(fā)電系統(tǒng)。德國(guó)在柏林建造了一個(gè)250kWPEMFC的實(shí)驗(yàn)堆。質(zhì)子交換膜燃料電池的核心技術(shù)是電極-膜-電極三合一組件的制備技術(shù)。為了向氣體擴(kuò)散，電極內(nèi)加入質(zhì)子導(dǎo)體，并改善電極與膜的接觸，采用熱壓的方法將電極、膜、電極壓合在一起，形成了電極-膜-電極三合一組件，其中，質(zhì)子交換膜的技術(shù)參數(shù)直接影響著三合一組件的性能，因而關(guān)系到整個(gè)電池及電池組的運(yùn)行效率。PEMFC的價(jià)格也制約著其商業(yè)化進(jìn)程，因此，改進(jìn)其必要組件性能，降低運(yùn)行成本，是發(fā)展PEMFC的重要方向。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，由于人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視和質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的高速進(jìn)步和顯著優(yōu)點(diǎn)，質(zhì)子交換膜燃料電池在民用方面，尤其是電動(dòng)車方面的應(yīng)用引起了各國(guó)政府和企業(yè)的高度關(guān)注，并紛紛投巨資進(jìn)行研究，使PEMFC技術(shù)得到了進(jìn)一步的飛速發(fā)展，性能得到很大提高，成本也不斷降低。在鉑的使用量方面，Ballard公司通過(guò)采用一種新工藝，已經(jīng)使載鉑量降為0.02mg/cm2。在質(zhì)子交換膜方面，Ballard公司開(kāi)發(fā)的BAM3G新型部分氟化質(zhì)子交換膜，性能優(yōu)于目前普遍使用的Nafion系列膜，而成本僅是其20％左右。技術(shù)的進(jìn)步使PEMFC的功率密度也大大提高，Ballard公司生產(chǎn)的電池組體積比功率已超過(guò)1300W/L，超過(guò)了DOE（美國(guó)能源部）制定的電動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)。

隨著PEMFC技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)用的PEMFC已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。德國(guó)海軍已經(jīng)配備了4艘用Siemens公司制造的300KWPEMFC作為動(dòng)力源的潛艇，Ballard公司已經(jīng)開(kāi)始出售商業(yè)化的250KWPEMFC發(fā)電裝置、電動(dòng)車用PEMFC和各種便攜式電源，日本豐田等汽車公司則已經(jīng)推出商業(yè)化的燃料電池電動(dòng)車。