燃料电池技术-倪院士

燃料电池技术倪维斗教授（院士）清华大学热能工程系2009年7月燃料电池是化学能直接转化成电能的一种动力设备燃料电池的基本反应步骤：1:反应物向燃料电池内部传递2:电化学反应3:离子传导以及电子传导4:产物排出燃料电池基本原理燃料电池的燃料处理系统水蒸气发生器燃料脱硫器重整器CO转化器CO去除器重H2：72%整CO2：20%气CO：100ppm氧气燃料处理系统有很多种，以天然气重整为例介绍脱硫器：采用活性碳、沸石等吸附剂或者用氢气与硫反应来脱硫重整器：在高温下(700℃)与催化剂反应得到以氢为主的重整气转化器：CO+H2O→H2+CO2（300～400℃）去除器：CO+½O2→CO2（150～200℃）燃料处理系统燃料电池特性——良好的环境相容性不同发电厂排气的比较（kg/106

kWh）不同发电装置的噪声比较排气中污染物天然气火力发电石油火力发电煤火力发电磷酸燃料电池二氧化硫2.5～2304550～109008200～145000～0.12氮氧化物18003200320063～107烃

类20～1270125～500030～1000014～102粉

尘0～9045～320365～5800～0.014Source:肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009燃料电池特性——灵活可靠的输出性能燃料电池工作时将燃料储存的能量一半转化为电，另一半转化为热。各种发电方式在不同规模时的效率Source:肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009燃料电池的优点燃料电池独特的优点转换效率高，可达60%没有运转部件，噪音小没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大尺寸相仿的效率若以氢为燃料，排放是水，可实现“零排放”各种类型燃料电池的比较选项SOFC(固体氧化物)MCFC(熔融碳酸型)AFC(碱液型)PAFC(磷酸型)PEMFC(质子交换膜)优点燃料适应性广采用非贵金属作为催化剂高品位余热可用于热电联供固体电解质较高的功率密度燃料适应性广使用非贵金属催化剂高品位余热可用于热电联供阴极性能得到改善可以不使用贵金属作为催化剂材料成本低，电解质成本非常低廉电解质价廉，使用酸性的电解液能够直接使用烃类化合物转换的含有CO2的富氢气体作为燃料技术成熟可靠性高，长期运行性能好所有燃料电池中功率密度最高较好的起停能力低操作温度使其更适应便携式应用。缺点材料在高温下运行会产生一系列问题密封问题电池部件制造成本高CO2必须再循环熔融碳酸盐电解质具有腐蚀性退化/寿命问题材料昂贵必须使用纯的H2和O2需周期性地更换KOH电解质必须从阳极及时除水电解质容易CO2中毒效率只有40%启动时间长铂催化剂昂贵对CO和S中毒敏感电解质是有腐蚀性的液体，运行时必须及时补充电解质采用昂贵的铂催化剂聚合物膜和辅助组件昂贵经常需要水管理非常差的CO和S容许度Source:蔡宁生,燃料电池发电技术基础,清华大学,2007部分燃料电池产品MTU250kWMCFCinMagdeburg

SiemensWestinghouse250kWSOFC863-燃料电池公共汽车我国第一辆PEMFC校园车Source：清华大学清洁能源研究与教育中心，新发电技术调查研究，2008

燃料电池本体关键技术SOFC燃料电池本体关键技术电解质研究阴极材料研究阳极材料研究连接体材料研究密封材料研究PEMFC燃料电池本体关键技术质子交换膜研究催化剂及其涂覆技术的研究MEA技术的研究水平衡和热平衡技术研究燃料电池发电系统关键技术以MCFC-燃气轮机联合系统为例燃料的处理问题联合发电系统中的相容性问题联合发电系统动态性能的研究大功率发电系统的设计和装配问题联合发电系统的协调控系统的开发部分MCFC燃料电池电厂美国FCE公司2004年前建成的33座MCFC发电装置；美国ERC公司2006年在旧金山建成的250kWMCFC电站；美国ERC公司2006年在加州SantaClara建成的2MWMCFC电站；日本三菱重工2002年在德国建造的250kWMCFC电站；日本1987年开发出的10kWMCFC发电装置；日本1993年开发出的100kW加压型MCFC发电装置；日本1998年建造的1MW先导型MCFC发电装置；意大利1996年在米兰投运的100kWMCFC电站；德国M-CRowerCorporation建造的MCFC电站；部分SOFC燃料电池电厂美国Westinghouse公司1998年前建成11套3~25kWSOFC发电系统；美国Westinghouse公司1999年建成2套100kW管式SOFC发电系统；德国SiemensWestinghouse公司2002年建成220kWSOFC-燃气轮机联合发电系统；德国SiemensWestinghouse公司2003年建成250kWSOFC示范电厂；德国SiemensWestinghouse公司2003年建成4座5kWSOFC电厂；日本三菱重工1991年成功示范1kWSOFC电池堆；日本三菱重工1993年成功示范新型1kWSOFC电池堆；日本三菱重工1998年示范10kWSOFC系统；日本三菱重工2001年成功示范10kW加压管式SOFC发电系统；日本JGU公司1995年支持示范的25kWSOFC发电装置；瑞士SulzerHexis公司2001年起400套1kW生物质SOFC发电系统；美国ZTEK公司1995年示范运行1kW平板式SOFC发电系统；美国ZTEK公司1998年示范运行25kW平板式SOFC发电系统；中国上海硅酸盐研究所示范的5kW平板式中温SOFC电厂；中国科学院过程工程所示范的列管式不密封无联接极SOFC发电系统。燃料电池发展的热潮上世纪90年代直到本世纪初，燃料电池得到政府、企业和科研所的大力支持，形成一股热潮。在97到98年间，各大汽车公司都宣布将在03到05年实现氢能燃料电池的产业化我国跟随着这个热潮，投入大量的人力和物力，进行研究，把氢能燃料电池奉为“最高理想”、“终极目标”十五863重点项目，投入十几个亿前几年，不少人提出氢能经济，把氢能比作是一个新的能源时代燃料电池发展的困难随着人们对燃料电池的认识加深，在研制过程中遇到大量的，在相当长时期内无法克服的困难，尤其是氢的制备，氢的运输，氢的车载，人们慢慢理性化起来，对它的“温度”也逐渐下降不久以前，作为燃料电池最热烈的鼓吹者——美国，在奥巴马上台以后，能源部长朱棣文宣布停止资助氢能燃料电池项目限制燃料电池发展的瓶颈氢气制备氢不是一次能源，而只是一个载能体，必须用其他方法制备氢，如电解、天然气制氢、煤制氢等。在氢能制备中消耗许多其他的能源，排放大量二氧化碳，从全生命周期来看，根本不是零排放能源有些人把氢燃料电池说成是“FromWaterToWater”，这是不正确的管道运输极易泄露、材料氢脆存储问题高压存储（300~600atm）——压缩能耗高，不安全液化存储（-253℃）——制冷能耗大限制燃料电池发展的瓶颈氢能基础设施根本不可能组成一个像加油站一样的网络燃料电池本身用铂作催化剂——铂在全世界资源有限价格——一辆燃料电池大巴的价格为150到200万美元燃料电池的寿命膜的制