燃料电池行业技术环境分析

燃料电池行业技术环境分析一、各种燃料电池的主要原理和特点（一）碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）碱性燃料电池是以碱性溶液为电解质，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，是最早获得应用的燃料电池，由于其电解质必须是碱性溶液，一般采用35%-45%的KOH或NaOH溶液作为电解质，因此而得名碱性燃料电池。该技术也是发展最快的一种燃料电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。在1973年的阿波罗登月飞船上成为其主电源。在AFC中，浓KOH溶液既当作电解液，又作为冷却剂。它起到从阴极到阳极传递OH-的作用，氢氧化钠和氢氧化钾溶液，以其成本低，易溶解，腐蚀性低，而成为首选电解质。AFC的组成和反应循环图AFC的催化剂主要用贵金属铂、钯、金、银和过渡金属镍、钴、锰等。电池的工作温度一般为80摄氏度，一些新型设计可以将其工作温度降低到23-70度，因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。AFC的优点是：（1）效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高；（2）因为是碱性介质，可以用非铂催化剂；（3）因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极板。AFC的缺点是：（1）因为电解质为碱性，易与CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去CO2，这给其在常规环境中应用带来很大的困难。（2）电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。（二）磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）磷酸燃料电池是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。可以在150～220℃工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易被CO毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。磷酸型燃料电池基本组成和反应原理PAFC的优点：作为一种中低温型燃料电池，不但具有发电效率高、清洁、适应多样燃料、无噪音、运转费低、设置场所限制少、大气压运转容易操作、安全性优良、部分负荷特性好等特点，而且还可以热水形式回收大部分热量。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。PAFC的缺点：电催化剂必须用贵金属；磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%-45%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。（三）熔融碳酸盐型燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell，MCFC）熔融碳酸盐型燃料电池是第二代燃料电池，由于其电解质是一种存在于偏铝酸锂（LiAlO2）陶瓷基膜里的熔融碱金属碳酸盐混合物而得其名。熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐，通常是锂和钾，或锂和钠金属碳酸盐的二元混合物。MCFC的优点：它是一种高温电池（600～700℃），电极反应活化能小，不论是氢的氧化还是氧的还原，都不需要高效催化剂，节省了贵金属的使用，降低了成本；可使用CO含量高的燃料气体，如煤气、天然气；电池排放的余热温度高达400℃，可以回收利用，总效率已可达90%以上；具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是未来的绿色电站。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。现已基本接近商品化生产，但由于其制备成本高而未能广泛应用。MCFC的缺点：高温以及电解质强的腐蚀性对电池各种材料的长期耐腐蚀性具有非常严格的要求，电池寿命受到一定限制；单体电池边缘的高温湿密封技术难度大，尤其是遭受腐蚀严重的阳极区；电池系统需要CO2循环，将阳极产生的CO2重新输送到阴极，增加了系统结构的复杂性。（四）固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的全固态化学发电装置。固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极组成。固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同。在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气、甲烷、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池)相比它有如下优点：1、广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构，无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；2、较高的电流密度和功率密度，是目前功率密度最高，燃料利用率最高的一类燃料电池；3、燃料适用范围广，可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；4、能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统；5、陶瓷电解质要求中、高温运行(600～1000℃)，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。这类电池最适合于分散和集中发电。SCFC的缺点主要是对陶瓷材料的要求高、组装相对困难、成本高，预热和冷却系统复杂，不容易建立。（五）质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）质子交换膜燃料电池，也叫固体聚合物燃料电池是一种低温燃料电池，由于其电解质是由质子（H+）导电聚合物构成而得其名。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。PEMFC是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池，具有如下优点：（1）其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高，其理论热效率可达85%-90%，目前的实际效率大约是内燃机的两倍；（2）发电时不产生污染，当采用纯氢为燃料时，PEMFC的唯一产物是水，可以做到零排放；（3）发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型便携电源和小型移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。质子交换膜燃料电池由于工作温度低（80℃左右）、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。不同燃料电池类型主要特征对比类型工作温度电解质能量转换效率所用燃料技术状态及应用AFC80℃碱性溶液40%以上纯H2高度发展，20世纪60年代已在航天中成功应用，可作为特殊地面应用。PAFC150～220℃浓磷酸40%-45%煤气、天然气、甲醇等高度发展，适用于特殊需求、区域性分散电站。MCFC600～700℃熔融碱金属碳酸盐混合物40%以上煤气、天然气、甲醇等适宜建区域性分散电站，正在进行现场实验，需延长寿命，才能有竞争力，实现商业化。SOFC600～1000℃陶瓷材料80％左右煤气、天然气、甲醇等适宜建造大、中型电站、分散电站，电池结构选择开发廉价制备技术。PEMFC80℃左右质子（H+）导电聚合物85%-90%纯H2、天然气高度发展，适用于分散电站、电动车、潜艇推动、各种可移动电源、家庭动力源。已有电动车样车，需降低成本，尽早实现产业化资料来源：世经未来整理二、行业技术未来发展趋势预测燃料电池技术虽然取得很大进步，但和现在成熟的内燃机技术及产业化要求相比还有很多工作要做，才能实现产业化，这也是未来行业技术的发展趋势。发展趋势主要表现为以下5个方面。1、适应性燃料电池汽车在不同气候(如高温或低温地区)、不同环境(如高海拔、沙尘大、空气质量差的地区)和不同交通情况(如频繁变动工况或频繁停启工况等)下的适应性将进一步提高。2、可靠性和耐久性目前燃料电池电堆仅有约2000h的寿命，内燃机的寿命一般是5000h以上。目前在北京示范的燃料电池公共汽车平均完好率为92%，而同期运营的柴油公共汽车平均完好率为99.16%，同时燃料电池公共汽车的故障率比传统车高，所以须进一步提高燃料电池汽车的可靠性和耐久性。3、总能量效率提高燃料电池汽车总能量效率的大量研究工作正在进行，如本田汽车公司、巴拉德公司于2006年已把燃料电池堆的工作温度从60～80℃提高至90～95℃，而更高工作温度的燃料电池正在开发。一旦高温膜(工作温度120℃以上)研发成功，燃料电池技术将会有根本性的突破。此外，各种制氢、储氢的新技术也在发展之中。4、成本降低燃料电池汽车成本的许多工作正在进行，如质子交换膜，目前价格是500～600美元/m2。2006年11月，丰田汽车公司开发的一种新型质子交换膜的目标价格是10美元/m2。这种膜基本性能已通过台架试验，试制成燃料电池后再进行试验。另一较贵的部件是铂催化层，为了降低铂的用量，采用纳米技术等的研究工作也在进行。此外，燃料电池早期研发时选用的零部件是当时已有的通用件，随着研究工作深入，现在已发展出各种专门技术公司及专用零部件公司，从而为提高可靠性和耐久性、改进性能和降低成本创造条件。5、基础设施基础设施配套建设匮乏也是产业化需要解决的问题。如加氢站，维修、配件供应等，它将会由点到线、到小区域示范和试用，再逐步扩大、延伸和推广，这