燃料电池应用分析

燃料电池应用分析燃料电池应用范围燃料电池由于具有高效、环保等优点，能够广泛应用于能源发电、家用电源、汽车工业、航空航天、建筑及便携式燃料电池产品等领域。航天工业是燃料电池开发应用最早、最成功的领域。碱性燃料电池和质子交换膜电池都可以在常温下启动，且能量密度高，是理想的航天器工作电源。特别是采用氢作为原料时，工作时排出的水可供宇航员饮用，这样就不用携带饮用水。燃料电池在建筑方面的应用主要包括提供电能和提供冷热源，因此称建筑冷热电联产系统。即由位于建筑物现场或附近的燃料电池装置提供建筑所需要的电，回收利用发电装置产生的废热并转换成蒸气、热水、冷水等，为建筑供热、供冷。便携式燃料电池产品主要包括手机、数码相机等数码产品需要的微型燃料电池。由于技术和成本尚不成熟，最近几年微型燃料电池仍不会对以干电池和锂电池为代表的主流电池构成较大冲击，但由于它具有清洁环保、性能优越等优势，随着研制技术的不断提高，燃料电池也将朝着高容量和微型化方向发展，必将有着广泛的应用前景。能源发电、燃料电池汽车和便携式燃料电池是燃料电池最重要的三个用途，相对而言燃料电池汽车和便携式燃料电池发展较快，而能源发电则由于技术和成本因素在短时间内难以推广应用，下面就这三个主要用途简要介绍。一、燃料电池发电（一）燃料电池发电系统燃料电池发电系统通常由燃料处理系统、燃料电池电堆单元、直流电输出调节系统以及热管理系统等组成。电池需要的燃料是H，因此，天然气、CO、CH等燃料必须经重整后才能使用。重整气体（约含70%H，10%CO）进入燃料极，空气（约含20%O）由压缩机或鼓风机送人空气极。在电堆中进行电池反应，生成水并产生直流电。电池系统的电压由构成电堆的单电池数量确定。输出调节系统依据电池的用途将直流转换成交流电或输出直流电。在电池反应过程中还放出热量（其热值与电池工作温度相关），热管理系统将热量排出电堆外并予以利用。通常高温排热的利用途径较多，低温排热的利用技术正在开发研究中。反应生成的水经水处理装置处理后可作为纯净水利用，或作为燃料重整反应所需的反应物。燃料电池发电系统组成示意图（二）燃料电池发电与火力发电相比具有优势普遍认为燃料电池发电是未来最有吸引力的发电方法之一。燃料电池发电是直接将燃料的化学能通过电化学反应转换成电能，与常规火力发电装置比较，燃料电池具有发电效率高、污染小、占地小等突出优点。燃料电池发电与常规火力发电比较燃料电池发电火力发电AFCPAFCMCFCSOFC煤天然气重油效率/（%）45～6040～4545～6050～6036～3837～4138～40SO2排放量/（kg/mw·h）无无1.51.58.20.234.55NO2排放量/（kg/mw·h）无无0.040.043.21.83.2CH排放量/（kg/mw·h）无无无无0.150.135~51.27粉尘排放量/（kg/mw·h）无无0.160.140.365～0.6800.090.045~0.320适用规模/（MW）独立电源中型电站大、中型电站大、中型电站>100>100>100（三）燃料电池发电的经济性燃料电池发电的投资成本正在不断的降低，目前PEMFC的国外商业价格为1500美元/kW，PAFC的价格为3000美元/kW。燃料电池发电与常规的火电投资比较不能单考虑电源投资，还应将长距离输电、配电投资与厂用电、输电能耗和两种能源转换装置的效率考虑在内。如此来计算综合投资，大型的火电厂约为1.3~1.5万元/kW。发电消耗的燃料为燃料电池的2倍以上，按目前国内天然气最低市价计算，当发电时间超过70000h以后，用燃料电池发电将比用传统的热机发电更经济。在实际发电工程中还应考虑传统的热机发电占地面积大、环境污染重的问题。随着燃料电池发电技术的不断完善，造价将会不断的降低，特别是在规模化生产后，其造价将大幅度的下降，有理由相信，不久的将来这种发电方式会对传统热机发电构成挑战。将来的电网系统将是现有的大电厂和中小燃料电池共存的状态。因为大电网有其优越性的同时，也存在着缺点，如高电压长距离输电将有6%~8%的损失。而分散的中小型燃料电池电站可以在许多地点建立，可以减少送电损失（输气能量损失一般仅为3%），同时能为电网调峰做出贡献。中小型分散式电源将灵活地适应季节性和地域性的电力需求变化。（四）发达国家燃料电池发电的进展燃料电池发电技术是电力工业中的高新技术，已受到普遍重视。美国燃料电池发电技术的研究开发主要由美国能源部组织实施，其中一个重要的目的就是形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力。日本的东京电力公司、关西电力公司及其它公用事业单位是日本燃料电池开发及商业化的主要承担者和推动者，其目的也是为电力公司注入新的经济增长点以获得巨大的经济效益和社会效益。以美国为例，1997年，美国总统克林顿颁发了“改善气候行动计划”，燃料电池被确定为一项关键技术，联邦政府为此制定了一项“美国联邦燃料电池发展计划”，目的是通过燃料电池的商业化来减少温室气体排放量。在这项计划中，对每一个燃料电池的新用户资助1000美元/kW的优惠。结果，仅在1998年，就有42台200kWPAFC发电机组投入运行。美国政府鼓励在一些对环境敏感的地区建立燃料电池发电站。此外，政府已促使美国所有的军事基地安装200kW燃料电池发电机组。通过这些措施，加速燃料电池的商业化，并提高国家能源的安全性。美国政府投入巨资研究开发燃料电池发电技术的另一个目的，就是要保持美国在这一领域的领先地位。随着商业化过程不断深入，将逐步形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力，提供更多的就业机会。美国能源部的燃料电池发展计划如下：PAFC已商业化，不再投入资金进行研究开发。PAFC目前的发电效率为40％～45％(LHV)，热电联产的热效率为80％(LHV)。2010年，燃用天然气的250kW～200MWMCFC分散电源达到商业化，100MW以上MCFC的中心电站也进入商业化；2020年，100MW以上燃煤MCFC中心发电站进入商业化。MCFC技术目标是运行温度为650℃，发电效率达到60％(LHV)，组成联合循环的发电效率为70％(LHV)，热电联产的热效率达到85％(LHV)以上。目前已完成25kW和100kWSOFC现场试验，正在进行SOFC的商业化设计。预计2010年，250kW～20MW燃用天然气的SOFC以分布式电源形式进入商业化，100MW以上燃用天然气的SOFC以中心电站形式进入商业化；2020年，100MW及以上容量的燃煤SOFC以中心电站的形式进入商业化。SOFC技术目标是：运行温度为1000℃，发电效率达到62％(LHV)，组成联合循环的发电效率达到72％(LHV)，热电联产的热效率达到85％(LHV)以上，燃煤时发电效率可达到65％(LHV)，这一目标预计2010年完成。美国能源部(DOE)对美国潜在的燃料电池市场的预测认为：2010年，美国年需求燃料电池发电容量约2335～4075MW。现在美国的燃料电池年生产能力为60MW，商业化的价格为2000～3000美元/kW。若年生产能力达到100MW/a，商业化的价格可达到1000～1500美元/kW。若能达到2000～4000MW/a的生产能力，燃料电池的原材料费仅200～300美元/kW。那么燃料电池的价格则有可能达到900～1100美元/kW，此时可完全与常规的发电方式竞争。（五）我国燃料电池发电的进展我国将燃料电池用于发电还处于研究阶段，仅有试验装置问世，与美国等发达国家差距较大。2008年，我国首次完成大面积双极板熔融碳酸盐燃料电池堆发电试验。此项燃料电池发电技术研发课题由华能集团公司所属西安热工研究院承担，是华能集团“绿色煤电”关键技术研发项目中的一个子课题，其目标是设计研发并建成２～５千瓦高温燃料电池发电系统试验台和电池堆，内容包括熔融碳酸盐燃料电池的性能研究、燃料电池堆组装技术研究、高温燃料电池尾气余热利用等技术。试验结果表明，西安热工研究院自主设计的双极板结构合理，易于加工，能够满足５～１０千伏熔融碳酸盐燃料电池堆的设计要求。课题组已完成５千瓦熔融碳酸盐燃料电池发电系统的设计方案，正在进行５千瓦熔融碳酸盐燃料电池堆的研制工作。底，华南理工大学独立研发的300kw质子交换膜燃料电池示范电站启用。该发电厂彻底颠覆传统煤电模式，在热和电都得到充分利用的情况下，能量利用率可达90%。示范电站可以实现24小时运转，产生的电流直接输送到学校的380V低压电网上，满负荷运行时可满足电站附近的豪华准五星级酒店——华工国际学术中心正常运营。目前这一项目已得到华电、粤电的“青睐”，相关部门正在洽谈在大学城建设一个6000-10000千瓦燃料电池发电厂。二、燃料电池汽车（一）燃料电池汽车的构造燃料电池以其特有的燃料效率高、质量能量大、功率大、供电时间长、使用寿命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物NO2等优点正在引起世界各国的注意。与内燃机汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少99%，CO2的生成量减少75%，电池能量转换效率约为内燃机效率的2.5倍。这种电池将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一。近年来一些厂家，如戴姆勒-克莱斯勒、丰田、通用、本田、日产、福特等公司都开发了自己的燃料电池电动汽车(FCEV)。汽车界人士认为FCEV是汽车工业的一大革命，是21世纪真正的纯绿色环保车，是最具实际意义的环保车种。燃料电池车的动力系统与混和动力车大体相似，主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成，其中辅助动力为燃料电池。在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，其能量输出可以满足车辆要求，燃料电池动力系统不需要工作；电池电量低于60％时，燃料电池动力系统起动；当车辆能量需求较大时，燃料电池动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量；当车辆能量需求较小时，燃料电池动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。燃料电池汽车构造示意图（二）燃料电池汽车的优势1、发电效率很高燃料电池采用化学能直接转换电能的发电方式，而火力发电是将煤炭、石油燃烧产生的热能转换成为动能，然后再将动能转换成电能，使发电效率大打折扣。如：石油发电的综合能源利用效率不过35.3%，而氢燃料电池的最大发电效率可达82.9%，相当于石油发电效率的2.35倍。2、无送电损失燃料电池可在汽车上将燃料的化学能直接转换为电能，现场直接发电并向用电设备直接传送，所以不存在送电损失问题。而火力发电的远距离送变电损失则高达6%左右。3、环境负荷小燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽车能源。4、燃料类型广泛燃料电池发电时所用的燃料是氢和氧，其中氧可以从空气中直接获取，实际工作时所需燃料只有氢。制取氢所使用的燃料则是多样化的，如：天然气、甲醇、乙醇(酒精)、石油和煤炭等化石燃料。通过再生能源制氢（电解水制氢、太阳能电解制氢、生物制氢）形成循环利用系统，这种循环系统特别适用于边远地区，使系统建设成本和运行成本降低。由此可以降低人类对石油的依赖性，符合应对石油匮乏的全球能源战略。5、经济性好试验表明，氢燃料电池车辆的能耗经济性可达到传统汽油车的2~3倍，从节约能源的角度来看，燃料电池汽车明显优于用内燃机的普通汽车。（三）发达国家燃料电池汽车发展概况20世纪60年代和70年代，美国首先将燃料电池用于航天，作为航天飞机的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。世界各着名汽车公司相继投入较多的人力和物力，开展燃料电池电动汽车的开发研究。在北美，各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟，各公司分别承担相应的任务，生产以新的燃料电池作动力的汽车。美国通用汽车公司在美国能源部的资助下，推出了以质子交换膜燃料电池(PEMFC，也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池)和蓄电池并用提供动力的轿车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池，其燃料效率比内燃机提高1倍，而产生的污染则只有内燃机的5%。加拿大巴拉德(Ballard)汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中的世界先驱公司，自1983年以来，Ballard公司一直从事开发和制造燃料电池。1992年巴拉德公司在政府的支持下，为运输车研制了88kM的PEMFC动力系统，以PEMFC为动力做试验车进行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车，装备105kW级PEMFC燃料电池组，能载客20人，对于一般城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行480km。目前，Ballard燃料电池的体积功率已达到1kW/L的目标。在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池，且能和现用的汽(柴)油汽车一样方便地添加燃料。日本还在1981年开发了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，随后又研制了磷酸燃料电池(PAFC)，1992年又开发了比功率高、工作温度低、结构紧凑和安全可靠的PEMFC。在欧洲燃料电池的开发中德国的西门子和意大利的DeNo公司处于领先水平。德国奔驰公司和西门子公司合作于1996年推出了装有PEMFC的NECARll小客车。法国也开发出使用“运程”燃料电池的电动汽车“Fever”，它以低温储存的氢和空气作燃料，发电功率达20kW，电压为90V，且采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制，并把制动时产生的能量储存在蓄电池里，以备汽车起动或加速时使用。（四）我国燃料电池汽车发展概况在我国，燃料电池汽车是“十五”期间全国12个重大研究专项之一。其中，质子膜关键技术被列为山东省第一号科技攻关项目，取得了重大突破。辽宁新源动力股份有限公司承接国家“863”重大科研项目，研制了200kW、110kW、60kW、30kW、10kW、5kW燃料电池系统、燃料电池电站、便携式电源等产品。在“十一五”期间，我国继续加大对燃料电池汽车的研发投入，推动核心技术产业化。由清华大学和北京富源新技术开发总公司联合研制的我国第一辆质子交换膜燃料电池电动旅游观光车，展示了国内研制电动车的最新技术。与汽车工业发达国家相比，我国发展新能源汽车虽然起步不晚，但国内汽车企业关键技术并不先进，存在核心技术“卡壳”的瓶颈，使国产燃料电池汽车产业化面临诸多挑战。（五）燃料电池汽车发展趋势由于燃料电池汽车，尤其氢燃料电池汽车可以实现零污染排放，驱动系统几乎无噪音，且氢能取之不尽、用之不竭，使燃料电池汽车成为近年来汽车企业关注的焦点。为了获得竞争优势，各国纷纷出台政策，加速推进燃料电池关键技术的研发。预计到2010年，世界燃料电池汽车将发展到4万辆，其市场构成比例分别为：欧洲占40.5%，美国占38.0%，日本约占20.3%。从技术方面看，燃料电池的小型化、续航能力的提高、低温启动性、耐久性、氢燃料的回收以及降低成本将成为未来燃料电车汽车生产技术发展的方向。（1）燃料电池组的小型化对增大汽车的有效利用空间意义重大，是整车制造企业优先考虑的课题，也是汽车用户普遍关心的问题。影响燃料电池体积的技术指是“输出功率密度/体积（W/L）”。日本规定输出功率密度与体积之比达到2kW/L这一水平才能认定为小型化。（2）续驶里程。氢燃料电池汽车与纯电动汽车同样面临续航能力的课题，目标是使其具有象传统燃油汽车那样的便利性。国外最近成功研发了具有代表性的70MPa车载氢贮存装置，一次加注氢燃料后的续驶里程可达到830km。这标志着燃料电池汽车的续驶里程能够随着燃料电池汽车的发展同步提高。（3）低温启动性氢燃料。汽车的低温启动性能限制了汽车的应用范围，一直作为一个技术难题受到行业关注，并持续进行全力破解。可喜的是，目前国外已有少数企业突破了这一技术瓶颈，号称可在-30℃寒冷环境下的低温启动，并已经通过了试验与验证，但-40℃的低温启动目标尚未突破。（4）耐久性。燃料电池汽车的耐久性集中在燃料电池上。日本丰田汽车公司发表了燃料电池的膜-电极接合体（MEA：MembraneElectrodeAssembly）4阶段耐久性改善计划，在系统泄漏、触媒电极退化导致的电压下降等关键材料和技术方面分阶段提高，使系统的耐久性大幅改善。技术目标为：燃料电池系统性能下降至30%时的寿命提高至25年；系统性能下降至10%的寿命提高至15年。在防止燃料交叉泄漏方面也将实现突破性改善。影响燃料电池材料（MEA）使用寿命和性能的一个重要的关联要素是氢燃料的纯度。目前国际标准规定氢纯度为99.99%，并且对CO和硫磺成分的混入量提出了严格限制标准。上述不良成分对燃料电池的影响极大，然而高纯度氢的制取与氢生产成本互为矛盾，需要二者合理兼顾。所以，在氢燃料达标范围内提高燃料电池的使用寿命，便成了永久的课题。（5）氢燃料的回收。从降低氢燃料消耗的理念出发，燃料电池排出口的氢燃料回收再利用技术同样引起重视。为此，在氢燃料中保有适量非活性的氦气，也是氢燃料制取中需要考虑的课题。（6）降低成本。成本是推广燃料电池汽车的最大障碍。在取得电池组小型化、提高续驶里程、改善低温起动性能、满足耐久性使用要求的前提下，降低成本、实现产业化和商品化成为必须实现的目标。为实现续驶里程830km的目标，将贮氢罐的耐压能力由35MPa提高到70MPa，采用碳纤维材料制作耐高压贮氢罐将使成本大幅增加。除此之外，降低燃料电池的外围设备的成本也不可忽视。比如，研制高温、低温无需加湿条件也可运转的电池组；实现冷却系统、加湿装置等外围设备的简单化、低成本化等。日本提出，到2030年使燃料电池成本降低至目前的1/100；整车售价由目前的数千万日元降低到数百万日元。到2020年，使燃料电池汽车的售价与普通汽车价格相当。通过以上分析可以看出，以氢为动力的燃料电池汽车是最理想的新能源汽车，但面临的技术门槛和经济性障碍仍需要一定的时间才能逐一攻破。从目前的研发水平看来，世界级的领先企业和研究机构已经取得了研制新一代燃料电池汽车的技术途径，核心技术则聚焦在降低成本和提高寿命上，这些问题一旦得到解决，燃料电池汽车即可“破茧成蝶”，燃料电池公交车也将同时实现产业化。三、便携式燃料电池（一）国外便携式燃料电池发展概况直接甲醇燃料电池（DMFC）适合用作便携式燃料电池。DMFC属于PEMFC，都是采用聚合物阻隔膜，但是DMFC以液态甲醇为燃料，与氢燃料电池相比，DMFC在电池系统构造、燃料来源等诸多方面均有一定的优势。其阳极催化剂可以直接从液态甲醇中提取氢分子无需燃料重组器(Reformer)，所以高纯度甲醇可以直接用作电池的燃料。同时还能有效减少电池的尺寸，简化系统结构，因而更适合作为便携式电源用于民用工业和军事工业中，如可用于数码相机、移动电话、笔记本电脑中。DMFC尽管起步较晚，但近几年来发展迅速，日本仍处于领先地位。NEC、索尼、富士通、卡西欧、东芝、日立等厂家展开了激烈竞争。2003年3月，东芝公司宣布研制出世界上第一台甲醇燃料电池笔记本电脑样机。紧随其后NEC公司推出一款甲醇微燃料电池笔记本电脑样机。这种电脑在不充电情况下可以持续使用，用户只需更换甲醇燃料盒或用新的甲醇燃料填充即可向电脑持续供电。该机总重约900g、燃料容量为300mL的样机，连续工作5小时，最大输出功率达24W，输出电压为12V。最近东芝公司又展示了其最新DMFC的研究成果，在2008年国际消费电子展上，展示了集成到东芝一款gigabeat便携媒体播放器中的DMFC的参考模型，体现了东芝在DMFC方面的全球领先地位。DMFC原型一次充电可以在gigabeat上播放长达10小时的视频，并可在运行时补充燃料实现无限时设备运行。富士通研究所也试制出用于笔记本电脑的燃料电池，此次推出的试制品优势在于有希望使用高浓度甲醇溶液，该燃料电池最大输出功率15W，在使用300mL的甲醇溶液时，可驱动该公司笔记本电脑运行8~10小时。韩国在研究适用于便携产品的DMFC工作上也投入了大量的人力物力。三星公司于2006年12月展示了一台用DMFC供电的笔记本电脑样机，在一次性注入燃料后可实现持续工作1个月而不需充电。西方一些发达国家也在微型DMFC的理论研究和应用方面进行了卓有成效的工作。如德国的西门子公司，在1996年就报道了其在DMFC方面的研究，随后在1999年又做成了在低温低压下工作的DMFC电池，80℃时单电池电压仍是0.5V，输出功率达到50mV/cm2，并组成了输出功率达77W的电池组。德国SmartFuelCell公司于2003年8月推出了世界上第一个面向终端用户的商业化DMFC系统SFCA25，其平均输出功率25W，最大输出功率可达80W，尺寸为150mm×112mm×65mm，质量1.1kg。它携带的2.5L甲醇燃料罐可以满足系统在全功率下工作70~80h。美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室(LosAlamosNationalLaboratory，LANL)、加利福尼亚工学院喷气推进实验室(JetPropulsionLaboratory;JPL)也在积极从事DMFC的研究工作。富士通采用DFMC作燃料电池的笔记本电脑日立的PDA和使用的燃料电池（二）国内便携式燃料电池发展概况我国在DMFC研究方