世界燃料电池技术的最新发展动态

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欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 【论文摘要】燃料电池具有组件性好、环保性能好、效率高、部分负荷时性能优异、功率范围广、响应速度快、燃料多样化、维修性好、使用方便等性能特点，非常适合作为移动式和分散式电源使用。它在使用氢能产生电能的过程中不产生任何污染物，而且氢是取之不尽的能源。随着世界矿物资源的逐渐枯竭和国际社会对自身环境的不断关注，人类迫切需要一种既环保又高效的可再生能源发电装置，来取代现有的矿物燃料发电设备和石化燃料动力设备。燃料电池作为氢能直接转化为电能的洁净发电装置，必将成为这种替代能源装置的最佳选择。它既是继蒸汽机、内燃机之后的第三代动力装置，又是继水力、火力、核能之后的第四代发电设备。燃料电池不仅可以为现代交通工具提供理想的动力源，消除对环境的污染，也可以对分散的小型发电装置，为数以亿计的用电设备和千百万家庭提供电能。因此，燃料电池技术是21世纪对人类生活具有最重大影响的十大技术之一。 燃料电池具有组件性好、环保性能好、效率高、部分负荷时性能优异、功率范围广、响应速度快、燃料多样化、维修性好、使用方便等性能特点，非常适合作为移动式和分散式电源使用。它在使用氢能产生电能的过程中不产生任何污染物，而且氢是取之不尽的能源。随着世界矿物资源的逐渐枯竭和国际社会对自身环境的不断关注，人类迫切需要一种既环保又高效的可再生能源发电装置，来取代现有的矿物燃料发电设备和石化燃料动力设备。燃料电池作为氢能直接转化为电能的洁净发电装置，必将成为这种替代能源装置的最佳选择。它既是继蒸汽机、内燃机之后的第三代动力装置，又是继水力、火力、核能之后的第四代发电设备。燃料电池不仅可以为现代交通工具提供理想的动力源，消除对环境的污染，也可以对分散的小型发电装置，为数以亿计的用电设备和千百万家庭提供电能。因此，燃料电池技术是21世纪对人类生活具有最重大影响的十大技术之一。 燃料电池的基本工作原理很简单，与普通电池相似。它是一种不经过燃烧而通过化学反应把富氢燃料的化学能直接转变成电能的发电装置。燃料电池的化学反应是放热反应，所以在产生电能的同时还产生了热能。普通电池的反应物质一般是难以补充的，反应物质消耗完了，电池也就寿终正寝了；燃料电池在电化学反应中所消耗掉的物质是不断补充的，从而可源源不断地产生电能，而无须进行充电。燃料电池所使用的氢可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及可再生能源。氧化剂一般用空气或纯氧气。因此一个燃料电池系统就相当于一个自动运行的小型发电厂，它高效且无污染地将贮存在燃料中的化学能转化为电能和热能。 第一代燃料电池是碱性电池，但由于其应用条件很苛刻，必须使用纯氢和纯氧作为还原剂和氧化剂，而且只要存在微量的二氧化碳就会使这种燃料电池的电解质变质。在这种燃料电池的基础上，开发出了第二代燃料电池——磷酸燃料电池。磷酸燃料电池是目前技术最成熟、商业化应用最广泛的燃料电池。磷酸燃料电池的缺点是，需要使用贵重的铂系金属做催化剂，还需要使用外部的燃料处理器来对燃料进行重整，以提高燃料的含氢量，这将会降低电池的效率，增加设备的成本和占地面积。20世纪70年代末开始开发第三代燃料电池—— 熔融碳酸盐燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池的工作温度较高，一般在600～700℃。在这样的温度下，燃料的重整可在电池内部进行，从而提高了效率，降低了成本。这种燃料电池可用在大大型发电厂。固体氧化物燃料电池是第四代燃料电池。它具有效率高、寿命长的优点，目前正处于千瓦级的试验阶段。20世纪80年代后期，汽车领域燃料电池的开发工作全面展开，90年代中期，各国汽车制造厂商开始逐步加快了燃料电池的商业化进程。质子交换膜燃料电池汽车是第五代燃料电池，也是近几年备受关注的新型燃料电池。这种电池的电解质采用高分子聚合物膜，构造简单，工作温度低，因而电池启动很快。这些得天独厚的优点，使其在为汽车等交通工具提供无污染动力源方面独占鳌头。 一、电力供应用燃料电池的发展动向 燃料带年齿由于具有能量转换效率高、污染小、用水少、占地小等突出优点，多年来一直成为替代传统发电厂设备的最佳选择。日本的富士电机、东芝、三菱电机等公司在政府支持下，自20世纪60年代开始，继美国之后大力研发燃料电池技术，运行中的磷酸燃料电池技术，运行中的磷酸燃料电池发电厂已超过100座，发电能力在30兆瓦以上。1996年美国利用熔融碳酸燃料电池技术，仅用了2个月的时间就建成了Santa Clara发电厂，并投入运行。该厂发电量达2兆瓦级，使用天然气和液化气作为燃料，发电效率达53.7%，单位造价为1700美元/千瓦，目前，美国、欧洲诸国和日本等国投入运行的磷酸燃料电池发电厂数以百计，其中容量最大的是东京电力公司的五井发电厂，容量达11兆瓦。 近几年利用燃料电池提供优质电力和热电联产的推广工作已取得很大进展。被推广使用典型燃料电池是系统可发电200千瓦、生产260千瓦的热能，温度为60℃，该典型设备的外形尺寸为3*5.5*3米。全世界目前已安装类似此种规格的设备200多台，这些设备尚处于初期发展阶段，有关的标准也正在制订之中。美国机械工程师学会、美国电气和电子工程学会以及美国国家标准学会等机构已在制订生产、标定、安装燃料电池系统的标准。 各国工业界人士普遍对于燃料电池在发电厂的应用前景看好。美国预计，到2017年美国30%的电能将由燃料电池提供。2001年全球燃料电池的发电能力为75兆瓦，未来10年中，全球燃料电池的发电能力将会上升到1.5万兆瓦。预计在今后若干年中，美国、德国和日本在燃料电池发电能力上将处于世界领先地位。 电力工业属技术和资金密集型行业，电能生产、输送、使用是在同一时间内完成的。传统的供电模式是，使用输变电网络把大型火电场、水电站、核电站与用户连接起来，把发电机产生的电能通过电网输送给用户的各种用电设备。这种以大机组、大电网、高电压为基础的保中供电电力系统，运行技术复杂，管理难度大，电网上任何一点的故障所产生的扰动都会在瞬间波及整个电网。尤其是在遭遇洪水、地震等自然灾害及战争浩劫时难以保证电力的持续稳定供应，甚至会造成电网的全面崩溃和大面积停电，给国民经济造成灾难性后果。科索沃战争中，美国用石墨炸弹破坏了南联盟的电力系统，从而破坏了南联盟的国民经济，给予南联盟致命一击。这就是电网集中供电存在致命弱点的最好例证。如何保证大电网的安全稳定运行，如何保证电力的连续生产和稳定供应已成为新世纪电力工业面临的重大课题。很明显，使用燃料电池，建设分散的燃料电池发电设施，形成分散电源供电系统，在自然灾害和战争破坏下具有任何其他系统无法比拟的可靠性。燃料电池由于具有无与伦比的诸多优越性，必将成为21世纪电力行业的主力军。 二、车用燃料电池的发展动向 1、广阔的发展前景 车用燃料电池所具有效率高、启动快、环保性好、响应速度快等优点使其当仁不让地成为21世纪汽车动力源的最佳选择，是取代汽车内燃机十分理想的解决方案。不久的将来，汽油机和柴油机只能退避三舍了。从燃料电池的发展势头看，汽车发动机的生产将会21世纪中叶终止。燃料电池汽车在最大优点是清洁、无污染，所推出的惟一废气物是水。在全球环境保护问题困扰人类的今天，燃料电池作为环保型汽车越来越受到人们的重视。世界各大汽车制造厂商都认为，近期内真正有可能取代传统汽车的清洁交通工具，只能是燃料电池汽车，“燃料电池就是汽车工业的未来”。近几年燃料电池汽车的发展势头大大超过了蓄电池电动汽车。随着大规模应用前景的显现，美国、欧洲和日本的汽车制造厂商都在加紧开发车用燃料电池技术，预计三四年后，燃料电池汽车将会进入批量生产阶段，并投放市场。 加拿大巴拉德公司计划到2005年前后逐渐将燃料电池的年产量提高到30万台。该公司2002年将增加公共汽车用燃料电池的生产，2003年将开始小批量生产轿车用燃料电池。日本于20世纪80年代初开始发展燃料电池，1996年丰田汽车公司研制成功了以氢为燃料的车用燃料电池，计划在2002年使这种燃料电池汽车实用化。美国通用汽车公司已经制定了在未来10年内大量发展燃料电池汽车的计划，该公司生产的汽车将逐步转向燃料电池汽车，最终全部淘汰内燃机汽车。其他主要汽车制造厂商也有类似计划。这将是世界汽车工业的又一次重大技术变革。 在燃料电池汽车技术的开发竞争中，各国政府纷纷制定相应的政策。美国能源部制定了氢能计划，提出要在2010年让燃料电池汽车的市场占有率达25%。日本经济产业省提出的发展目标是，在2010年前要把汽车用燃料电池的价格降到普通汽车发动机的水平，并且要首先从政府机关开始普及燃料电池汽车。冰岛政府计划最迟于2003年在首都地区使用燃料电池公共汽车，并在2030～2040年间在所有交通工具上推广使用燃料电池。 2、大量资金注入车用燃料电池研发工作 过去10年中西方汽车制造厂商大型在研究开发燃料电池技术上的投入高达100亿美元，其中80%用于开发车用燃料电池。未来5年西方国家在车用燃料电池领域的研发投入至少还将会增加40亿美元。自20世纪90年代起，一些发达国家的汽车制造厂商和石油、电力公司凭借强大的研发能力和雄厚的资金实力，在政府的大力支持下，迅速推进了燃料电池的研发工作，质子交换膜燃料电池的研发工作更是取得了突破性的进展。戴姆斯—奔驰、大众、通用、福特、丰田、日产等世界主要汽车制造厂商纷纷致力于这种燃料电池的研发工作。1997年，奔驰中投资2亿加元与加拿大巴拉德公司合资开发燃料电池。1998年，福特汽车公司斥资4.2亿美元加入了巴拉德—奔驰联盟，组建了质子交换膜燃料电池公司。美国等国的风险投资基金也将大量资金投入车用燃料电池的研发。面对质子交换膜燃料电池和电动汽车的研制热潮，世界大型电力公司和石油公司也不甘落后，相继加入燃料电池研发行列。1999年，世界著名的石油公司——壳牌公司设立了“壳牌氢气公司”，专门研制车用氢气发生器及储氢容器。 3、困扰车用燃料电池推广的成本问题 目前，阻碍燃料电池商业化的主要问题是燃料电池的高成本问题。虽然燃料电池发电成本已大幅度地下降，但每千瓦电的发电成本仍然非常高，难与汽车发动机相抗衡。目前，聚合薄膜的价格也很昂贵。造成成本居高不下的主要原因是，燃料电池还没有实现大批量生产。随着燃料电池在汽车工业的大规模推广，价格必然也会进一步大幅度下降。加拿大巴拉德公司拟将该公司研制的“马克900”型燃料电池的价格降低41%。巴拉德公司动用了一大笔资金来开发批量生产技术，这项举措得到了戴姆斯勒和福特的大力资助。巴拉德公司生产的质子交换膜燃料电池，目前每千瓦的制造成本超过2000美元。该公司需要将成本降到每千瓦50多美元的水平，才能赢得汽车制造厂商的垂青。汽车是燃料电池最大的潜在用户，如果把80千瓦功率的车用燃料电池的价格降到能与价格为3500美元的汽油机相抗衡，燃料电池汽车就能占领汽车市场。尽管生产燃料电池需要付出艰苦的努力，然而其潜在的市场之大（全世界的汽车总产量大约为5700万辆/年），足以让汽车制造厂商垂涎三尺。以每台发动机价值3500美元计算，每年将有近2000亿美元的车用燃料电池的潜在市场销售额，这一数值将超过所有其他用途燃料用途燃料电池市场销售额的总和。 4、车用燃料电池的燃料多样化 燃料电池是以氢气和氧气为原料，利用它们在高温下发生化学反应产生电能的原理制成的装置。燃料电池所需的氧气可以从空气中获得，较大的技术难点在于怎样获得所需的燃料——氢气。燃料电池汽车将以多快的速度在全世界普及，取决于所使用的氢燃料的类型。理想的解决方案是使用纯净的氢气，但是这将需要很大的存储空间，并且要以很大的成本在世界各地建立一套新的燃料供应系统。另一种解决方案是，使用普通汽油或者甲烷等燃料，通过燃料处理器使它们产生氢气。这种方案的优点是，可以利用原有的汽油供应系统而无须兴建新的燃料供应基础设施。 为此，作为燃料电池汽车技术开发竞争两大集团之一的丰田和通用集团所采用的方式是，从一种名为清洁碳氢化合物燃料的新型汽油中制取氢。采用这种制氢方式的燃料电池，其优点是硫磺含量少，既清洁，又可延长燃料电池自身的寿命，并且便于维修。由于使用汽油，现有的汽油加油站仍可得到充分使用，并可节省巨额基础设施建设投资，安全性也有保证。该技术还能够被现有的汽油发动机所用。美国埃克森—莫比尔石油公司已与通用和丰田公司应开发采用这种制氢方式的燃料电池达成协议，并计划在2003年将其推向市场。作为另一大燃料电池汽车技术开发竞争集团的戴姆斯—克莱斯勒、福特及三菱汽车公司则以天然气为原料制取氢气。这是因为欧洲有着发达的天然气供应网，可以大大降低基础设施的投资成本。日本经济产业省认为，丰田和通用公司采用的从新型汽油中制取氢气的方法具有现实性，并建议由日本、美国、欧洲等国家联合制定有关燃料电池汽车的国家标准。 欧洲已有五家汽车厂商对研发燃料电池汽车进行投资。奔驰公司已试验了多种燃料，它希望赶在美、日的前面将燃料电池汽车投放市场，目前已有公交型和小型商用燃料电池汽车进入半商业性试验。法国的雷诺公司已研制成功长距离燃料电池汽车。这种汽车靠低温下的液态氢来产生电力，可持续行驶500千米。 德国、美国等国已开始着手解决汽车的氢燃料供应问题。1999年5月，德国人在慕尼黑国际机场建成了世界上第一个加氢站，使用液氢燃料的改装宝马车来到这座加氢站，只需大约3分钟就可将储氢罐加满，每加一次液氢可行驶300千米。宝马公司对氢能汽车非常有信心，计划到2005年在欧洲各国的首都都建立一个加氢站，到2010年在欧洲形成一个加氢站网络。宝马公司的目标是，2020年在欧洲出售的宝马汽车中，有三分之一使用燃料电池作为动力源。美国也不甘落后，1999年8月福特汽车公司在美国底特律也开设了一个加氢站。 5、不同类型的燃料电池汽车 加拿大的巴拉德公司成功研制出了包括250千瓦在内的系列质子交换膜燃料电池，并将质子交换膜燃料电池装配到有关汽车公司的氢能汽车上，从而使质子交换膜燃料电池在氢能开发利用中一展身手，引起了国际社会的极大关注。该公司1994年研制出的可载75人的质子交换膜交换膜燃料电池型电动客车，一次添加燃料可连续行驶400多千米。巴拉德公司在车用燃料电池方面拥有专长，不久前该公司签定了一项合同，为10座欧洲城市中的30辆公交汽车提供燃料电池。至今，燃料电池公交车在发达国家的一些城市已试运行好几年，总行驶里程达几十万千米。 在2001年月举办低特律汽车展上，通用、福特、戴姆勒—克莱斯、本田、丰田等汽车制造厂商均推出了以燃料电池为动力源的大功率电动汽车。这种汽车将在2003年或2004年投放市场。通用汽车公司在此次汽车展中推出的5辆燃料电池概念车，更换一次燃料可行驶800千米，最高时速达190千米。在2000年悉尼奥运会的赛场上，通用汽车公司的“氢动一号”燃料电池汽车曾作为马拉松比赛的开道车进行了现场展示。 现在，巴拉德公司与奔驰、福特等公司已着手在加拿大的温哥华、多伦多等地兴建年产20万台质子交换膜燃料电池的企业。这标志着这种燃料电池的利用已走出实验室，开始进入产业化的阶段。据预测，到2003年，使用燃料电池的公共汽车将投入商业运行，到2005年，使用燃料电池的轿车也将进入商业运行阶段。 三、家用燃料电池的发展方向 近年来燃料电池技术出现了新的突破，各大公司对家用燃料电池的开发产生了极大兴趣。目前正在开发用于为居民供电的低成本质子交换膜燃料电池系统和只需要简单燃料处理的固体氧化物燃料电池系统。但是，家用燃料电池目前仍然不适合大批量上市，主要原因是家用燃料电池发电装置的价格依然过高。目前，一台家用燃料电池发电装置的价格大约为1万美元，预计到2005年左右家用燃料电池发电系统的价格可降到5000美元以下 。许多公司正在投入资金，对家用燃料电池进行进一步研究，力图在成本和性能上有更大突破。家用燃料电池一般都是质子交换膜燃料电池。这种燃料电池是一种快速启动电池，在相当低的温度时就可以发电，而且不会产生有毒和腐蚀性的物质，使用安全可靠。 最近，美国纽约的Plug Power公司成功地演示了一种利用天然气的燃料电池系统，向燃料电池家用化的目标迈出了重要一步。这种燃料电池系统是质子交换膜燃料系统。它包括燃料电池仓、电力稳定器以及燃料处理器。利用天然气是燃料电池技术的突破，这为美国的7000多万个家庭展示了用天然气供电的美好前景。这些家庭目前已经在使用天然气做饭和取暖。天然气的成本相对较低，用其作燃料，利用高效燃料电池发电，可使用户的电费开支减少20%。美国的Avist Labs公司也在开发家用燃料电池发电装置。它所开发的燃料电池发电装置，功率为4千瓦，完全可以满足一个家庭对电能的全部需求。 在日本，供家庭使用的燃料电池已经投放市场。三洋电机公司也研制成功了家用小型燃料电池，其输出功率为1000瓦，投放市场后颇受用户欢迎。这种燃料电池也是质子交换膜燃料电池，采用氟树脂类高分子膜。与磷酸燃料电池相比，这种燃料电池在电解质处于低温时也能有效使用，而且启动时间短，适合家庭使用，也可作为商店的应急备用电源，作为户外作业的移动电源使用使用也很方便。随着家庭燃料电池的商业化推广，其成本价格还会迅速降低，燃料电池民用市场的前景也将十分广阔。 四、微型燃料电池的发展动向 微型燃料电池主要用于需要小功率和长时间运行的地方。摩托罗拉公司等移动通信公司是推动这一研究项目的急先锋。摩托罗拉等公司拟把甲醇燃料电池技术推向市场。近年来手机普及加快，全世界使用手机数以亿计。每部手机都需要靠电池供电，如果能用燃料电池取代普通带年齿，就会形成一个惊人的微型燃料电池市场，燃料电池制造厂商对这一巨大市场早已虎视耽耽。 美国曼哈顿科学公司正在致力于开发可在所有便携式电器上使用的微型燃料电池。这种微型燃料电池既可以为设备长时间供电，又可以减少对环境的危害。它的电能容量令普通电池望尘莫及，它可使一部手机的待机时间达6个月之久。相比之下，采用锂电池的手机，待机时间保持两个星期已属不易。此外，这种燃料电池可保证维持长达一周之久的持续通话时间，而一般那锂电池至多可保证持续通话5个小时。两者电能容量上的差距非同一般。 目前因特网正向移动式终端方向发展，网民不仅可以用办公室和家中的电脑上网，而且可以在移动状态下通过手机、掌上电脑、手提电脑进入网络世界。今后的发展趋势是利用手提电脑或手机等设备在因特网上漫游，通过移动通信中的新的传输技术，人们可以昼夜同因特网联网。上述便携设备的使用无疑都离不开微型便携式电源。这些便携式电器对电源的要求很苛刻，不仅要求重量轻、体积小，而且要求容量大、供电质量高，以确保设备持续、稳定工作。普通电池虽然在性能方面不断改进，但就目前发展状况而言，仍然难以担当此任。经过研究人员多年的研究，适用于这些设备的微型燃料电池应运而生。这种微型燃料电池能够提供高容量的电能，而且可以随时补充。当储存在金属管中的氢消耗殆尽时，可以马上更换新金属管，为燃料电池补充燃料。德国弗劳恩霍夫协会太阳能研究所在质子交换膜燃料电池的基础上推出的微型燃料电池电源，其功率为20瓦，为手提电脑供电的持续时间相当钾电池的2～3倍。 五、生物燃料电池的发展方向 最近，燃料电池技术又有了新的突破，英国科学家研制成功了生物燃料电池。一般燃料电池都用贵金属作为催化剂。这类催化剂都是稀有金属，因而价格昂贵。这一状况严重妨碍了大功率燃料电池和大型燃料电池的推广，对大型燃料电池发电厂的发展有着很大的负面影响。不久以前，英国肯特大学和牛津大学的科学家们合作，从细菌细胞中提炼出一种叫做甲醇脱氢酶的生物催化剂。这种酶能够加速氢气的释放，从而加快电子数目大大增加。在酶催化剂的作用下，刚刚问世的生物燃料电池显示出功率大、体积小、效率高、成本低等突出优点。其能量转化效率高达60%～70%。生物燃料电池发展前途广阔，其实用化和商业化问题正处于进一步研究之中。 21世纪，氢能将灰取代煤、石油、天然气等矿物能源，人类将告别矿物能源时代，步入氢能时代。燃料电池作为把氢能直接转化为电能的洁净发电装置即将大规模全面进入社会的各个领域。 当然，人类在氢能利用方面还有不少问题需要解决，但是燃料电池大显身手，进入寻常百姓家的日子已为期不远。本世纪的头十年，将是燃料电池发电技术商品化和产业化的重要阶段，在提高技术实用性和降低生产成本方面都将取得重大突破。燃料电池的普遍推广使用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命。不久的将来。分散的燃料电池发电厂供电模式必将取代大机组、大电网、高电压的传统供电模式，人们将生活在无须担心大面积断电的时代。居民只需购买一台家用交换膜燃料电池，在自己家里就可自行发电，而且可通过接入器与外电网联接起来，调节电力供应。自产电力不足时，可从外电网购入电力；自产电力过剩时，则可向外电网出售电力。出行时，人们可以驾驶燃料电池汽车，而不必担心会给生存环境造成污染；在家时，人们又可以把燃料电池汽车当成一部发电机，为家庭提供所需的电能。一个“氢能经济”的时代即将到来。 燃料电池具有组件性好、环保性能好、效率高、部分负荷时性能优异、功率范围广、响应速度快、燃料多样化、维修性好、使用方便等性能特点，非常适合作为移动式和分散式电源使用。它在使用氢能产生电能的过程中不产生任何污染物，而且氢是取之不尽的能源。随着世界矿物资源的逐渐枯竭和国际社会对自身环境的不断关注，人类迫切需要一种既环保又高效的可再生能源发电装置，来取代现有的矿物燃料发电设备和石化燃料动力设备。燃料电池作为氢能直接转化为电能的洁净发电装置，必将成为这种替代能源装置的最佳选择。它既是继蒸汽机、内燃机之后的第三代动力装置，又是继水力、火力、核能之后的第四代发电设备。燃料电池不仅可以为现代交通工具提供理想的动力源，消除对环境的污染，也可以对分散的小型发电装置，为数以亿计的用电设备和千百万家庭提供电能。因此，燃料电池技术是21世纪对人类生活具有最重大影响的十大技术之一。 燃料电池的基本工作原理很简单，与普通电池相似。它是一种不经过燃烧而通过化学反应把富氢燃料的化学能直接转变成电能的发电装置。燃料电池的化学反应是放热反应，所以在产生电能的同时还产生了热能。普通电池的反应物质一般是难以补充的，反应物质消耗完了，电池也就寿终正寝了；燃料电池在电化学反应中所消耗掉的物质是不断补充的，从而可源源不断地产生电能，而无须进行充电。燃料电池所使用的氢可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及可再生能源。氧化剂一般用空气或纯氧气。因此一个燃料电池系统就相当于一个自动运行的小型发电厂，它高效且无污染地将贮存在燃料中的化学能转化为电能和热能。 第一代燃料电池是碱性电池，但由于其应用条件很苛刻，必须使用纯氢和纯氧作为还原剂和氧化剂，而且只要存在微量的二氧化碳就会使这种燃料电池的电解质变质。在这种燃料电池的基础上，开发出了第二代燃料电池——磷酸燃料电池。磷酸燃料电池是目前技术最成熟、商业化应用最广泛的燃料电池。磷酸燃料电池的缺点是，需要使用贵重的铂系金属做催化剂，还需要使用外部的燃料处理器来对燃料进行重整，以提高燃料的含氢量，这将会降低电池的效率，增加设备的成本和占地面积。20世纪70年代末开始开发第三代燃料电池—— 熔融碳酸盐燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池的工作温度较高，一般在600～700℃。在这样的温度下，燃料的重整可在电池内部进行，从而提高了效率，降低了成本。这种燃料电池可用在大大型发电厂。固体氧化物燃料电池是第四代燃料电池。它具有效率高、寿命长的优点，目前正处于千瓦级的试验阶段。20世纪80年代后期，汽车领域燃料电池的开发工作全面展开，90年代中期，各国汽车制造厂商开始逐步加快了燃料电池的商业化进程。质子交换膜燃料电池汽车是第五代燃料电池，也是近几年备受关注的新型燃料电池。这种电池的电解质采用高分子聚合物膜，构造简单，工作温度低，因而电池启动很快。这些得天独厚的优点，使其在为汽车等交通工具提供无污染动力源方面独占鳌头。 一、电力供应用燃料电池的发展动向 燃料带年齿由于具有能量转换效率高、污染小、用水少、占地小等突出优点，多年来一直成为替代传统发电厂设备的最佳选择。日本的富士电机、东芝、三菱电机等公司在政府支持下，自20世纪60年代开始，继美国之后大力研发燃料电池技术，运行中的磷酸燃料电池技术，运行中的磷酸燃料电池发电厂已超过100座，发电能力在30兆瓦以上。1996年美国利用熔融碳酸燃料电池技术，仅用了2个月的时间就建成了Santa Clara发电厂，并投入运行。该厂发电量达2兆瓦级，使用天然气和液化气作为燃料，发电效率达53.7%，单位造价为1700美元/千瓦，目前，美国、欧洲诸国和日本等国投入运行的磷酸燃料电池发电厂数以百计，其中容量最大的是东京电力公司的五井发电厂，容量达11兆瓦。 近几年利用燃料电池提供优质电力和热电联产的推广工作已取得很大进展。被推广使用典型燃料电池是系统可发电200千瓦、生产260千瓦的热能，温度为60℃，该典型设备的外形尺寸为3*5.5*3米。全世界目前已安装类似此种规格的设备200多台，这些设备尚处于初期发展阶段，有关的标准也正在制订之中。美国机械工程师学会、美国电气和电子工程学会以及美国国家标准学会等机构已在制订生产、标定、安装燃料电池系统的标准。 各国工业界人士普遍对于燃料电池在发电厂的应用前景看好。美国预计，到2017年美国30%的电能将由燃料电池提供。2001年全球燃料电池的发电能力为75兆瓦，未来10年中，全球燃料电池的发电能力将会上升到1.5万兆瓦。预计在今后若干年中，美国、德国和日本在燃料电池发电能力上将处于世界领先地位。 电力工业属技术和资金密集型行业，电能生产、输送、使用是在同一时间内完成的。传统的供电模式是，使用输变电网络把大型火电场、水电站、核电站与用户连接起来，把发电机产生的电能通过电网输送给用户的各种用电设备。这种以大机组、大电网、高电压为基础的保中供电电力系统，运行技术复杂，管理难度大，电网上任何一点的故障所产生的扰动都会在瞬间波及整个电网。尤其是在遭遇洪水、地震等自然灾害及战争浩劫时难以保证电力的持续稳定供应，甚至会造成电网的全面崩溃和大面积停电，给国民经济造成灾难性后果。科索沃战争中，美国用石墨炸弹破坏了南联盟的电力系统，从而破坏了南联盟的国民经济，给予南联盟致命一击。这就是电网集中供电存在致命弱点的最好例证。如何保证大电网的安全稳定运行，如何保证电力的连续生产和稳定供应已成为新世纪电力工业面临的重大课题。很明显，使用燃料电池，建设分散的燃料电池发电设施，形成分散电源供电系统，在自然灾害和战争破坏下具有任何其他系统无法比拟的可靠性。燃料电池由于具有无与伦比的诸多优越性，必将成为21世纪电力行业的主力军。 二、车用燃料电池的发展动向 1、广阔的发展前景 车用燃料电池所具有效率高、启动快、环保性好、响应速度快等优点使其当仁不让地成为21世纪汽车动力源的最佳选择，是取代汽车内燃机十分理想的解决方案。不久的将来，汽油机和柴油机只能退避三舍了。从燃料电池的发展势头看，汽车发动机的生产将会21世纪中叶终止。燃料电池汽车在最大优点是清洁、无污染，所推出的惟一废气物是水。在全球环境保护问题困扰人类的今天，燃料电池作为环保型汽车越来越受到人们的重视。世界各大汽车制造厂商都认为，近期内真正有可能取代传统汽车的清洁交通工具，只能是燃料电池汽车，“燃料电池就是汽车工业的未来”。近几年燃料电池汽车的发展势头大大超过了蓄电池电动汽车。随着大规模应用前景的显现，美国、欧洲和日本的汽车制造厂商都在加紧开发车用燃料电池技术，预计三四年后，燃料电池汽车将会进入批量生产阶段，并投放市场。 加拿大巴拉德公司计划到2005年前后逐渐将燃料电池的年产量提高到30万台。该公司2002年将增加公共汽车用燃料电池的生产，2003年将开始小批量生产轿车用燃料电池。日本于20世纪80年代初开始发展燃料电池，1996年丰田汽车公司研制成功了以氢为燃料的车用燃料电池，计划在2002年使这种燃料电池汽车实用化。美国通用汽车公司已经制定了在未来10年内大量发展燃料电池汽车的计划，该公司生产的汽车将逐步转向燃料电池汽车，最终全部淘汰内燃机汽车。其他主要汽车制造厂商也有类似计划。这将是世界汽车工业的又一次重大技术变革。 在燃料电池汽车技术的开发竞争中，各国政府纷纷制定相应的政策。美国能源部制定了氢能计划，提出要在2010年让燃料电池汽车的市场占有率达25%。日本经济产业省提出的发展目标是，在2010年前要把汽车用燃料电池的价格降到普通汽车发动机的水平，并且要首先从政府机关开始普及燃料电池汽车。冰岛政府计划最迟于2003年在首都地区使用燃料电池公共汽车，并在2030～2040年间在所有交通工具上推广使用燃料电池。 2、大量资金注入车用燃料电池研发工作 过去10年中西方汽车制造厂商大型在研究开发燃料电池技术上的投入高达100亿美元，其中80%用于开发车用燃料电池。未来5年西方国家在车用燃料电池领域的研发投入至少还将会增加40亿美元。自20世纪90年代起，一些发达国家的汽车制造厂商和石油、电力公司凭借强大的研发能力和雄厚的资金实力，在政府的大力支持下，迅速推进了燃料电池的研发工作，质子交换膜燃料电池的研发工作更是取得了突破性的进展。戴姆斯—奔驰、大众、通用、福特、丰田、日产等世界主要汽车制造厂商纷纷致力于这种燃料电池的研发工作。1997年，奔驰中投资2亿加元与加拿大巴拉德公司合资开发燃料电池。1998年，福特汽车公司斥资4.2亿美元加入了巴拉德—奔驰联盟，组建了质子交换膜燃料电池公司。美国等国的风险投资基金也将大量资金投入车用燃料电池的研发。面对质子交换膜燃料电池和电动汽车的研制热潮，世界大型电力公司和石油公司也不甘落后，相继加入燃料电池研发行列。1999年，世界著名的石油公司——壳牌公司设立了“壳牌氢气公司”，专门研制车用氢气发生器及储氢容器。 3、困扰车用燃料电池推广的成本问题 目前，阻碍燃料电池商业化的主要问题是燃料电池的高成本问题。虽然燃料电池发电成本已大幅度地下降，但每千瓦电的发电成本仍然非常高，难与汽车发动机相抗衡。目前，聚合薄膜的价格也很昂贵。造成成本居高不下的主要原因是，燃料电池还没有实现大批量生产。随着燃料电池在汽车工业的大规模推广，价格必然也会进一步大幅度下降。加拿大巴拉德公司拟将该公司研制的“马克900”型燃料电池的价格降低41%。巴拉德公司动用了一大笔资金来开发批量生产技术，这项举措得到了戴姆斯勒和福特的大力资助。巴拉德公司生产的质子交换膜燃料电池，目前每千瓦的制造成本超过2000美元。该公司需要将成本降到每千瓦50多美元的水平，才能赢得汽车制造厂商的垂青。汽车是燃料电池最大的潜在用户，如果把80千瓦功率的车用燃料电池的价格降到能与价格为3500美元的汽油机相抗衡，燃料电池汽车就能占领汽车市场。尽管生产燃料电池需要付出艰苦的努力，然而其潜在的市场之大（全世界的汽车总产量大约为5700万辆/年），足以让汽车制造厂商垂涎三尺。以每台发动机价值3500美元计算，每年将有近2000亿美元的车用燃料电池的潜在市场销售额，这一数值将超过所有其他用途燃料用途燃料电池市场销售额的总和。 4、车用燃料电池的燃料多样化 燃料电池是以氢气和氧气为原料，利用它们在高温下发生化学反应产生电能的原理制成的装置。燃料电池所需的氧气可以从空气中获得，较大的技术难点在于怎样获得所需的燃料——氢气。燃料电池汽车将以多快的速度在全世界普及，取决于所使用的氢燃料的类型。理想的解决方案是使用纯净的氢气，但是这将需要很大的存储空间，并且要以很大的成本在世界各地建立一套新的燃料供应系统。另一种解决方案是，使用普通汽油或者甲烷等燃料，通过燃料处理器使它们产生氢气。这种方案的优点是，可以利用原有的汽油供应系统而无须兴建新的燃料供应基础设施。 为此，作为燃料电池汽车技术开发竞争两大集团之一的丰田和通用集团所采用的方式是，从一种名为清洁碳氢化合物燃料的新型汽油中制取氢。采用这种制氢方式的燃料电池，其优点是硫磺含量少，既清洁，又可延长燃料电池自身的寿命，并且便于维修。由于使用汽油，现有的汽油加油站仍可得到充分使用，并可节省巨额基础设施建设投资，安全性也有保证。该技术还能够被现有的汽油发动机所用。美国埃克森—莫比尔石油公司已与通用和丰田公司应开发采用这种制氢方式的燃料电池达成协议，并计划在2003年将其推向市场。作为另一大燃料电池汽车技术开发竞争集团的戴姆斯—克莱斯勒、福特及三菱汽车公司则以天然气为原料制取氢气。这是因为欧洲有着发达的天然气供应网，可以大大降低基础设施的投资成本。日本经济产业省认为，丰田和通用公司采用的从新型汽油中制取氢气的方法具有现实性，并建议由日本、美国、欧洲等国家联合制定有关燃料电池汽车的国家标准。 欧洲已有五家汽车厂商对研发燃料电池汽车进行投资。奔驰公司已试验了多种燃料，它希望赶在美、日的前面将燃料电池汽车投放市场，目前已有公交型和小型商用燃料电池汽车进入半商业性试验。法国的雷诺公司已研制成功长距离燃料电池汽车。这种汽车靠低温下的液态氢来产生电力，可持续行驶500千米。 德国、美国等国已开始着手解决汽车的氢燃料供应问题。1999年5月，德国人在慕尼黑国际机场建成了世界上第一个加氢站，使用液氢燃料的改装宝马车来到这座加氢站，只需大约3分钟就可将储氢罐加满，每加一次液氢可行驶300千米。宝马公司对氢能汽车非常有信心，计划到2005年在欧洲各国的首都都建立一个加氢站，到2010年在欧洲形成一个加氢站网络。宝马公司的目标是，2020年在欧洲出售的宝马汽车中，有三分之一使用燃料电池作为动力源。美国也不甘落后，1999年8月福特汽车公司在美国底特律也开设了一个加氢站。 5、不同类型的燃料电池汽车 加拿大的巴拉德公司成功研制出了包括250千瓦在内的系列质子交换膜燃料电池，并将质子交换膜燃料电池装配到有关汽车公司的氢能汽车上，从而使质子交换膜燃料电池在氢能开发利用中一展身手，引起了国际社会的极大关注。该公司1994年研制出的可载75人的质子交换膜交换膜燃料电池型电动客车，一次添加燃料可连续行驶400多千米。巴拉德公司在车用燃料电池方面拥有专长，不久前该公司签定了一项合同，为10座欧洲城市中的30辆公交汽车提供燃料电池。至今，燃料电池公交车在发达国家的一些城市已试运行好几年，总行驶里程达几十万千米。 在2001年月举办低特律汽车展上，通用、福特、戴姆勒—克莱斯、本田、丰田等汽车制造厂商均推出了以燃料电池为动力源的大功率电动汽车。这种汽车将在2003年或2004年投放市场。通用汽车公司在此次汽车展中推出的5辆燃料电池概念车，更换一次燃料可行驶800千米，最高时速达190千米。在2000年悉尼奥运会的赛场上，通用汽车公司的“氢动一号”燃料电池汽车曾作为马拉松比赛的开道车进行了现场展示。 现在，巴拉德公司与奔驰、福特等公司已着手在加拿大的温哥华、多伦多等地兴建年产20万台质子交换膜燃料电池的企业。这标志着这种燃料电池的利用已走出实验室，开始进入产业化的阶段。据预测，到2003年，使用燃料电池的公共汽车将投入商业运行，到2005年，使用燃料电池的轿车也将进入商业运行阶段。 三、家用燃料电池的发展方向 近年来燃料电池技术出现了新的突破，各大公司对家用燃料电池的开发产生了极大兴趣。目前正在开发用于为居民供电的低成本质子交换膜燃料电池系统和只需要简单燃料处理的固体氧化物燃料电池系统。但是，家用燃料电池目前仍然不适合大批量上市，主要原因是家用燃料电池发电装置的价格依然过高。目前，一台家用燃料电池发电装置的价格大约为1万美元，预计到2005年左右家用燃料电池发电系统的价格可降到5000美元以下 。许多公司正在投入资金，对家用燃料电池进行进一步研究，力图在成本和性能上有更大突破。家用燃料电池一般都是质子交换膜燃料电池。这种燃料电池是一种快速启动电池，在相当低的温度时就可以发电，而且不会产生有毒和腐蚀性的物质，使用安全可靠。 最近，美国纽约的Plug Power公司成功地演示了一种利用天然气的燃料电池系统，向燃料电池家用化的目标迈出了重要一步。这种燃料电池系统是质子交换膜燃料系统。它包括燃料电池仓、电力稳定器以及燃料处理器。利用天然气是燃料电池技术的突破，这为美国的7000多万个家庭展示了用天然气供电的美好前景。这些家庭目前已经在使用天然气做饭和取暖。天然气的成本相对较低，用其作燃料，利用高效燃料电池发电，可使用户的电费开支减少20%。美国的Avist Labs公司也在开发家用燃料电池发电装置。它所开发的燃料电池发电装置，功率为4千瓦，完全可以满足一个家庭对电能的全部需求。 在日本，供家庭使用的燃料电池已经投放市场。三洋电机公司也研制成功了家用小型燃料电池，其输出功率为1000瓦，投放市场后颇受用户欢迎。这种燃料电池也是质子交换膜燃料电池，采用氟树脂类高分子膜。与磷酸燃料电池相比，这种燃料电池在电解质处于低温时也能有效使用，而且启动时间短，适合家庭使用，也可作为商店的应急备用电源，作为户外作业的移动电源使用使用也很方便。随着家庭燃料电池的商业化推广，其成本价格还会迅速降低，燃料电池民用市场的前景也将十分广阔。 四、微型燃料电池的发展动向 微型燃料电池主要用于需要小功率和长时间运行的地方。摩托罗拉公司等移动通信公司是推动这一研究项目的急先锋。摩托罗拉等公司拟把甲醇燃料电池技术推向市场。近年来手机普及加快，全世界使用手机数以亿计。每部手机都需要靠电池供电，如果能用燃料电池取代普通带年齿，就会形成一个惊人的微型燃料电池市场，燃料电池制造厂商对这一巨大市场早已虎视耽耽。 美国曼哈顿科学公司正在致力于开发可在所有便携式电器上使用的微型燃料电池。这种微型燃料电池既可以为设备长时间供电，又可以减少对环境的危害。它的电能容量令普通电池望尘莫及，它可使一部手机的待机时间达6个月之久。相比之下，采用锂电池的手机，待机时间保持两个星期已属不易。此外，这种燃料电池可保证维持长达一周之久的持续通话时间，而一般那锂电池至多可保证持续通话5个小时。两者电能容量上的差距非同一般。 目前因特网正向移动式终端方向发展，网民不仅可以用办公室和家中的电脑上网，而且可以在移动状态下通过手机、掌上电脑、手提电脑进入网络世界。今后的发展趋势是利用手提电脑或手机等设备在因特网上漫游，通过移动通信中的新的传输技术，人们可以昼夜同因特网联网。上述便携设备的使用无疑都离不开微型便携式电源。这些便携式电器对电源的要求很苛刻，不仅要求重量轻、体积小，而且要求容量大、供电质量高，以确保设备持续、稳定工作。普通电池虽然在性能方面不断改进，但就目前发展状况而言，仍然难以担当此任。经过研究人员多年的研究，适用于这些设备的微型燃料电池应运而生。这种微型燃料电池能够提供高容量的电能，而且可以随时补充。当储存在金属管中的氢消耗殆尽时，可以马上更换新金属管，为燃料电池补充燃料。德国弗劳恩霍夫协会太阳能研究所在质子交换膜燃料电池的基础上推出的微型燃料电池电源，其功率为20瓦，为手提电脑供电的持续时间相当钾电池的2～3倍。 五、生物燃料电池的发展方向 最近，燃料电池技术又有了新的突破，英国科学家研制成功了生物燃料电池。一般燃料电池都用贵金属作为催化剂。这类催化剂都是稀有金属，因而价格昂贵。这一状况严重妨碍了大功率燃料电池和大型燃料电池的推广，对大型燃料电池发电厂的发展有着很大的负面影响。不久以前，英国肯特大学和牛津大学的科学家们合作，从细菌细胞中提炼出一种叫做甲醇脱氢酶的生物催化剂。这种酶能够加速氢气的释放，从而加快电子数目大大增加。在酶催化剂的作用下，刚刚问世的生物燃料电池显示出功率大、体积小、效率高、成本低等突出优点。其能量转化效率高达60%～70%。生物燃料电池发展前途广阔，其实用化和商业化问题正处于进一步研究之中。 21世纪，氢能将灰取代煤、石油、天然气等矿物能源，人类将告别矿物能源时代，步入氢能时代。燃料电池作为把氢能直接转化为电能的洁净发电装置即将大规模全面进入社会的各个领域。 当然，人类在氢能利用方面还有不少问题需要解决，但是燃料电池大显身手，进入寻常百姓家的日子已为期不远。本世纪的头十年，将是燃料电池发电技术商品化和产业化的重要阶段，在提高技术实用性和降低生产成本方面都将取得重大突破。燃料电池的普遍推广使用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命。不久的将来。分散的燃料电池发电厂供电模式必将取代大机组、大电网、高电压的传统供电模式，人们将生活在无须担心大面积断电的时代。居民只需购买一台家用交换膜燃料电池，在自己家里就可自行发电，而且可通过接入器与外电网联接起来，调节电力供应。自产电力不足时，可从外电网购入电力；自产电力过剩时，则可向外电网出售电力。出行时，人们可以驾驶燃料电池汽车，而不必担心会给生存环境造成污染；在家时，人们又可以把燃料电池汽车当成一部发电机，为家庭提供所需的电能。一个“氢能经济”的时代即将到来。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/19/2005)